氧化鎂改性混凝土干縮裂縫自愈合性能試驗研究

梁福敏

摘要：混凝土早期裂縫對混凝土長期耐久性和工程質量均會產生不良影響。文章分析了加入不同種類氧化鎂膨脹劑的混凝土早期裂紋愈合特性，并通過室內試驗對試樣進行限制膨脹率、裂紋愈合情況和強度恢復率研究。結果表明：兩種氧化鎂均能促進混凝土的限制膨脹率增長以及裂紋愈合;氧化鎂改性混凝土初始裂紋寬度在0.4 mm以內，隨著養護齡期的增加，裂紋能完全愈合;氧化鎂改性混凝土強度恢復率較高，但是隨著氧化鎂含量升高，強度恢復率逐漸降低;試驗結果為混凝土早期裂紋治理提供新的解決措施。

關鍵詞：裂縫;氧化鎂;愈合;治理措施

0 引言

混凝土在養護初期由于溫度差異或者濕度差異會形成干縮裂縫，養護后期未愈合的裂縫將會在外力等作用下不斷發育，從而嚴重影響材料的耐久性，不僅會浪費大量的后期維護資源，還會嚴重影響工程質量[1-2]。而混凝土材料具有一定的自愈合性能，如何充分地發揮材料的自愈合性能，一直是學者研究的重點[3-5]。

其中最常見的方式就是向材料中加入添加劑，活性氧化鎂由于具有延遲膨脹等特點逐漸被人們所熟知和利用，國外早已對氧化鎂改良材料自愈合性能進行了研究[6-7]，如Qureshi等研究了兩種氧化鎂及不同摻量對混凝土裂縫自愈合性能的影響[8]，結果表明兩種氧化鎂在一定的摻量下均能有效地促進混凝土的自愈合性，提升材料的強度恢復率。彭成等[9]通過測量含不同氧化鎂摻量和預置裂縫的混凝土在不同養護齡期下的強度恢復率和回彈波速，發現氧化鎂不僅能提高混凝土的強度恢復率，還能延長裂縫自愈合的時間。

目前對于氧化鎂改良混凝土自愈合性能的作用機理尚無明確的定論，有學者認為是氧化鎂的水化反應產物氫氧化鎂能夠對混凝土裂縫進行填充[10-11];也有學者認為是氧化鎂與水泥產生水化反應，生成能阻礙裂縫繼續發育的物質[12]。但是以往所有的研究均表明氧化鎂的活性對于混凝土裂縫自愈合性能的影響最大，而不同地區的氧化鎂活性存在一定的差異，因此為了驗證我國生產的氧化鎂活性及其對混凝土裂縫自愈合性能的影響，需進行相關試驗研究。

1 原材料及試驗方案

1.1 試驗原材料

本次試驗采用的2種活性氧化鎂（A和B）是武漢某建材公司生產的，通過檸檬酸反應法測定其活性發現，A和B的活性時間分別為70 s和130 s，其余原材料種類及混凝土配比如表1所示，減水劑的作用是控制坍落度始終能維持在180 mm左右。

以上述配比為基礎，配制出空白組和對照組，再通過外摻法向其中分別加入兩種活性氧化鎂，兩種氧化鎂的質量分別為水泥質量的5%和10%，兩種活性氧化鎂的化學組成如表2所示。

1.2 試驗方案

本文通過室內試驗測量含有不同類型和摻量的活性氧化鎂試樣的限制膨脹率、裂紋寬度愈合情況和強度恢復率。用來測量限制膨脹率的試樣尺寸為40 mm×40 mm×140 mm，測量時兩端加上長度為9 mm的金屬測頭，試樣在水中養護時溫度為20±2 ℃，養護齡期為3 d、7 d、14 d和28 d。用來測量裂紋寬度愈合情況的試樣是100 mm×100 mm的圓柱形，預置裂紋是在試樣成型24 h后通過抗壓試驗實現，通過控制加載速度為1 MPa/s，當試樣端面出現貫穿裂紋時停止加載，通過鐵箍將含裂縫的試樣進行固定，然后選取符合要求的試樣進行下一步試驗。預置裂紋的寬度分別為0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.7 mm和1.0 mm，每個寬度裂紋選取三個試樣，實驗結果取三個試樣的平均值，裂紋寬度通過顯微鏡觀測。用來測量強度恢復率的試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，試樣成型24 h后進行預破壞，即對試樣進行單軸壓縮試驗，當加載力小于試樣破壞最大力50 kN時停止加載，預破壞試樣和完整試樣在水中養護溫度為20±2 ℃，養護齡期為7 d和28 d。強度恢復率計算公式如式（1）所示。

2 試驗結果分析

2.1 限制膨脹率結果分析

空白組和兩種活性氧化鎂在兩種摻量下試樣的限制膨脹率試驗結果如圖1所示。從圖中可以看出，未加入活性氧化鎂的普通混凝土試樣限制膨脹率最低，當養護齡期為28 d時，限制膨脹率為0.011 mm·m-1，說明活性氧化鎂的加入均能在一定程度上促進試樣的限制膨脹率，B類活性氧化鎂兩種摻量試樣的限制膨脹率與A類活性氧化鎂摻量為5%時十分接近，比空白組略有增加，但是增大幅度較小;A類活性氧化鎂摻量為10%時限制膨脹率最大，當養護齡期為28 d時，能達到 0.062 mm·m-1。

2.2 裂紋愈合結果分析

根據限制膨脹率試驗結果，選取A類活性氧化鎂10%摻量下的試樣進行裂紋愈合情況試驗研究。選取具有不同初始裂紋寬度的試樣進行同等條件下的養護，記錄不同養護齡期下試樣裂紋的寬度，試驗結果如下頁圖2所示。從圖中可知，當試樣裂紋寬度在0.4 mm及以下時，養護一定時間裂紋能完全愈合，愈合比例高達100%;當裂紋為0.7 mm和1.0 mm時，養護初期裂紋能愈合一部分，養護到14 d時愈合基本停止，養護到28 d時裂紋寬度分別為0.50 mm和0.82 mm，愈合比例分為28.6%和18%。說明活性氧化鎂對于混凝土早期裂紋的愈合具有促進作用，但是裂紋寬度較大時，愈合作用不明顯。

根據混凝土結構設計規范相關規定，混凝土在不同的使用環境和結構中，所允許的最大裂紋寬度范圍為0.1～0.3 mm，從上述試驗結果可以看出，裂縫寬度在這個范圍內，氧化鎂的加入對材料裂紋的愈合具有很好的促進作用，保障了材料的耐久性和工程質量。

2.3 強度恢復率結果分析

通過測量含不同種類和摻量活性氧化鎂試樣在不同養護齡期下的強度，得到強度恢復率結果如圖3所示。從圖中可以看出，相比未加入活性氧化鎂的試樣而言，加入活性氧化鎂的試樣強度恢復率均較高，在齡期分別為7 d和28 d時，未加入氧化鎂的試樣強度恢復率分別為25.6%和38.6%，加入5%A類氧化鎂的試樣強度恢復率分別為42.9%和64.4%，加入5%B類氧化鎂的試樣強度恢復率分別為40.6%和62.1%，說明活性氧化鎂能促進材料的強度恢復。從圖中還可以看出，在齡期分別為7 d和28 d時，加入10%A類氧化鎂的試樣強度恢復率分別為40.6%和61.1%，加入10%B類氧化鎂的試樣強度恢復率分別為39.8%和59.6%，說明加入同種氧化鎂的試樣，活性氧化鎂的含量越高，強度恢復率反而越低。這主要是因為氧化鎂加入到混凝土中，會促進混凝土的膨脹率，過量的活性氧化鎂會導致混凝土因膨脹而增大內部的孔隙率，從而導致強度有所下降，因此活性氧化鎂的摻量不能太高。

2.4 氧化鎂作用機理分析

通過相關研究表明[10]，結合本文試驗結果可知，氧化鎂促進混凝土早期裂縫愈合源于其膨脹性，膨脹機理為氧化鎂改性混凝土中氫氧化鎂的生成，因為氫氧化鎂早期能吸水導致自身體積的膨脹，發育后期由于晶體之間的結晶力導致混凝土的進一步膨脹。因此氧化鎂能促進混凝土的限制膨脹率，體積膨脹和氫氧化鎂的填充等共同作用也會促進混凝土的裂縫愈合。但是多量的氧化鎂會對混凝土產生不利的影響，因為膨脹較大會導致混凝土內部孔隙率的升高，從而降低其強度。因此氫氧化鎂的最佳摻量范圍在5%～10%之間。

3 結語

本文對含不同種類及摻量活性氧化鎂的混凝土試樣進行室內試驗研究，得到如下結論：（1）兩種氧化鎂均能促進混凝土的限制膨脹率增長以及裂紋的愈合;（2）氧化鎂改性混凝土初始裂紋寬度在0.4 mm以內，隨著養護齡期的增加，裂紋能完全愈合;（3）氧化鎂改性混凝土強度恢復率較高，但是隨著氧化鎂含量的升高，強度恢復率逐漸降低;（4）試驗結果為混凝土早期裂紋治理提供新的解決措施。

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