不同養護條件下MgO 對混凝土力學性能的影響

程福星，劉猛，向飛，王海龍

（1. 武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430083；2. 武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢 430083）

0 引言

混凝土作為世界上用途最廣、體量最大的建筑材料，而被廣泛應用于建筑工程、公路工程、橋梁和隧道工程、水利工程、核電工程等各類建設領域中，對社會的發展與進步起著無可替代的作用。然而混凝土材料容易開裂問題一直困擾著眾多專家、學者。研究表明，利用膨脹劑在水化過程中產生的體積微膨脹，進而在混凝土結構內部產生預壓應力，來補償混凝土因收縮帶來的開裂風險是有效措施之一[1-3]。MgO 膨脹劑因具有水化需水量小、膨脹歷程可控、水化產物晶體結構穩定等優點，相較于鈣礬石膨脹劑而被廣泛使用[4,5]。

凝土結構物主要用于承受荷載或抵抗各種作用力，因此，抗壓強度是混凝土最重要的力學性能指標，與此同時，對于混凝土結構物所處的環境條件，例如高溫、高濕、低濕、強限制等，對混凝土強度的發展均有影響，因此研究摻 MgO 膨脹劑在不同養護條件下對混凝土抗壓強度的影響十分重要[6]。針對此情況，本文研究了不同 MgO 摻量混凝土試塊處于自然養護、標準養護、限制養護和高溫養護條件下的強度發展規律，以期對 MgO 膨脹劑的工程應用給予一定指導作用。

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）試驗所用水泥為華新水泥股份有限公司生產的普通硅酸鹽水泥 P·O42.5，其化學組成見表 1，性能指標見表 2。

表1 普通硅酸鹽水泥的化學組成

表2 普通硅酸鹽水泥的物理性能

（2）MgO 膨脹劑選用武漢三源特種建材責任有限公司生產的 M 型 MgO，活性值為 122s，其 XRD 圖譜及微觀形貌見圖 1；礦粉選用濟南某公司生產的 S95 礦粉，28d 活性指數 102%；粉煤灰選用武漢青山發電廠提供的Ⅱ級粉煤灰，細度 14.8%。三種材料化學成分見表 3。

表3 礦粉、粉煤灰及 MgO 化學組成 %

（3）細骨料為當地河砂，細度模數為 2.6，含泥量1.3%；粗骨料采用 5～31.5mm 連續級配花崗巖碎石，其主要物理性能指標如表 4。

表4 粗骨料主要物理性能指標

（4）拌合水為自來水；減水劑由武漢三源特種建材責任有限公司生產的 Ujoin-PC 型聚羧酸高性能減水劑，固含量為 20.6%，減水率為 22%。

1.2 試驗方案

1.2.1 混凝土配合比

根據 JGJ 55—2011《混凝土配合比設計規程》，設計選用 C30 普通混凝土為基準，MgO 膨脹劑取代粉煤灰用量分別為 0kg、20kg、40kg 和 60kg，試驗編號為：C30-0、C30-2、C30-4 和 C30-6，具體配合比見表5。

1.2.2 混凝土性能檢測方法

抗壓強度檢測參照國家標準 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》；根據表 5 的配合比制作 100mm×100mm×100mm 試件，試件成型后，置于溫度為 20℃ 的室內，24h 后拆模，其中限制養護為相同尺寸鋼模，24h 后帶模放入標準養護室，其余試塊依次放入 80℃ 水樣箱，溫度 (20±2)℃、相對濕度 (97±2)% 的標準養護室，溫度 (20±2)℃，相對濕度 (50±2)% 的自然環境下養護至檢測齡期，再使用全自動壓力試驗機測試不同養護條件下混凝土試塊 7d、28d、60d、90d 和 180d 齡期的抗壓強度。

表5 C30 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗結果及分析

混凝土在不同養護條件下的抗壓強度檢測結果見表6。

2.1 自然養護條件下對混凝土強度的影響

在自然養護條件下，MgO 膨脹劑摻量對混凝土抗壓強度的影響見圖 2。

由圖 2 可見，在自然養護條件下，當 MgO 摻量在20kg 和 40kg 時，混凝土早、中期抗壓強度與對照組差別不大，但長齡期抗壓強度略低于空白組，可能是相對于 MgO，粉煤灰在后期發生二次水化，使得結構更加密實，導致對照組后期強度更高，而早期粉煤灰并無明顯活性，兩者對混凝土強度影響不大；但對于 60kg 摻量，混凝土各齡期抗壓強度均低于對照組，且差距隨齡期增大而增大，說明粉煤灰的二次水化對混凝土后期強度是有利的，且 MgO 摻量不宜過高。

圖1 MgO 膨脹劑的微觀形貌及 XRD 圖譜

表6 不同養護條件下各試樣的抗壓強度結果 MPa

圖2 自然養護條件下 MgO 摻量對混凝土抗壓強度的影響

2.2 標準養護方式對混凝土強度的影響

圖3 為在標準養護下不同摻量 MgO 對混凝土性能的影響。

由圖3可知，在標準養護下，MgO 摻量為 20kg時，各齡期混凝土強度與對照組差別不大，但當摻量提高至 40kg 時，兩者的差距逐步拉大，其原因是在標準養護下，有利于膠凝材料的水化，摻合料的二次水化也更充分，MgO 對粉煤灰取代量過大時，影響了膠凝產物的生成，而 MgO 膨脹劑的水化不足以彌補這部分粉煤灰水化對強度的貢獻。當 MgO 摻量增大至 60kg 時，混凝土抗壓強度進一步下降，這與自然養護條件表現的規律相同，MgO 摻量越大，抗壓強度損失越嚴重。

圖3 標準養護條件下 MgO 摻量對混凝土抗壓強度的影響

2.3 限制養護方式對混凝土強度的影響

限制養護對于摻膨脹劑混凝土而言，可提供更大的預壓應力，其 MgO 摻量對混凝土抗壓強度的影響結果見圖 4。

圖4 限制養護條件下 MgO 摻量對混凝土抗壓強度的影響

由圖 4 可見，限制養護條件下，摻 MgO 混凝土抗壓強度并未優于對照組，原因之一是限制鋼模并非完全限制，有一單面并未約束，影響了應力儲備；另一種原因是 MgO 水化產物并未起到堵孔作用，只是起到了體積增大的作用，增加的密實度有限，而部分粉煤灰顆粒較細，可填充內部孔道，當其發生二次水化時，能更好地提高混凝土的密實度，對混凝土抗壓強度提升作用更明顯。同時可以看到，限制養護混凝土早期強度較標準養護下強度更高，原因是限制養護可提升水化熱聚集，增大混凝土早期水化溫度，對強度發展是有利的；但隨MgO 摻量增大，混凝土抗壓強度依舊表現下降趨勢，進一步說明，就內摻取代摻合料而言，MgO 摻量不宜過高。

2.4 高溫養護方式對混凝土強度的影響

對于大體積混凝土而言，混凝土內部溫度可高達70～80℃，采用高溫養護可模擬實際工況，探究高溫下摻 MgO 對混凝土力學性能的影響，試驗結果見圖 5。

圖5 高溫養護條件下 MgO 摻量對混凝土抗壓強度的影響

由圖5可見，在高溫養護下，混凝土早期強度得到提高，這與水泥水化速率提升有較大關系，當 MgO 摻量為 20kg 時，隨養護齡期的延長，混凝土抗壓強度優于對照組，說明高溫下加速了 MgO 的水化，其產生的微膨脹提高了混凝土的密實度；但當摻量提升至 40kg時，各齡期混凝土抗壓強度與對照組相當，說明粉煤灰的二次水化效果得到體現，可抵消 MgO 產生的微膨脹效應，但 MgO 產生過度膨脹，可能導致混凝土結構局部破壞，對過渡界面區的穩定性有影響，影響強度；當摻量提升至 60kg 時，混凝土抗壓強度明顯降低，說明混凝土中 MgO 膨脹劑摻量不宜太高。

2.5 不同養護條件對混凝土強度的影響

結合上文的試驗結果，混凝土中摻 20kg MgO 對強度影響不大，特選取該摻量下不同養護條件對抗壓強度的影響，對比結果如圖6。

圖6 不同養護條件下摻 20kg MgO 對混凝土抗壓強度的影響

由圖6可清晰看到，高溫養護對摻 MgO 混凝土強度貢獻最大，而自然養護則相反；限制養護與標準養護對混凝土強度影響相當，但 7d 結果表明前者更優，原因是限制養護下早期水泥水化熱聚集，提升了水化環境溫度；在不同養護條件下，各齡期抗壓強度均呈現增大趨勢，沒有出現強度倒縮現象，但對于高溫養護，試塊齡期從 60d 到 180d 強度增長相對緩慢，可能是在高溫養護下，早齡期膠凝材料水化反應較充分引起。

3 結論

（1）MgO 膨脹劑對混凝土工作性能有一定影響，對減水劑需求量隨摻量增大明顯加大，應控制好摻量，避免減水劑用量的超摻。

（2）MgO 膨脹劑摻量超過 20kg 后，對混凝土力學性能有一定影響，且隨摻量增大，抗壓強度明顯下降。

（3）養護條件對摻 MgO 混凝土有顯著影響，高溫養護下，MgO 水化速度增加，對混凝土抗壓強度有貢獻，且各養護條件下各齡期抗壓強度無倒縮現象。

（4）綜合考慮混凝土的工作性和力學性能，對于C30 混凝土 MgO 膨脹劑摻量應小于 40kg/m3。