膨脹劑對橋梁用混凝土性能的影響試驗研究

陳平

摘 要：針對橋梁用混凝土抵抗開裂能力薄弱的缺陷，本研究通過探究新型輕燒氧化鎂膨脹劑對C30混凝土和易性、耐久性能、力學性能的影響，討論了不同輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量在不同養護條件和溫度下對橋梁用混凝土性能的影響。當以0%、5%、10%的輕燒氧化鎂膨脹劑替代C30混凝土膠凝材料時，隨著輕燒氧化鎂膨脹劑的摻入量的增加，C30混凝土的壓縮強度先增后減，在摻入量為5%時強度達到最大;當輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量相同時，帶模養護比不帶模養護的C30混凝土強度更大，養護溫度越高C30混凝土的強度越大。

關鍵詞：輕燒氧化鎂膨脹劑;混凝土性能;和易性;壓縮強度

中圖分類號：TQ452 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）07-0192-05

Experimental Study on Influence of Expansive Agent on Performance of Concrete for Bridge

Chen Ping

（China Tiesiju Civil Engineering Group， Hefei 230023， China）

Abstract：In view of the weak crack resistance of concrete for bridge， this study explores the influence of new light burned magnesium oxide expansion agent on the workability， durability and mechanical properties of C30 concrete， and discusses the influence of different blending amount of light-burned magnesia expansion agent on the performance of bridge concrete under different curing conditions and temperatures. When C30 concrete cementitious material is replaced by 0%，5% and 10% light burned magnesia expansive agent， the compressive strength of C30 concrete increases first and then decreases with the increase of the content of light burned magnesia expansion agent， and reaches the maximum when the content is 5%; the strength of C30 concrete cured with formwork is higher than that without formwork when the content of MgO expansion agent is the same. The higher the curing temperature is， the greater the strength of C30 concrete is.

Key words：light burned magnesia expansive agent; concrete performance; workability; compressive strength

長期以來，橋用混凝土的抗開裂能力弱的問題始終困擾著工程界和學術界。如何提高橋梁混凝土抗開裂能力，成為當前推廣高性能混凝土無法回避的重點和難點。傳統上，提高橋梁混凝土抗開裂能力的方法是通過在混凝土內部埋設冷水管或降低水化放熱[1]等方法來實現。但由于這類方法施工過程復雜，嚴重影響了施工進度，且增加了工程造價，因此不適合廣泛應用于橋梁建設。現代建筑工程中，利用膨脹劑提高混凝土建筑結構性能[2]的應用十分廣泛，但利用膨脹劑提高橋梁用混凝土的研究和應用較為缺乏，故本研究結合當前膨脹劑在混凝土中的應用，重點研究了輕燒氧化鎂膨脹劑對橋梁用混凝土性能的影響，以提高橋梁用混凝土的抗開裂能力。

1 材料與方法

1.1 設備與試劑

研究使用主要設備包括豫捷JS1500混凝土攪拌機、DYE-2000型混凝土萬能壓力機、安東帕MCR92流變儀、SRFM-860混凝土收縮膨脹率測定儀、GT1253千分表、SU3900掃描電鏡;原材料包括PO42.5水泥、II級粉煤灰、S95級礦渣，以及含泥量不大于3%，泥塊含量不大于1%的細骨料，最大粒徑不大于40mm，含泥量不大于1%，泥塊含量不大于0.5%的粗骨料;減水劑選用由安徽中鐵工程材料科技有限公司提供的PCA?-I聚羧酸高性能減水劑，其減水率為15.5%;選用由武漢吉葉升化工有限公司生產的輕燒氧化鎂作為作為試驗用膨脹劑，其主要成分含量如表1所示。

1.2 研究方法

為探究膨脹劑對橋梁用混凝土性能影響，本研究主要從摻入輕燒氧化鎂膨脹劑對橋梁用混凝土和易性、耐久性、力學性[3]3個方面進行深入分析。分別研究了加入0%、5%、10%的輕燒氧化鎂膨脹劑時，新拌混凝土的和易性變化規律，以及對C30混凝土碳化深度的影響;不同摻入量的輕燒氧化鎂膨脹劑混凝土7d、14d、28d齡期下，輕燒氧化鎂對混凝土力學性能的影響，以及對混凝土膨脹性能的影響。

1.3 試驗過程

將水泥、粉煤灰、礦渣3種原材料按4∶3∶3的比例，使用攪拌機進行混合后均分為4組。其中，第1組為基準組，不摻入輕燒氧化鎂膨脹劑;其余3組分別加入0%、5%、10%的輕燒氧化鎂膨脹劑代替膠凝材料中的各組成材料。通過適配和計算調整，最終確定了C30混凝土的配合比如表2所示。然后對不同輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量的C30混凝土進行測定，得到其對C30混凝土和易性、耐久性、力學性影響結果。最后，為深入探究輕燒氧化鎂膨脹劑對橋梁用混凝土性能的影響，研究利用掃描電鏡對不同輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量的C30混凝土進行了電鏡掃描。將各組混凝土在標準養護條件下進行烘干制樣，放入掃描電鏡真空倉進行SEM試驗。

2 結果與分析

2.1 輕燒氧化鎂膨脹劑對C30混凝土的和易性影響結

果分析

本研究按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測定輕燒氧化鎂膨化機對橋用混凝土C30的和易性[4][5]。通過不斷調節減水劑的用量，得到如表3所示的混凝土和易性結果。由表可知，隨著輕燒氧化鎂膨脹劑的摻入量增加，減水劑的用量也逐漸上升;當輕燒氧化劑摻入量大于5%達到10%時，減水劑的摻入量明顯增加，C30混凝土的坍落度明顯降低。減水劑的增加容易造成C30混凝土離析和泌水，因此為保證摻入輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量最高，且不影響C30混凝土的工作性能，摻入5%的輕燒氧化鎂膨脹劑最適量。

2.2 輕燒氧化鎂膨脹劑對混凝土耐久性能影響結果分析

研究按照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》試驗橋用混凝土耐久性能[6-7]，測量在自然養護下C30混凝土碳化一個月和兩個月的深度值如表4所示。當輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量分別為0%、5%、10%時對C30混凝土的耐久性能影響如圖1所示。由圖1可知，碳化一直存在，但隨著輕燒氧化鎂膨化機的摻入量增加，C30混凝土的碳化值和碳化深度逐漸降低;當輕燒氧化鎂膨脹劑的摻入量為10%時，碳化值最低。由此說明輕燒氧化鎂降低了C30的碳化深度，提高了C30混凝土的抗碳化能力，即輕燒氧化鎂膨脹劑可提高C30混凝土的耐久性能。

2.3 輕燒氧化鎂膨脹劑對混凝土力學性能影響結果分析

混凝土的力學性能主要表現在混凝土的壓縮強度上，因此研究按照GB/T50081-2002《混凝土力學性能試驗方法標準》試驗橋用混凝土的強度[8-9]。摻入0%、5%、10%的輕燒氧化鎂C30混凝土，在7d、14d、28d齡期的強度如表5所示。

由表5可知，C30混凝土強度與輕燒氧化鎂膨脹劑的摻入量、約束條件、養護溫度相關，因此本研究從這3個方面分析輕燒氧化鎂膨脹劑對C30混凝土強度的影響。

2.3.1 不同輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量下C30混凝土強度

不同摻入量的輕燒氧化鎂膨脹劑對C30混凝土強度的影響結果，如圖2所示。

由圖2可知，當約束條件和水化齡期相同時，隨著輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量的增加，C30橋用混凝土的強度呈現先增加后下降的趨勢。當輕燒氧化鎂膨脹劑的摻入量為5%時，C30橋用混凝土的壓縮強度最高;當輕燒氧化鎂膨脹劑的摻入量超過5%時，C30橋用混凝土的壓縮強度逐漸降低，且低于未添加輕燒氧化鎂膨脹劑的混凝土強度。此外，在齡期為28d前，不同摻入量的輕燒氧化鎂膨脹劑對C30混凝土強度的影響不明顯;當齡期大于28d在56d時，不同摻入量的輕燒氧化鎂膨脹劑對C30混凝土強度的影響差距逐漸明顯，且在10%的輕燒氧化鎂摻入量時，C30混凝土的強度明顯下降。由此可以看出，當只有輕燒氧化鎂膨脹劑的摻入量發生變化時，摻入5%比未摻入輕燒氧化鎂膨脹劑的強度更高;摻入10%的輕燒氧化鎂膨脹劑比未摻入輕燒氧化鎂膨脹劑的強度更低。（圖中顯示的氧化鎂摻入量為0、3%、6%、9%，并非按照0、5%、10%的量）

2.3.2 不同約束條件下C30混凝土壓縮強度

不同輕燒氧化膨脹劑摻入量對不同約束條件下C30混凝土壓縮強度的影響結果，如圖3所示。

由圖3可知，當輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量相同時，7d齡期不帶模的C30混凝土的強度強于帶模C30混凝土強度;隨著水化齡期增長，不帶模的C30混凝土的強度比帶模C30混凝土強度更低。此外，隨著水化齡期增長，帶模比不帶模對C30混凝土強度的提升作用逐漸減小。由此可以看出，帶模對C30混凝土強度的提高作用強于比不帶模對C30混凝土的提高作用。

2.3.3 不同養護溫度C30混凝土壓縮強度

不同輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量對不同養護溫度C30混凝土壓縮強度影響結果，如圖4所示。

由圖4可知，當水化齡期和輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量相同時，隨著養護問題的提升，C30混凝土的壓縮強度逐漸提高，且隨著養護溫度的升高，C30混凝土強度提升的速度更快。當輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量為5%時，7d齡期40℃溫度的養護條件C30混凝土強度比標養下的比標養下的高52.6%，28d齡期40℃溫度的養護條件C30混凝土強度比標養下的比標養下的高29.6%;當輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量為10%時，7d齡期40℃溫度的養護條件C30混凝土強度比標養下的比標養下的高51.3%，28d齡期40℃溫度的養護條件C30混凝土強度比標養下的比標養下的高28.4%。由此可以看出，養護溫度的升高可提高C30混凝土的強度，且在水化齡期早期提升效果更明顯。

2.4 掃描電鏡觀察結果分析

對C30混凝土取樣進行掃描電鏡觀察，得到不同輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量的C30混凝土在不同齡期的圖片，如圖5所示。

由圖5可知，加入輕燒氧化鎂膨脹劑的C30混凝土在120d齡期時，輕燒氧化鎂膨脹劑已經生成氫氧化鎂混合于混凝土中，從而降低了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的密度，使得混凝土的壓縮強度和抗碳化能力得到提升，有利于其整體強度和耐久性的提高。由此可以看出，摻入輕燒氧化鎂膨脹劑是提高C30混凝土的強度和耐久性的根本原因。

3 結論

在膨脹劑對橋梁用混凝土和易性影響試驗中，隨著輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量的增加，減水劑的用量也逐漸上升，當輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量為5%時，C30混凝土的工作性能最高，能夠獲得足夠的坍落度和擴展度。

在膨脹劑對橋梁用混凝土耐久性能影響試驗中，隨著輕燒氧化鎂膨脹劑的摻入量增加，C30混凝土的額碳化深度逐漸降低，說明輕燒氧化鎂膨脹劑可有效提升C30混凝土的抗碳化能力，即提高其耐久修能。

在膨脹劑對橋梁用混凝土力學性能影響試驗中，約束條件和水化齡期相同時，隨著輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量的增加，C30混凝土的強度呈現先升后降的趨勢，且在輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量為5%時壓縮強度最高;帶模養護對C30混凝土的強度提高幅度高于不帶模養護對C30混凝土的強度提高幅度，且在56d齡期前這種提升幅度更明顯;相同養護條件和相同輕燒氧化鎂膨脹劑摻入量時，隨著溫度的增加，C30混凝土的強度逐漸增加。

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