外摻氧化鎂面板混凝土力學及變形性能試驗研究

陳書軍，王保欣，項立鑫，李志龍，董 博

(1.中國水利水電第三工程局有限公司，西安 710024；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710100)

0 前 言

在混凝土中摻加膨脹劑，可補償收縮混凝土，提高混凝土的抗滲性。目前，常見的混凝土膨脹劑主要有硫鋁酸類、氧化鈣類與硫鋁酸鈣-氧化鈣類粉狀混凝土膨脹劑3種[5-6]。其中，硫鋁酸鹽-氧化鈣復合型膨脹劑是目前應用比較廣泛的一種膨脹劑，其特點是膨脹速率快，膨脹率高，可以在14 d內完成膨脹，而且價格相對低廉，但會在養護結束時，構件逐漸干燥后產生較大的膨脹回落現象。與以鈣礬石、氫氧化鈣作為膨脹源的膨脹劑相比，MgO膨脹劑由于具有水化需水量少、水化產物物理化學性質穩定、膨脹過程可調控設計的優點，能夠滿足不同類型結構中混凝土收縮補償的要求[7-9]。

東北某抽水蓄能電站位于北方嚴寒地區。根據當地歷年氣象資料統計，最低氣溫-45.2 ℃，最大風速24 m/s(相應風向為WNW)。晝夜溫差大，氣候條件惡劣，所以對上庫大壩混凝土面板施工是一個嚴格考驗。 該上水庫大壩為混凝土面板壩，面板頂部高程為653.00 m，基礎底高程為572.50 m。迎水面坡比約為1∶1.4，頂部厚度為0.4 m。底部最大厚度為0.56 m，最大斜長約137.1 m。面板共計53塊，基本寬度為14 m。水庫面板混凝土屬于典型的水工薄壁結構混凝土，與常規的大體積混凝土相比，具有表面積與體積之比大，水分散發速度和散發量相對快和大，干縮變形突出等特點。這種特點使面板混凝土極易開裂，產生表面裂縫甚至貫穿性裂縫，不僅會破壞結構的整體性，影響結構的受力狀況與穩定性，而且容易導致內部鋼筋銹蝕，降低結構的耐久性。因此，為保證水電工程的安全和工程結構的耐久性，水庫面板混凝土通常采取一系列有效的防裂抗裂技術控制混凝土開裂，其中摻加膨脹劑補償混凝土的收縮是手段之一。

本文以東北某抽水蓄能電站項目為例，針對基準混凝土、外摻氧化鎂膨脹劑混凝土和外摻硫鋁酸鹽CSA膨脹劑混凝土的力學性能、抗凍性能以及抗裂性能，進行氧化鎂在面板混凝土中抗裂適用性試驗研究,為類似工程提供借鑒。

1 試驗原材料及方法

1.1 試驗原材料

1.1.1水 泥

采用牡丹江某水泥有限公司生產的P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥，其物理力學性能、化學成份檢驗結果見表1和表2。

表1 水泥物理力學性能檢驗結果

表2 水泥化學成份檢驗結果

1.1.2摻合料

粉煤灰采用牡丹江某公司的F類Ⅰ級灰；硅粉采用四川某公司生產的微硅粉。其基本品質指標見表3和表4。

表3 粉煤灰基本品質指標

表4 硅粉基本品質指標

1.1.3膨脹劑

采用武漢某公司生產的I型MgO膨脹劑，氧化鎂品質檢驗結果見表5。為說明氧化鎂在面板混凝土中抗裂適用性問題，本試驗同時選用CSA-Ⅲ型硫鋁酸鹽系膨脹劑進行對比試驗研究，其性能測試詳見表6。

表5 氧化鎂品質檢驗結果

表6 CSA-III膨脹劑檢測結果

1.1.4骨 料

本試驗所用細骨料和粗骨料品質檢驗結果見表7和表8。

表7 細骨料品質檢驗結果

表8 粗骨料品質檢驗結果

1.1.5外加劑

本次試驗外加劑選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的PCA?-Ⅰ型聚羧酸高性能減水劑。

1.2 試驗方法

按照DL/T 5330-2015《水工混凝土配合比設計規程》進行混凝土配合比設計，依據DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗規程》[13]進行混凝土抗壓強度試驗、極限拉伸試驗、抗凍性試驗、自生體積變形和早期抗裂性試驗。依據CCES 01-2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》[12]，通過平板法評價MgO對面板混凝土在約束條件下早期抗裂性的影響。

2 混凝土配合比設計

2.1 設計指標

面板混凝土技術要求為C35W10F90400，其他技術指標需滿足表9的要求。

表9 面板混凝土技術要求指標

2.2 配合比設計

本試驗混凝土強度等級設計為C35，考慮適當放寬混凝土的水膠比水平范圍，以便于研究外摻材料對混凝土性能影響的顯著性。所以本試驗選擇3個水平：0.41、0.38、0.35。粉煤灰摻量為15%，硅粉摻量為5%。氧化鎂膨脹劑摻量為5%，CSA-III膨脹劑摻量為5.3%。選用基準試驗組(JZ)作為對比，不同水膠比摻氧化鎂試驗組分別命名為：B-1、B-2、B-3；摻CSA-III膨脹劑試驗組命名為：A-1、A-2、A-3，其混凝土配比設計見表10。

表10 混凝土配合比設計情況表

3 試驗結果及分析

3.1 混凝土抗壓強度

混凝土強度與齡期密切相關，在相同養護條件下，混凝土強度均隨齡期的增長而增長。7組試驗結果可以看出(圖1)，配制的混凝土抗壓強度均隨著水膠比的減小而增大，符合混凝土強度發展理論。編號為B-1～B-3的混凝土7 d抗壓強度為22.6～36.2 MPa，28 d抗壓強度為32.8～45.9 MPa，90 d抗壓強度為47.1～56.9 MPa。編號為A-1～A-3的混凝土7 d抗壓強度為22.6～35.2 MPa，28 d抗壓強度為34.2～45.1 MPa，90 d抗壓強度為45.8～55.1 MPa。

表11 混凝土抗壓強度 /MPa

相同水膠比、相同齡期條件下，摻入CSA-III膨脹劑的混凝土抗壓強度值大部分略低于摻入MgO膨脹劑的混凝土抗壓強度值。相比于基準組，外摻氧化鎂膨脹劑會降低混凝土的早期(7 d)抗壓強度，但后期(28 d和90 d)強度無明顯差異。這很大程度上是由于氧化鎂與水反應導致的。采用小于0.41水膠比配制的28 d混凝土抗壓強度能夠滿足43.2 MPa的配制強度要求。

3.2 混凝土抗拉強度及極限拉伸值

混凝土的抗拉強度及極限拉伸值試驗均采用截面尺寸為100 mm×100 mm×550 mm(寬×高×長)的混凝土試件進行。

從得出的試驗結果可知(見圖2和圖3)，隨著水膠比的減小，28、90 d齡期抗拉強度逐漸增加，混凝土的極限拉伸值也隨之加大。在0.41、0.38、0.35三個水膠比條件下，摻入MgO的混凝土28 d抗拉強度在2.33～2.73 MPa，極限拉伸值在0.85×10-4～1.4×10-4。90 d抗拉強度在2.69～2.86 MPa；極限拉伸值在1.16×10-4～1.56×10-4水膠比相同條件下；摻入膨脹劑的混凝土28 d抗拉強度在2.32～2.56 MPa,極限拉伸值在0.9×10-4～1.23×10-4，90 d抗拉強度在2.61～2.74 MPa，極限拉伸值在1.10×10-4～1.51×10-4；一般極限拉伸值越高，其混凝土的抗裂性能越好。與基準組相比，摻入MgO的混凝土和摻膨脹劑混凝土的極限拉伸值分別提高約41.8%和36.3%。隨著齡期的增長，摻入膨脹劑的混凝土抗拉強度及極限拉伸值略低于摻入MgO的混凝土抗拉強度及極限拉伸值。且試驗組A-3和B-3試驗數據較為接近。

3.3 混凝土抗凍性能

不同水膠比、不同配比組成的混凝土抗凍試驗采用快速凍融循環法進行，試驗齡期為90 d，試驗結果見圖4、5。

由圖4可以看出，混凝土的質量損失率隨著凍融循環不斷增加。凍融循環次數小于150次時，除了基準組外，其余試驗組質量損失均小于1%。在凍融循環作用下，混凝土內部水分結冰而體積變大，混凝土表面產生裂縫，砂漿和骨料開始剝落。摻氧化鎂或膨脹劑的混凝土由于產生大量水化產物，提高了混凝土的密實度，減少了混凝土開裂的風險，表面的碎石砂漿掉落相對較少，從而降低了相對質量損失率。7組試驗中只有A-2、A-3、B-2、B-3達到了400次凍融循環而未凍斷，滿足抗凍性能要求F400。不同類型混凝土的質量損失率由高到低為：JZ>A-1>B-1>A-2>B-2>A-3>B-3。

由圖5可以看出，在經歷凍融循環后，混凝土試件的相對動彈模量逐漸減小。當凍融循環次數小于150次時，摻氧化鎂或膨脹劑的混凝土相對動彈模量均大于85%，而JZ組的相對動彈模量均小于85%，表明氧化鎂或膨脹劑的加入，均能夠有效改善混凝土的抗凍性能。不同配比混凝土的相對動彈模量由高到低為：B-3>A-3>B-2>A-2>B-1>JZ>A-1。隨著凍融循環次數的增加，混凝土內膨脹劑逐漸反應完畢，而氧化鎂水化產生的Mg(OH)2繼續填充混凝土內部孔隙，且不斷增長，均有效填充于內部孔隙，提高了混凝土的密實度，相對動彈模量相對較高。

3.4 混凝土自生體積變形

對編號A-2、B-2試驗組混凝土自生體積變形進行試驗，齡期與自生體積變形關系見圖6。

由圖6可以看出，兩種混凝土90 d內的自生體積變形均為膨脹變形，編號A-2的混凝土自生體積變形膨脹量較編號B-2的大。摻入膨脹劑和摻入MgO的混凝土膨脹變形速率不盡相同，摻入膨脹劑的編號為A-2混凝土前期膨脹速率很快，圖中曲線陡增，1 d時膨脹變形已達20.34×10-6，8 d時膨脹幅度最大為31.39×10-6，之后膨脹變形量逐漸降低，40 d后膨脹變形降到10×10-6以下，60 d后自生體積膨脹變形逐漸穩定；摻入MgO的編號為B-2混凝土自生體積變形，前12 d膨脹上升速率較快，12 d時膨脹變形達18.68×10-6，之后膨脹變形速率減緩，90 d時自生體積膨脹變形仍未趨于穩定。由此說明，復摻適量的膨脹劑和MgO均可以不同程度地減少混凝土自生體積收縮，這對提高混凝土的抗裂性具有重要的意義。

3.5 混凝土早期抗裂性能

本次試驗主要是通過混凝土平板法早期抗裂試驗，比較基準混凝土、摻CSA-III膨脹劑混凝土以及摻MgO混凝土在一定條件下對混凝土早期收縮裂縫的抑制效果，根據裂縫的長度、寬度、數量對不同配合比混凝土的抗裂性作出定性評價。本次主要研究抗凍性能達到F400，且水膠比為0.38的混凝土早期抗裂性能。試驗結果見圖7～9。

由圖7～9可以看出，采用本文中混凝土配合比，摻入MgO或摻入膨脹劑的混凝土大板均無裂縫，主要是由于氧化鎂或膨脹劑的摻入混凝土內部生成大量鈣礬石晶體，形成了致密網狀結構，具有收縮補償作用，說明氧化鎂對面板混凝土抑制早期裂縫效果良好。

4 結 論

本文通過對基準混凝土、復摻氧化鎂混凝土和復摻CSA-Ⅲ膨脹劑混凝土的抗壓強度試驗、極限拉伸試驗、抗凍性試驗、自生體積變形和早期抗裂性等進行試驗研究，形成結論如下：

(1) 相比于普通混凝土，5%摻量的氧化鎂會降低混凝土的早期抗壓強度，但控制水膠比小于0.41時配制的90d混凝土抗壓強度能夠滿足43.2 MPa的配制強度要求。

(2) 相比于普通混凝土，摻入MgO的混凝土和摻膨脹劑混凝土的極限拉伸值分別提高約41.8%和36.3%。摻入MgO的混凝土抗拉強度及極限拉伸值與摻入膨脹劑的混凝土抗拉強度及極限拉伸值水平相當。

(3) 通過混凝土大板干縮試驗，摻入MgO或摻入膨脹劑的混凝土大板均無裂縫，表明氧化鎂對面板混凝土抑制早期裂縫效果較好。