氧化鎂膨脹劑在童莊河大橋中的應用研究

何貝貝，方 博，劉 拼，秦哲煥

(1.武昌首義學院城市建設學院，武漢 430064；2.武漢三源特種建材有限責任公司，武漢 430082)

鑒于氧化鎂膨脹劑在水工領域裂縫控制方面取得的良好效果[1]，隨著非水工領域的大體積混凝土結構越來越多，從事這一方面的工程技術人員期望氧化鎂膨脹劑在非水工領域亦能發揮其良好的裂縫控制能力。許多學者和工程人員對氧化鎂膨脹劑在非水工領域的應用做了大量的試驗和現場驗證。陳昌禮[2]通過比對氧化鎂膨脹劑在水工領域和非水工領域運用的差別，指出氧化鎂膨脹劑應用在非水工領域時不可完全套用水工領域的經驗和規范，需要獲得大量的長齡期室內試驗研究成果和生產性中試結果方能指導其在非水工領域的應用。李華[3]等通過采用“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合收縮開裂評估模型以及現場的監測數據發現，混凝土結構中摻入氧化鎂膨脹劑只能降低內部開裂風險，但不能降低混凝土表面開裂風險。氧化鎂膨脹劑除了通過膨脹補償收縮外，馮竟竟[4]等人通過室內試驗還發現氧化鎂膨脹劑對寬度在0.4 mm以內的早期裂縫具有較好的愈合效果。由于非水工領域涉及的范圍極廣，單就橋梁工程而言，喬明[5]等針對特大橋承臺也提出采取一些溫控措施如分層澆筑、布設冷卻水管、保溫保濕養護等預防結構表面溫度裂縫，但氧化鎂膨脹劑在橋梁工程這一方面的應用資料較少。

以童莊河大橋項目為工程背景，借助midas FEA建立大體積混凝土結構的有限元分析模型，得到空白模型和氧化鎂模型的溫度曲線和開裂風險結構百分比，再通過現場對比段的應用效果驗證，提出了大體積混凝土結構中摻入氧化鎂膨脹劑對于控制混凝土降溫階段的開裂是有利的，為氧化鎂膨脹劑在非水工領域的現場應用提供參考。

1 工程概況

童莊河大橋位于湖北省宜昌市秭歸縣，為雙塔雙索面三跨連續混凝土梁斜拉橋，以該橋3#塔下塔柱部分為研究對象，選取其中的某一節段進行分析，截面尺寸為6.6 m×3.3 m，塔柱截面為實心矩形截面，高度為4.5 m，屬于大體積混凝土結構，混凝土強度等級為C40。

2 有限元建模

1)參數確定

根據實驗室試配結果確定的空白混凝土(編號：KB)和氧化鎂混凝土(編號：MgO)的配合比如表1所示，其中氧化鎂混凝土中摻入的氧化鎂膨脹劑為武漢三源生產的R型混凝土用氧化鎂膨脹劑：反應時間<100 s，20 ℃水中7 d的限制膨脹率≥0.020%，40 ℃水中7 d的限制膨脹率≥0.040%。

表1 C35P10混凝土配合比 /(kg·m-3)

氧化鎂膨脹劑加入到混凝土中，雖然對熱力學參數的影響不大，但是其膨脹特性會較大地改變混凝土的徐變和收縮，通過溫度應力試驗機試驗得到的空白混凝土和氧化鎂混凝土的約束變形和自由變形后，結合公式：徐變=自由變形-約束變形，收縮=自由變形-溫度變形(=線膨脹系數×溫差)換算得到的徐變應變、收縮應變曲線如圖1所示。

塔柱節段采用20 mm厚木模板支護，具體施工階段設置為：①澆筑完成后前4 d，側面木模板支護，頂面灑水養護；②第5 d，拆除木模板，停止灑水養護，之后結構裸露于空氣中。

2)模型建立

根據上述參數以及劃分的施工階段，采用midas FEA中的實體單元建立1/4有限元模型，如圖2所示。

3)結果分析

通過有限元運行分析得出KB模型和MgO模型的溫度場結果，提取結構中心點和表面點(距頂表面50 mm處)的溫度結果繪制相應的溫度時程曲線如圖3所示。

由圖3分析可知：KB模型在82 h時達到溫峰值74.6 ℃，溫升值49.6 ℃，最大里表溫差30.6 ℃，最大降溫速率為2.8 ℃/d；MgO模型在82 h時達到溫峰值75.0 ℃，溫升值50.0 ℃，最大里表溫差30.8 ℃，最大降溫速率為2.8 ℃/d。兩種模型對比后發現，KB模型和MgO模型中心點和表面點的溫度變化規律一致，數值相近，可見氧化鎂膨脹劑的摻入對混凝土的水化放熱歷程并無影響。結合《大體積混凝土施工標準》的施工溫控指標，除溫升值外，里表溫差和降溫速率兩項指標皆是不滿足要求的。

大體積混凝土開裂的根本原因是由于拉應力超過了容許抗拉強度，以裂縫指數(容許抗拉強度與溫度應力的比值)來評估其開裂風險。由于我國對于非水工領域結構的裂縫指數(或稱抗裂安全系數)沒有較為系統的標準或規范界定，故此處借鑒韓國混凝土規范對開裂風險進行等級劃分，如表2所示。

根據仿真分析得到的裂縫指數的結果，兩種模型不同風險等級所占結構百分比分布如圖4所示。

從圖4來看，1)第2～4 d期間，MgO模型的無風險區域是低于KB模型的，其余時刻均高于KB模型；2)MgO模型前2 d的高風險開裂區域大小與KB模型基本一致，第3 d的開裂風險區域由原來的1.1%增大為1.5%，隨后高風險開裂區域均小于KB模型，減幅在2%～6%之間；3)MgO模型在第2 d時的中風險開裂區域超過KB模型1.4%，在第5 d、6 d的開裂區域雖然也高于KB模型，但是幅度較小，分別為0.3%、0.1%，其余時刻均低于KB模型，減幅在0.1%～2.4%之間；4)MgO模型在第2～4 d期間，其低風險區域是高于KB模型的，其余時刻跟KB模型基本一致，浮動范圍在0.3%以內。

風險等級劃分的結果顯示氧化鎂膨脹劑在前4 d并沒有發揮出較好的補償作用，反而增加了開裂風險，主要是因為早期混凝土處于水化溫升階段，內部溫度高于表面溫度，此時的溫度應力主要是由于內外溫差引起，但是氧化鎂膨脹劑對這種由內外溫差引起的溫度應力是沒有補償作用的，同時高溫環境會促使氧化鎂膨脹劑反應導致其在內部的膨脹量大于表面的膨脹量，增大表面拉應力，而此時混凝土的容許抗拉強度尚處于增長階段，不足以完全抵抗這種自約束應力，故摻入氧化鎂膨脹劑對混凝土結構早期的裂縫控制是不利的。

后期混凝土在降溫冷卻過程中，混凝土結構收縮受到原有混凝土結構的約束，產生的溫度應力主要來自于外界約束，氧化鎂膨脹劑正好可以用來補償因約束引起的溫度應力，故在后期MgO模型的無風險區域是大于KB模型的，且通過風險轉移的方式縮小了高風險開裂區域的占比，對混凝土結構后期的裂縫控制是有益的。

3 工程應用

在童莊河大橋3#塔柱上選取了兩個相同尺寸的節段分別用作空白段和氧化鎂段進行了對比試驗。

3.1 溫度監測數據

現場的溫度監測數據如圖5所示，由于節段拆模之后上表面會繼續澆筑新混凝土，會影響到表面點的溫度變化，故圖中僅列出了表面點在澆筑新混凝土之前的溫度數據。

由圖5可知，空白段與氧化鎂段中心點溫度及發展規律基本一致，空白段中心點在第4.5 d達到溫峰72.1 ℃，其入模溫度為24.1 ℃，溫升值為48.0 ℃；氧化鎂段在第3.4 d達到溫峰71.5 ℃，其入模溫度為21.2 ℃，溫升值為50.3 ℃；空白段與氧化鎂段表面點溫度曲線發展規律一致，但是溫度值差異較大，空白段表面點在第1 d達到溫峰43.5 ℃，氧化鎂段表面點在第1 d達到溫峰57.6 ℃。對比前期的仿真分析結果發現，空白段與氧化鎂段中心點的溫升值與仿真分析基本一致，表面點由于受外界環境的影響較大，導致實測溫峰與仿真分析結果相差了5～9 ℃。

3.2 裂縫觀察

空白段和氧化鎂段拆模后裂縫情況匯總統計如表3所示，裂縫分布如圖6和圖7所示。與空白段混凝土相比，氧化鎂段混凝土拆模后，裂縫數量較少，裂縫寬度從0.25～0.35 mm降低到0.2 mm以內，說明氧化鎂膨脹劑對裂縫控制具有一定的效果，能夠降低開裂幾率，減少裂縫產生。

表3 裂縫情況匯總統計表

4 結 語

a.氧化鎂膨脹劑加入到大體積混凝土結構中，對其溫度歷程基本無影響。

b.氧化鎂膨脹劑自身的微膨脹特性對大體積混凝土結構在降溫階段的裂縫控制有一定的效果。

但是，鑒于氧化鎂膨脹劑對早期裂縫控制的不利性，在應用過程中，需要慎重使用。建議利用好氧化鎂膨脹劑的延遲膨脹特性，根據工程實際情況來確定氧化鎂膨脹劑的活性、摻量等，以減小早期的不利影響，更好地發揮裂縫控制的功效；或者跟鈣類膨脹劑復合使用，以彌補早期抗裂能力的不足。