外掺氧化镁膨胀剂在常态混凝土中的应用研究

牟永文

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 外掺氧化镁膨胀剂的目的与研究方向

犍为航电枢纽工程发电厂房布置于左河槽，为河床式厂房。由于厂房混凝土浇筑体积大，为解决厂房混凝土在硬化过程中产生的收缩，从而尽可能避免或减少裂缝，以免厂房运行过程中出现渗漏风险。

为验证氧化镁在混凝土结构中的应用效果，特将浇筑块均分为外掺氧化镁和常规普通同强度等级混凝土，进行同一仓位按顺序浇筑，并通过在两块混凝土中对应布置相同监测仪器进行连续性监测和混凝土力学性能检验，对外掺氧化镁混凝土在温度、应变、强度等方面进行比较分析，验证外掺氧化镁在大体积混凝土中应用，是否具有良好的力学性能、引入膨胀源长期补偿收缩、对水化热的影响等，以其提高混凝土自身的抗裂能力和体积稳定性效果，达到大体积混凝土防裂的目的。

2 外掺氧化镁混凝土结构应变、温度监测布置

2.1 监测点布置

监测点在混凝土结构厚度方向分为上中下3层布置，即厚度1.5m处、0.75m处、0m处，每层在长度方向和宽度方向均布置有温度传感器和应变计。掺氧化镁混凝土和常规普通混凝土中监测仪器对应布置，总计布置温度传感器17个(包括测试环境温度1个，因应变计同时可监测温度，所以重复布置的温度点去掉)，应变计12个。

图1 监测仪器布置

2.2 测试设备

温度传感器采用JDC-2混凝土测温仪温度计，主要用于测试混凝土各层温度变化情况，采用温度测试仪对混凝土内部温度进行实时采集。

应变计采用SZY-15差阻式混凝土应变计，其既能测试混凝土应变，又能测试混凝土内部温度。

3 试验段混凝土配合比

3.1 外掺氧化镁混凝土

试验采用佛光P·O42.5水泥、河砂与卵碎石粗骨料，掺30%粉煤灰，另外还外掺5%比例的MgO，C25F50W6强度等级混凝土，试验用配合比见表1。

表1 外掺氧化镁混凝土配合比

3.2 常规普通混凝土

试验采用佛光P·O42.5水泥、卵碎石粗骨料、河砂与人工砂掺配比例为7∶3，掺30%粉煤灰，C25F50W6强度等级混凝土，试验用配合比见表2。

表2 常规普通混凝土配合比

3.3 试验段划分与施工

犍为航电枢纽主体工程土建II标安装间及装卸场混凝土工程1#安装间底板混凝土作为外掺氧化镁膨胀剂混凝土试验仓位。

仓位验收合格后，对该仓位进行监测仪器布设，监测点布置方案见上述2.1。试验仓位混凝土采用两种混凝土进行浇筑，下游侧仓位浇筑外掺氧化镁膨胀剂混凝土325m3；上游侧仓位浇筑常态混凝土325m3。

4 结构混凝土性能比对分析

4.1 混凝土力学性能

C25F50W6强度等级混凝土力学性能试验结果见表3。由试验结果可见：外掺5%比例的MgO混凝土7d、28d、60d抗压强度及28d劈拉强度均高于常规普通C25F50W6强度等级混凝土强度。

表3 C25F50W6混凝土力学试验结果

4.2 混凝土应变监测

4.2.1 理想条件下应变

(1)参照DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》混凝土自身体积变形试验方法，在不考虑混凝土内外部影响因素条件下(选取混凝土线膨胀系数a=9×10-6/℃)，C25F50W6强度等级混凝土自身体积变形监测试验结果如下：

①未掺氧化镁的普通混凝土自身体积变形，总体呈收缩趋势，前20d受混凝土水化热影响，局部测点呈少量缓慢微膨胀阶段后，进入缓慢的收缩阶段，80d后变形趋于平稳。前20d自身体积变形大多维持在-60με～20με之间；20d到80d的自身体积变形大多维持在-70με～-5με之间；80d后自身体积变形大多维持在-100με～-5με之间。

②外掺5%比例的氧化镁混凝土自身体积变形，总体呈收缩趋势，前20d微膨胀趋势明显，随后呈缓慢收缩阶段，80d后收缩趋于平稳。前20d自身体积变形大多维持在-10με～70με之间；20d到80d的自身体积变形大多维持在-10με～50με之间；80d后的自身体积变形大多维持在-20με～40με之间。

③相比普通混凝土在顺水流、平行坝轴方向上，前20d补偿收缩效果显著，能提高30με～90με左右；20d到80d补偿和收缩都呈缓慢递减趋势，但能够保持这种抵抗收缩的优势至第80d；80d后补偿和收缩都趋于平稳。说明氧化镁在混凝土中确实起到了膨胀。

(2)参照DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》混凝土自身体积变形试验方法，在不考虑混凝土内外部影响因素条件下(选取混凝土线膨胀系数a=8×10-6/℃)，C25F50W6强度等级混凝土自身体积变形监测试验结果如下：

①未掺氧化镁的普通混凝土自身体积变形，总体呈收缩趋势，前20d受混凝土水化热影响，局部测点呈少量缓慢微膨胀阶段后，进入缓慢的收缩阶段，80d后变形趋于平稳。前20d自身体积变形大多维持在-60με～15με之间；20d到80d的自身体积变形大多维持在-100με～-30με之间；80d后自身体积变形大多维持在-120με～-35με之间。

②外掺5%比例的氧化镁混凝土自身体积变形，总体呈收缩趋势，前20d微膨胀趋势明显，随后呈缓慢收缩趋势，80d后收缩趋于平稳。前20d自身体积变形大多维持在20με～70με之间；20d到80d的自身体积变形大多维持在-10με～25με之间；80d后自身体积变形大多维持在-20με～20με之间。

③相比普通混凝土在顺水流、平行坝轴方向上，前20d补偿收缩效果显著，能提高20με～80με左右；20d到80d补偿和收缩都呈缓慢递减趋势，但能够保持这种抵抗收缩的优势至第80d；80d后补偿和收缩都趋于平稳。说明氧化镁在混凝土中确实起到了膨胀。

(3)参照DL/T 5150-2017《水工混凝土试验规程》混凝土自身体积变形试验方法，在不考虑混凝土内外部影响因素条件下(选取混凝土线膨胀系数a=6×10-6/℃)，C25F50W6强度等级混凝土自身体积变形监测试验结果如下：

①未掺氧化镁的普通混凝土自身体积变形，总体呈收缩趋势，前20d受混凝土水化热影响，局部测点呈少量缓慢微膨胀阶段后，进入明显持续的收缩阶段，80d后变形趋于平稳。前20d自身体积变形大多维持在-70με～5με之间；20d到80d的自身体积变形大多维持在-150με～-80με之间；80d后自身体积变形大多维持在-180με～-90με之间。

②外掺5%比例的氧化镁混凝土自身体积变形，总体呈收缩趋势，前20d微膨胀趋势明显，随后呈明显持续的收缩趋势，80d后收缩趋于平稳。前20d自身体积变形大多维持在-40με～40με之间；20d到80d的自身体积变形大多维持在-90με～-20με之间；80d后的自身体积变形大多维持在-110με～-30με之间。

③相比普通混凝土在顺水流、平行坝轴方向上，前20d补偿收缩效果显著，能提高30με～70με左右；20d到80d补偿和收缩都呈缓慢递减趋势，但能够保持这种抵抗收缩的优势至第80d；80d后补偿和收缩都趋于平稳。说明氧化镁在混凝土中确实起到了膨胀。

4.2.2 现场实际条件下应变

结合施工现场实际情况，在不排除任何内部外部影响因素条件下，C25F50W6强度等级混凝土应变监测试验结果为：

(1)未掺氧化镁的普通混凝土应变总体呈收缩趋势，前10d受混凝土水化热影响，局部测点呈少量缓慢微膨胀阶段后，进入持续明显的收缩阶段，90d后变形趋于平稳。前10d自身体积变形大多维持在-20με～20με之间；10d到90d的自身体积变形大多维持在-300με～-200με之间；90d后自身体积变形大多维持在-330με～-230με之间。

(2)外掺5%比例的氧化镁混凝土应变总体呈收缩趋势，前10d微膨胀趋势明显，随后呈持续明显的收缩趋势，90d后收缩趋于平稳。前10d混凝土应变大多维持在-20με～20με之间；10d到90d的自身体积变形大多维持在-280με～-130με之间；90d后应变大多维持在-300με～-150με之间。

(3)相比普通混凝土在顺水流方向上补偿收缩效果不够显著，前10d相比普通混凝补偿收缩下降-20με～-50με，随后都呈持续明显的收缩趋势，90d后收缩趋于平稳；在平行坝轴方向上，能提高20με～50με左右，随后都呈持续明显的收缩趋势，90d后收缩趋于平稳。

5 混凝土内部温度监测

C25强度等级混凝土内部温度90d监测试验结果见图2、图3。

图2 普通混凝土温度变化曲线

图3 氧化镁混凝土温度变化曲线

(1)普通混凝土入模温度26.5℃，内部最高温度42.7℃，在浇筑混凝土后60h取得，温升值为16.2℃，升温速率0.27℃/h，目前内部温度已趋于平稳；

(2)氧化镁混凝土入模温度25.4℃，内部最高温度43.6℃，在浇筑混凝土后48h取得，温升值为18.2℃，升温速率0.38℃/h，目前内部温度已趋于平稳；

(3)因为氧化镁是外掺的5%，氧化镁水化会释放一定的水化热，导致混凝土温升值升高约2℃，因混凝土温度受外界环境影响较大，所以氧化镁对混凝土水化热几乎没有影响。

6 研究结论

(1)氧化镁混凝土力学性能良好，相对普通混凝土略有提高；

(2)通过比对试验，排除内外部影响因素，单从材料本身来讲，氧化镁在水工混凝土前20d中表现出明显的膨胀和补偿收缩的能力，随后能够保持这种抵抗收缩的优势至第80d，80d后趋于稳定；在现场实际环境条件下，相比普通混凝土，前10d在平行坝轴方向上表现出明显的膨胀和补偿收缩的能力，随后能够保持这种抵抗收缩的优势至第90d，90d后趋于稳定；但在顺水流方向上，受外荷载作用，膨胀和补偿收缩的能力较普通混凝土略有降低，随后至90d趋于稳定；

(3)只考虑自身体积变形：当混凝土线膨胀系数取9×10-6/℃时，掺氧化镁混凝土与普通混凝土补偿收缩前20d可以提高30με～90με，随后能够保持这种抵抗收缩的优势至第80d，80d后趋于稳定；当混凝土线膨胀系数取8×10-6/℃时，掺氧化镁混凝土与普通混凝土补偿收缩前20d可以提高20με～80με，随后能够保持这种抵抗收缩的优势至第80d，80d后趋于稳定；当混凝土线膨胀系数取6×10-6/℃时，掺氧化镁混凝土与普通混凝土补偿收缩前20d补偿收缩可以提高30με～70με，随后能够保持这种抵抗收缩的优势至第80d，80d后趋于稳定；

(4)现场实际施工条件下，未考虑混凝土线膨胀系数等其他因素，掺氧化镁混凝土与普通混凝土补偿和收缩在平行坝轴方向，前10d可以提高20με～50με，随后能够保持这种抵抗收缩的优势至第90d，90d后趋于稳定；受外荷载作用，在顺水流方向上膨胀和补偿收缩的能力较普通混凝土降低-20με～-50με，随后至90d趋于稳定；

(5)外掺氧化镁对混凝土的水化热几乎没有产生影响。