外掺氧化镁混凝土性能研究

冉 璟,李 琛，李光伟

(中国水电顾问集团成都勘测设计院，四川 成都 610072)

1 前 言

大坝混凝土防裂是筑坝技术中待进一步研究的重要课题之一。混凝土裂缝尤其是贯穿性裂缝的产生将破坏水工大坝的整体性，甚至危及大坝自身或整个枢纽工程的安全。然而在工程实例中，许多混凝土坝都存在或多或少的裂缝，以至有“无坝不裂”[1]的说法。传统的混凝土防裂措施主要采取温度控制措施，如加冰拌和、水管冷却、预冷骨料等。但是温度控制措施受技术经济的制约，所起作用有限。因此，抗裂性能优良的混凝土结合合理的温度控制措施，是解决混凝土产生裂缝的最有效的途径。混凝土自身抗裂性能与很多因素相关，如强度、极限拉伸值、绝热温升等都在一定程度上影响混凝土自身抗裂性。混凝土自生体积变形对抗裂性有着不容忽视的影响[2]。在大坝设计时，期望混凝土自生体积变形呈微膨胀状态，以抵消部分混凝土温降收缩变形，补偿大坝温度应力。在工程实例中混凝土自生体积变形往往呈收缩趋势，对混凝土抗裂性能十分不利。改善混凝土自生体积变形性能逐渐成为亟待解决而又存在一定难度的重要问题。本文以压蒸试验作为安全性评价方法，着重探讨了外掺氧化镁对混凝土自生体积变形的改善作用；同时，研究了外掺氧化镁混凝土其他基本性能，探究外掺氧化镁在筑坝技术中的可行性。

2 试验原材料及试验条件

试验采用PM·H42.5水泥，Ⅰ级粉煤灰，玄武岩骨料。氧化镁满足《水利水电工程轻烧氧化镁材料品质技术要求》要求。水泥、粉煤灰及氧化镁主要性能指标见表1、2、3。

在水胶比、粉煤灰掺量等基本配合比参数相同的条件下，研究不同掺量氧化镁对混凝土性能的影响。

3 外掺氧化镁混凝土体积安定性

一般来说，在混凝土中加入氧化镁，混凝土具有一定的膨胀特性，有利于混凝土坝的温度应力补偿设计和施工。但氧化镁过量膨胀会带来长龄期安定性问题，给大坝埋下安全隐患。因此利用压蒸试验代表长龄期氧化镁的水化程度来判断氧化镁极限掺量十分重要。压蒸安定性试验参照GB/T750-1992进行，从加热开始经45～75min内使锅内水蒸气压升至表压2.0±0.05MPa(相当于215.7±1.3℃)，在该压力下保持3h，然后在90min内冷却至压力低于0.1MPa，取出试件置于90℃以上的热水中，在热水中均匀注入冷水在15min内使水温降至室温，再经15min取出试件进行测试。采用混凝土中的砂浆部分进行压蒸安定性试验，图1显示了不同氧化镁掺量混凝土砂浆压蒸安定性试验结果。

表1 水泥性能指标

表2 粉煤灰性能指标

3 氧化镁性能指标

在压蒸试验中，强烈的高温高压蒸汽处理，足以加速氧化镁绝大部分完全水化，通过量测氧化镁潜在膨胀长度来说明体积安定性。试验结果显示，压蒸膨胀率随氧化镁掺量的增加而加大，尤其是掺量较大时。本次试验，水泥内含氧化镁为1.75%情况下，当外掺氧化镁掺量小于5%时，试件安定性良好；当外掺氧化镁掺量大于5%时，试件出现明显弯曲变形现象。这说明当氧化镁掺量在一定范围内是安全的，但当掺量过大时，可能出现体积安定性不良问题，对大坝长期安全性埋下隐患。

4 外掺氧化镁混凝土自生体积变形

氧化镁的膨胀机理在于Mg(OH)2晶体的生成和生长，其在局部范围内形成浆体产生膨胀。膨胀的直接驱动力来自于Mg(OH)2晶体的肿胀力和结晶压力，在水化早期，Mg(OH)2晶体很细小，浆体的膨胀主要因于肿胀力，随着Mg(OH)2晶体的长大，晶体的结晶生长压力转变为膨胀的主要动力[3]。氧化镁应用于混凝土中，可利用其膨胀性改善混凝土自生体积变形性能。图2显示了氧化镁掺量对混凝土自生体积变形的影响。

研究显示，未掺氧化镁混凝土自生体积变形呈收缩状态，而掺加氧化镁后，混凝土自生体积变形呈膨胀状态，说明氧化镁对混凝土自生体积变形有明显改善作用。氧化镁掺量对混凝土自生体积变形膨胀值影响明显，总体上呈现氧化镁掺量越高，混凝土自生体积变形膨胀量越大的规律。这可能与氧化镁水化产物量有关，即氧化镁掺量越多，可供水化的方镁石越多，水化产物的膨胀量越大，对混凝土自生体积变形收缩值的补偿越多。氧化镁对混凝土膨胀时间也有一定影响，氧化镁掺量为3%、4%、5%、6%、7%的混凝土开始膨胀时间分别是133d、90d、77d、63d及42d，说明氧化镁掺量越高膨胀开始时间越早，而氧化镁掺量越低膨胀开始时间越晚。另外，膨胀收敛时间随氧化镁掺量的增加而延长。总的来说，不同掺量氧化镁混凝土膨胀量快速增长期主要发生在50d～200d，这种独特的延迟性膨胀性能，恰好符合大体积混凝土散热慢、降温收缩变形迟缓的特点，从而可抵消部分温度变形，提高抗裂性能。

图1 不同氧化镁掺量混凝土砂浆压蒸安定性试验结果

图2 氧化镁掺量对混凝土自生体积变形的影响

5 外掺氧化镁混凝土的其它基本性能

5.1 拌和物性能

在坍落度与含气量控制基本一致的情况下，拌合物用水量与引气剂掺量随着氧化镁掺量的增加而增加。不同氧化镁掺量混凝土在适宜的用水量与引气剂用量条件下拌和性能良好。图3显示了用水量、引气剂掺量与氧化镁掺量的关系。

5.2 抗压强度与劈拉强度

氧化镁掺量对混凝土强度性能有一定影响，当氧化镁掺量较低时，这种影响不明显，但随着氧化镁掺量增加，混凝土抗压强度与劈拉强度均呈下降趋势。这可能是因为氧化镁掺量较高时，氧化镁水化带来的膨胀量过大，挤压破坏了水泥石的微观结构而产生微裂缝，以致混凝土强度降低。另外，各掺量氧化镁混凝土的折压比十分接近，说明其脆性相当。氧化镁掺量与混凝土强度关系见图4。

5.3 弹性模量与极限拉伸

氧化镁掺量较低时，混凝土弹性模量变化不大，随着氧化镁掺量增加，混凝土弹性模量略有下降。极限拉伸值随着氧化镁掺量增加呈下降趋势。氧化镁掺量与混凝土弹性模量及极限拉伸关系见图5。

5.4 耐久性能

与不掺氧化镁混凝土一致，氧化镁混凝土抗冻等级为大于F200，抗渗等级为大于W16，抗冻等级与抗渗等级均无变化，说明氧化镁对混凝土耐久性基本无影响。

图3 坍落度与含气量控制基本一致下用水量、引气剂掺量与氧化镁掺量的关系

图4 氧化镁掺量与混凝土强度关系

图5 氧化镁掺量与混凝土弹性模量及极限拉伸关系

6 结 论

氧化镁作为膨胀源外掺至混凝土中，利用氧化镁水化所释放的化学能转变为机械能，产生压应力抵消混凝土冷却时形成的拉应力，限制混凝土膨胀以补偿温降过程中混凝土的限制收缩，具有广阔的工程应用前景[4]。通过对外掺氧化镁混凝土性能研究，得出主要结论如下：

(1)压蒸膨胀率随氧化镁掺量的增加而明显加大，氧化镁掺量在一定范围内是安全的，但氧化镁掺量过大时，出现体积安定性不良问题，对大坝长期安全造成威胁。

(2)氧化镁对混凝土自生体积变形有明显改善作用，氧化镁掺量越高，有效膨胀源越多，混凝土自生体积变形膨胀量越大，且膨胀开始时间越早，膨胀收敛时间越晚。氧化镁混凝土具有延迟性膨胀性能，符合大体积混凝土散热慢、降温收缩变形迟缓的特点，从而抵消部分温度变形，有利于提高混凝土抗裂性能。

(3)氧化镁对混凝土拌和物性能、强度性能、弹性模量与极限拉伸、耐久性能等影响不大或基本无明显影响。

综上所述，氧化镁对混凝土自生体积变形有明显改善作用，但是同时也带来了体积安定性问题。因此在实际工程中应用氧化镁作为混凝土膨胀源必须严格进行安全性评价，选择适宜掺量，即利用氧化镁带来的一定的微膨胀特性，又避免过量氧化镁引起的长龄期安定性问题。

参考文献：

[1] 朱伯芳,许平.加强混凝土坝面保护尽快结束“无坝不裂”的历史[J].水力发电,2004(3)：25-28.

[2] 刘数华,方坤河.混凝土的自生体积变形的影响因素分析[J].湖北水力发电,2007(2):23-24.

[3] 邓敏，等.水泥中MgO的膨胀机理[J].南京化工学院学报,1990,12(4):1-5.

[4] 袁明道,杨光华,李承木.MgO微膨胀混凝土的发展及自生体积变形的分析应用[J].水力发电,2004(A02):63-68.