外摻輕燒氧化鎂混凝土性能試驗研究

徐瓊
提要：外摻氧化鎂混凝土是在混凝土中摻入適量的輕燒氧化鎂，使混凝土產(chǎn)生延遲性體積微膨脹以補償混凝土在溫降過程中產(chǎn)生的收縮變形，以防止混凝土由于溫降產(chǎn)生的裂縫，以取代或部份取代混凝土溫控措施。近幾年來，這項技術(shù)得到很快的發(fā)展，貴州省2000年以來先后用外摻氧化鎂混凝土修建了幾座拱壩。本文將這幾個工程的試驗資料進行整理，從外摻氧化鎂混凝土的力學(xué)強度、彈性模量、抗?jié)B、耐久性、熱學(xué)性能、自生體積變形性能等，進行全面系統(tǒng)的分析，以便能全面地系統(tǒng)地深入地了解外摻氧化鎂的各種性能，使外摻氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)得到更好更快的推廣和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：外摻氧化鎂混凝土，性能，自生體積膨脹，試驗研究。
1、概述
外摻氧化鎂混凝土是在水泥混凝土中摻入適量的輕燒氧化鎂，在水化過程中產(chǎn)生延遲性體積膨脹，對具有約束的水工大體積混凝土可起到補償混凝土在溫降過程中產(chǎn)生的收縮變形的作用，以防止或減少混凝土由于溫降產(chǎn)生的裂縫，以取代或部分取代傳統(tǒng)的溫控措施，混凝土大壩施工中實踐了不分縫或少分縫連續(xù)澆筑技術(shù)，減化了大壩混凝土的施工工藝，可大大加快了工程進度。
2001年以來，貴州省先后建成了沙老河、三江、落腳河、馬槽河、老江底5座外摻氧化鎂混凝土拱壩及魚簡河、黃花寨兩座外摻氧化鎂碾壓混凝土拱壩（參閱表1），為了使外摻氧化鎂筑壩這項新技術(shù)更好更快的得到推廣和發(fā)展，有必要對外摻氧化鎂混凝土的性能進行深入的了解和研究。本文對我省建成的幾座外摻氧化鎂混凝土拱壩的試驗資料進行整理分析，以便能對外摻氧化鎂的性能有一個系統(tǒng)的全面的了解。
貴州省已建成應(yīng)用MgO微膨脹混凝土拱壩統(tǒng)計 表1
 

 

2、外摻氧化鎂混凝土配合比
幾個工程均為四級配混凝土，砂石骨料均用石灰?guī)r軋制，碎石最大粒徑120-150mm，常態(tài)混凝土坍落度控制在20-50mm，摻用二級粉煤灰，粉煤灰摻量30-40%，外摻氧化鎂4.5-6.0%不等，氧化鎂全部采用遼寧省海城東方滑鎂公司生產(chǎn)的輕燒氧化鎂，氧化鎂純度大于4%，符合符合輕燒氧化鎂（YB/T5206-2004）質(zhì)量要求，水膠比控制在0.50-0.55，膠凝材料總量控制在170-210kg/m3。碾壓混凝土VC值控制在7-8.5s，壩體采用三級配，碎石最大粒徑80mm，防浪墻采用二級配，碎石最大粒徑40mm。
為了確定氧化鎂合理摻量，應(yīng)進行壓蒸試驗，壓蒸試驗參照“水泥壓蒸試驗安定性試驗方法”（GB/T750-92）進行。為安全起見，確定的氧化鎂摻量小于壓蒸試驗得出的最大值。

壓蒸試驗結(jié)果 表2
 

 

對于MgO摻量，過去5%被認為是“禁區(qū)”，國標規(guī)定水泥的MgO含量是以水泥熟料中的MgO含量為準，而水工大體積混凝土外摻MgO則是以膠凝材料（水泥+粉煤灰）為控制標準。水泥熟料中內(nèi)含MgO與作為膨脹劑的輕燒MgO有本質(zhì)的不同，因此應(yīng)以壓蒸試驗來確定MgO的合理摻量。根據(jù)壓蒸試驗的研究，水泥凈漿、砂漿、一級配混凝土在MgO相同摻量相同時，表現(xiàn)出膨脹量呈遞減趨勢，筆者認為：用一級配混凝土作壓蒸試驗更接近實際情況。
各工程選擇的配合比列于表3。按表3配合比進行復(fù)核試驗，外摻氧化鎂混凝土的各項性能均能滿足設(shè)計要求。

外摻氧化鎂混凝土配合比 表3

 

注:1、除落腳河電站骨料最大粒徑為120mm外，其余工程骨料最大粒徑為150mm
2、馬1、馬2為銅仁黔東水泥，外加劑為北京科寧外加劑ADD-3；
馬3、馬4為懷化金大地水泥，外加劑為貴州鐵盛外加劑TS-A1，以下同。
3、外摻氧化鎂混凝土的強度
外摻氧化鎂后，在水化過程中使水泥石產(chǎn)生膨脹變形，如氧化鎂摻量過大，水泥石膨脹后水泥石與骨料的界面受到破壞，則會影響混凝土的強度和耐久性。由于未進行與基準混凝土對比試驗，現(xiàn)參照國內(nèi)資料（文獻），當(dāng)氧化鎂摻率在4%左右時，各種品種水泥混凝土強度不僅沒有降低，反而較同齡期混凝土強度略有增加。我省幾個工程，氧化鎂摻率由4%-6%的強度試驗資料列于表4。

摻氧化鎂混凝土強度試驗結(jié)果 表4
 

 

外摻氧化鎂混凝土劈裂抗拉強度約為抗壓強度的7~10%，7天強度約為28天強度的60~70%，90天強度約為28天強度的130~140%（摻30~40%粉煤灰），抗折強度約為劈裂抗拉強度的1.6~1.7倍，與普通混凝土的規(guī)律相符�；炷�土外摻5%左右的氧化鎂不會對強度造成影響，完全能滿足工程對強度的要求。
4、彈性模量
彈性模量通常隨混凝土抗壓強度和密度的增加而加大，由于外摻氧化鎂混凝土的抗壓強度略高于普通混凝土，所以外摻氧化鎂混凝土的彈性模量也略高于普通混凝土。

外摻氧化鎂混凝土彈性模量試驗結(jié)果 表5
 

 

5、極限拉伸
為了防止混凝土發(fā)生裂縫，某些壩工等大體積混凝土在設(shè)計中提出抗裂要求，以極限拉伸值作為大體積混凝土抗裂能力的指標。
我們是按“水工混凝土試驗規(guī)程”（DL/T5150-2001）中的方法進行試驗，在氧化鎂摻率為4-6%時。齡期90d的極限拉伸為75-90×10-6，與普通混凝土接近，說明氧化鎂摻率在5%左右對極限拉伸值影響不大。

外摻氧化鎂混凝土極限拉伸試驗結(jié)果 表6
 

 

6、抗?jié)B性、抗凍性
我省修建的幾座外摻氧化鎂混凝土拱壩設(shè)計抗?jié)B等級均為W8，抗凍等級均為F100。經(jīng)試驗，所選擇的配合比全部達到或超過設(shè)計要求（試驗抗?jié)B達到W8，抗凍達到F100就沒有再繼續(xù)試驗），由于摻用了30-40%粉煤灰，采用的水膠比小于0.55，摻用的高效減水劑有一定的引氣作用，這些都有助于抗?jié)B、抗凍性的提高，因此外摻5%左右的氧化鎂不影響混凝土的抗?jié)B性和抗凍性，也就是說外摻氧化鎂混凝土的抗?jié)B性、抗凍性完全能夠滿足工程設(shè)計要求。
據(jù)清華大學(xué)的試驗研究（參考文獻4），外摻氧化鎂對碾壓混凝土的抗凍性有所降低，如合理摻用引氣劑，仍能滿足F300。
外摻氧化鎂混凝土對碾壓混凝土抗?jié)B性有所降低，外摻氧化鎂細度對抗?jié)B性影響較大，摻量越大，滲透性能降低也越大（見表7）。
 

外摻氧化鎂碾壓混凝土抗?jié)B試驗 表7
(清華大學(xué)資料)
 

 

在自由膨脹條件下，隨著氧化鎂摻量增加，外摻氧化鎂混凝土的孔隙率隨之增加，造成抗?jié)B性略有下降，由于我們試驗研究不夠深入，外摻氧化鎂對常態(tài)混凝土抗?jié)B、抗凍性的影響究竟有多大還無法定論，但可以通過提高粉煤灰摻量減小水膠比，摻優(yōu)質(zhì)外加劑（最好是減水劑與引氣劑聯(lián)摻），外摻氧化鎂混凝土的抗?jié)B、抗凍等級是完全可以滿足設(shè)計要求的。
7、熱學(xué)性能
7.1外摻氧化鎂混凝土熱學(xué)性能試驗結(jié)果列于表8，為進行比較同時列出外摻氧化鎂碾壓混凝土和普通混凝土的試驗結(jié)果。
外摻氧化鎂混凝土熱學(xué)性能試驗結(jié)果 表8
 

 

外摻氧化鎂的熱學(xué)性能與普通混凝土基本相同，無明顯差別。由于我省幾個工程外摻氧化鎂混凝土均采用低坍落度（2-5cm），膠凝材料用量較低，與外摻氧化鎂碾壓混凝土熱學(xué)性能也基本相同，外摻氧化鎂對混凝土熱學(xué)性能沒有影響。

7.2絕熱溫升
根據(jù)室內(nèi)水化熱試驗，在粉煤灰、外加劑摻量相同時，水泥水化熱隨氧化鎂摻量的增加而略有增加，在氧化鎂與外加劑摻量相同時，水泥水化熱隨粉煤灰摻量的增加而有較顯著的降低。
根據(jù)試驗結(jié)果（參見表10），外摻氧化鎂混凝土的絕熱溫升與普通混凝土相比，還是比較低的。雖外摻氧化鎂后，水泥水化熱有所增加，但在我省幾個工程實際應(yīng)用中，均摻入30-40%的粉煤灰，同時摻用高效減水劑和采用四級配大粒徑骨料，所以外摻氧化鎂混凝土的單位水泥用量還是比較低的，在選用水泥時都盡量選用低熱水泥，水泥礦物成分中發(fā)熱量最大的C3A及C3S含量之和最好低于58%，這些都是外摻氧化鎂混凝土絕熱溫升較低的原因。由于外摻氧化鎂混凝土絕熱溫升較低，有利于混凝土防裂。
外摻氧化鎂、水泥水化熱試驗 表9

 

外摻氧化鎂混凝土絕熱溫升試驗結(jié)果 表10
注：落腳河、馬槽河絕熱溫升系根據(jù)水泥水化熱進行計算而得。
8、膨脹變形性能
8.1自生體積膨脹

 

外摻氧化鎂自生體積變形 表11
 

 

老江底電站90d外摻氧化鎂混凝土自身體積變形試驗結(jié)果 表12
 

 

備注：Ⅲ0.51F40M5表示三級配，水膠比0.51，F(xiàn)（粉煤灰）摻量40%，M（MgO）摻量5%

黃花寨電站碾壓混凝土自生體積變形試驗結(jié)果（×10-6） （20℃） 表13
 

 

備注：Ⅱ0.52F40M5表示二級配，水膠比0.52，F(xiàn)（粉煤灰）摻量40%，M（MgO）摻量5%
外摻氧化鎂混凝土在水化過程中，氧化鎂吸水生成Mg(OH)2，即MgO+ H2O→Mg(OH)2，產(chǎn)生延遲性體積膨脹，這是外摻氧化鎂混凝土的重要性能，從表17可看出，影響混凝土自生體積膨脹的首要因素是溫度，混凝土配合比相同，溫度越高，混凝土自生體積變形則越大。氧化鎂的摻量對混凝土自生體積變形也有直接的影響，氧化鎂的摻量越高，混凝土自生體積變形也越大。膨脹一般發(fā)生在7d以后，一年以后還繼續(xù)緩慢膨脹，溫度對早期膨脹率也有影響，如以180d的膨脹率為基準，根據(jù)我們試驗結(jié)果的統(tǒng)計，溫度與齡期對膨脹率的影響大致如下：
溫度與齡期與外摻氧化鎂膨脹率的關(guān)系 表14
 

 

從表14可見：溫度對混凝土早期膨脹率影響較大，對28d以后膨脹率影響不甚顯著，因此外摻氧化鎂混凝土早期保溫顯得比較重要。
對魚簡河大壩外摻氧化鎂混凝土進行了觀測，結(jié)果列于表15。
 

由表15可見，早齡期混凝土溫度高，膨脹增量大，一年后溫度已接近穩(wěn)定溫度場，膨脹發(fā)展變緩，第3年仍有3×10-6的膨脹增量，預(yù)計中下部壩體混凝土還會有2-10×10-6的膨脹增量，壩體接縫觀測成果表明：壩體誘導(dǎo)縫、橫縫、層面縫及壩體接觸縫等均未張開，壩面未發(fā)現(xiàn)裂縫及滲水現(xiàn)象，表明混凝土后期的微膨脹起到了增強壩體的抗裂性能。
8.2徐變
沙老河水庫外摻氧化鎂混凝土(編號沙1，氧化鎂摻率5.5%)，徐變試驗結(jié)果列于表16。
沙老河水庫外摻氧化鎂混凝土徐變度 表16
 

 

 

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