氧化镁补偿收缩混凝土变形特性研究

朱长华

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

混凝土在凝结硬化过程中收缩大于其极限拉伸率时可能出现开裂现象。利用膨胀剂在水化过程中产生体积膨胀来补偿混凝土收缩是防止其收缩开裂的有效措施[1-2]。膨胀剂主要分为硫铝酸盐、游离氧化钙、游离氧化镁等3类。其中，硫铝酸盐和游离氧化钙系膨胀剂的膨胀效能大部分发生在早期(3～7 d)，28 d后几乎不再膨胀，甚至出现膨胀量下降[3- 4]，且不具有补偿温度收缩的作用。氧化镁系膨胀剂具有温度激发特性[5]，可补偿混凝土的温度和干燥收缩，同时还可减小混凝土收缩，在水工混凝土中得到了较多应用[6-7]。目前，已有学者对氧化镁水化产生膨胀的机理[8]以及不同温度下水化活性[9-10]进行了研究，但关于实体结构温度匹配下氧化镁混凝土变形特性的研究较少，室内缺少评价其在实际工况下补偿混凝土收缩性能的便捷方法。本文拟在不同的煅烧温度下制备具有不同活性的氧化镁膨胀剂，研究氧化镁补偿收缩混凝土在不同养护制度下的变形规律，为氧化镁膨胀剂在混凝土工程中的应用提供依据。

1 试验

1.1 原材料

试验用水泥为北京金隅P·O 42.5水泥，比表面积为342 m2/kg，碱含量为0.56%。粉煤灰为赤峰市元宝山Ⅰ级粉煤灰，细度为8.6%，需水量比为92%，烧失量为0.46%，CaO含量为2.71%。菱镁矿产自辽宁海城，属于一级菱镁矿，其化学成分如表1所示。菱镁矿分别在4种温度(800，900，1 000和 1 100 ℃)下煅烧，冷却后，粉磨至350目细度的粉体，得到不同活性的氧化镁膨胀剂，分别记为MA，MB，MC和MD。细骨料为河北遵化的Ⅱ区中河砂，细度模数为2.8，表观密度为 2 610 kg/m3，含泥量为1.3%。粗骨料为天津蓟县5～20 mm两级配碎石，表观密度为 2 650 kg/m3，含泥量为0.3%，压碎值为5.8%。减水剂为河北金舵聚羧酸高性能减水剂。

表1 菱镁矿化学成分 %

1.2 配合比

选取对体积稳定性要求较高的隧道衬砌C40混凝土作为研究对象，经过大量试配试验，确定了如表2所示的混凝土配合比。

表2 试验用配合比 kg/m3

1.3 试验方法

采用STA449F3型同步热分析仪对菱镁矿进行热分析，测试温度范围为25～1 000 ℃，加热速度为 10 ℃/min，测试气氛为空气。采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪表征样品的物相组成，采用步进扫描模式，扫描速度为6°/min，步长为0.02°，每步扫描时间为0.2 s。MgO的活性反应时间按照《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》(DL /T 5296—2013)进行。

混凝土试件的限制膨胀率按照《混凝土膨胀剂》(GB 23439—2009)进行，养护条件分别为20 ℃水养护、60 ℃水养护和温度匹配养护。温度匹配养护下收缩试验用试件强度达到3～5 MPa时拆模，立即用环氧树脂快速密封，在室温下测试试件的初始长度，然后放入蒸养箱进行温度匹配养护，并测试不同温度下混凝土试件的长度，当温度回到起始温度时，测试试件的最终长度。混凝土干燥收缩试验遵照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)。

2 试验结果与分析

2.1 氧化镁膨胀剂的反应活性

图1为菱镁矿的XRD(X-ray Diffraction)图谱和热分析试验结果。由图1(a)可知，菱镁矿的物相主要为MgCO3，结合菱镁矿的化学成分(参见表1)，经计算可知该菱镁矿中MgCO3含量为95.7%。由图1(b)可知，MgCO3在550～655 ℃之间发生分解，吸热峰为630 ℃，在煅烧温度800～1 100 ℃ 时菱镁矿可以完全分解。

图1 菱镁矿的XRD图谱与TG-DSC曲线

本文通过改变煅烧温度，制备得到4种不同活性的氧化镁，并测试其活性反应时间，时间越短表明氧化镁的活性越高，反之则氧化镁的活性越低，试验结果见图2。可知，氧化镁的活性反应时间随着煅烧温度的增加而提高，表明其水化活性随之降低。当煅烧温度超过 1 000 ℃ 时，氧化镁的水化活性显著降低。这可能是由于煅烧温度升高引起氧化镁晶格畸变减少，晶粒之间孔隙收缩，结构变得紧密，其活性随之下降[11]。

图2 不同煅烧温度下制得氧化镁的活性反应时间

2.2 常温水养条件下氧化镁混凝土的变形性能

试验中选择20 ℃养护温度以模拟一般环境下混凝土施工温度，研究水养条件下不同煅烧温度氧化镁对试件限制膨胀率的影响，试验结果见图3。由图可知，在20 ℃水养条件下，基准混凝土的变形率约为0，表现为不收缩也不膨胀，而掺氧化镁混凝土随龄期发展均表现为持续膨胀，且氧化镁煅烧温度越低混凝土限制膨胀率越大。掺MA,MB型氧化镁混凝土在水中14 d限制膨胀率>150×10-6，满足补偿收缩混凝土的限制膨胀率要求。

图3 20 ℃水养条件下掺氧化镁混凝土的限制膨胀率

2.3 常温干燥条件下掺氧化镁混凝土的变形性能

图4 20 ℃干燥条件下掺氧化镁混凝土的干燥收缩

试验中选择20 ℃养护温度以模拟一般环境下混凝土施工温度，研究干燥条件下不同煅烧温度下氧化镁对试件干燥收缩率的影响，试验结果见图4。由图可知，在20 ℃干养条件下，基准混凝土56 d干缩率为404×10-6。与之相比，相同龄期时掺氧化镁混凝土干燥收缩率均不同程度降低，氧化镁煅烧温度越高，掺氧化镁混凝土补偿收缩效果越差，当煅烧温度为800 ℃时掺氧化镁混凝土干缩降低30%，当煅烧温度为 1 100 ℃ 时掺氧化镁混凝土干缩仅降低1.5%。可见，1000～1 100 ℃ 时煅烧制得的氧化镁活性较低，不适用于常温下混凝土的收缩补偿，800～900 ℃ 煅烧制得的氧化镁活性较高，较适用于常温下混凝土的收缩补偿。

2.4 高温水养条件下掺氧化镁混凝土的变形性能

试验中选择60 ℃养护温度以模拟大体积混凝土的芯部温度，研究水养条件不同煅烧温度下制得的氧化镁对混凝土试件限制膨胀率的影响，试验结果见图5。由图可知，该温度下混凝土变形可分2阶段：在第1阶段(1～3 d)，与图3结果基本吻合；在第2阶段(3 d以后)，与图3结果正好相反，即表现为氧化镁煅烧温度越高，混凝土限制膨胀率越大，尤其是7 d龄期以后，掺MD氧化镁混凝土限制膨胀率显著高于其他混凝土，且增长率仍处于较高水平。MD氧化镁活性较低，但在高温条件下其水化速度加快，具有延迟膨胀特性，适用于大体积混凝土由于水化温升导致的温度收缩补偿。

图5 60 ℃水养条件下掺氧化镁混凝土的限制膨胀率

2.5 匹配养护条件下氧化镁混凝土的变形性能

试验中以匹配养护温度(温峰为45 ℃和65 ℃)、绝湿条件来模拟实体混凝土所处的环境，研究该条件下不同煅烧温度氧化镁对混凝土自由膨胀率的影响，试验结果见图6。

图6 温度匹配下掺氧化镁混凝土自由膨胀率

由图6(a)可知，试验中养护温度在2 d龄期时上升至温峰45 ℃，然后缓慢下降，13 d龄期时降至室温25 ℃，在该养护温度变化历程下，所有试件随养护温度的升高均出现膨胀现象，随养护温度降低出现膨胀回落现象。当养护温度回到起始温度时，基准混凝土收缩值约230×10-6，掺MA氧化镁混凝土收缩值约115×10-6，掺MD氧化镁混凝土收缩值约69×10-6，掺MB,MC氧化镁混凝土基本无收缩。以混凝土热膨胀系数为10×10-6℃-1计算[12]，MB,MC氧化镁可等效补偿混凝土温降23 ℃引起的收缩。

由图6(b)可知，试验中养护温度在2 d龄期时上升至温峰65 ℃，然后缓慢下降，13 d龄期时降至室温25 ℃，当养护温度回到起始温度时基准混凝土收缩值约260×10-6，掺MA,MB和MC氧化镁混凝土收缩值分别为165×10-6，99×10-6,25×10-6,掺MD氧化镁混凝土仍为膨胀状态，膨胀值为64×10-6。在该养护温度下，随氧化镁煅烧温度升高，其对混凝土补偿收缩效果提高，1 100 ℃ 煅烧制得的MD氧化镁适用于高温峰条件下混凝土温度收缩补偿。

3 结论

1)氧化镁的活性反应时间随着煅烧温度的增加而提高，表明其水化活性随之降低。

2)800～900 ℃煅烧制得的MA、MB氧化镁活性较高，适用于常温环境下混凝土干燥收缩补偿。

3)1000 ℃ 煅烧制得的MC氧化镁活性较低，对混凝土中等水化热引起的温度收缩具有良好的补偿效果。

4)1 100 ℃ 煅烧制得的MD氧化镁活性低，具有延迟膨胀特性，对大体积混凝土高水化热引起的温度收缩具有良好的补偿效果。

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