温度匹配条件下低活性氧化镁对混凝土性能的影响研究

程福星，胡敏，张珍杰，周月霞，向飞，王海龙

（1.武汉源锦建材科技有限公司，湖北 武汉 430083；2.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430083）

0 引言

现代高性能混凝土面临的主要问题之一就是开裂，结构裂缝的产生会导致渗漏发生、耐久性降低、安全性下降等一系列重大问题[1-3]。混凝土结构开裂的主要原因包括荷载作用和约束下的收缩变形，其中后者占比高达80%。大量工程实践表明，膨胀剂可起到补偿混凝土收缩的效果，降低结构的开裂风险。但常规的氧化钙膨胀剂、氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂均存在水化反应过快、膨胀能释放历程可调节性差、压力水作用下易溶解等诸多不足[4-6]。因此，其在工民建工程、水工工程、交通工程等大体积结构及有硫酸盐侵蚀性介质的混凝土工程中的使用均受到了一定程度的限制。与传统的钙矾石膨胀源膨胀剂相比，轻烧氧化镁具有水化需水量少、膨胀历程可调节、水化产物性质稳定等优点，广泛适用于大体积混凝土结构的补偿温度收缩、降低混凝土的自收缩和干燥收缩[7-9]。

当前氧化镁膨胀剂研究主要集中在高活性氧化镁即活性反应时间低于300 s，而对于低活性氧化镁的研究较少。但有研究表明，低活性氧化镁在高温养护条件下，释放的膨胀能总量大于高活性氧化镁，这可为大体积混凝土结构使用低活性氧化镁膨胀剂补偿收缩提供理论基础[10-12]。基于此，本文以选取典型大体积混凝土内部实际温度曲线，优化设计温度匹配试验条件，研究低活性氧化镁对混凝土的力学性能、体积变形能力及弹性模量的影响，为其在实际工程中应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：华新水泥股份有限公司产，P·O42.5水泥；矿粉：武汉某公司产，S95级，28 d活性指数106%；粉煤灰：武汉青山发电厂提供，Ⅱ级，45μm筛筛余为15.7%；氧化镁膨胀剂：MgO-2s、MgO-4s、MgO-6s，依据DL/T 5296—2013《水工混凝土用氧化镁膨胀剂》测得其活性反应时间分别为203、405、612 s。原材料的主要化学成分见表1，水泥的物理力学性能见表2，氧化镁膨胀剂的XRD图谱见图1。

表1 原材料的主要化学成分 %

表2 水泥的物理力学性能

图1 不同活性氧化镁的XRD图谱

（2）骨料：细骨料采用当地河砂，细度模数为2.6，含泥量1.2%；粗骨料采用5～31.5 mm连续级配花岗岩碎石，其主要物理性能见表3。

表3 粗骨料的主要物理性能

（3）拌合水：自来水。

（4）减水剂：武汉三源特种建材有限责任公司产聚羧酸高性能减水剂，固含量15.6%，减水率26%。

1.2 试验方案

1.2.1 混凝土配合比

根据JGJ 55—2011《混凝土配合比设计规程》，设计选用C40普通混凝土为基准，混凝土配合比见表4。结合工程实际情况，氧化镁以胶凝材料用量6%外掺的形式添加。

表4 混凝土的配合比 kg/m3

1.2.2 混凝土试验方法

（1）混凝土的工作性能参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试，力学性能参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。

（2）测试低活性氧化镁对混凝土应变性能的影响时，将拌制好的混凝土分2层装入100 mm×100 mm×400 mm的塑料试模中，其中测试自由膨胀时将振弦式应变计固定后直接埋设到试模正中间；测试限制膨胀时，先在塑料试模中放入混凝土限制膨胀杆，该膨胀杆符合T/CECS 540—2018《混凝土用氧化镁膨胀剂应用技术规程》附录A的要求，而后将振弦式应变计固定在膨胀杆上，将拌制好的混凝土入模振捣密实，最后将成型好的混凝土试件覆膜，并置于提前设定好温湿度程序的步入式环境模拟试验箱中，开启设备，用振弦式读数仪实时监测混凝土应变及温度数据。

（3）根据典型工程案例，设计温度匹配试验条件，其温度历程曲线如图2（a）所示，其中a-b段为浇筑后的升温阶段，b-c段为带模养护保温阶段，c-d段为拆模后降温阶段，相对湿度设置为恒定值85%，待温度匹配程序运行结束后关闭设备，混凝土试件继续放置于环境模拟试验箱中[见图2（b）]，直至测试完所需数据。

图2 温度历程曲线及步入式环境模拟试验箱

2 试验结果与讨论

2.1 温度匹配条件下低活性氧化镁对混凝土抗压强度的影响（见表5）

表5 低活性氧化镁对混凝土不同龄期抗压强度的影响

由表5可见，掺MgO-2s和MgO-4s混凝土3 d和7 d抗压强度较空白组有一定提高，而掺MgO-6s混凝土3 d抗压强度较空白组有一定降低，7 d抗压强度快速提高，其原因是活性较高的MgO-2s和MgO-4s在温度匹配条件下快速水化，生成氢氧化镁晶体填充在晶体的孔隙中，减小了浆体孔隙率，从而使混凝土的强度提高；但低活性的MgO-6s早期水化程度较低，不能很地填充孔隙，随着水化程度的提高，浆体孔隙进一步填充，表现出混凝土试件7 d抗压强度提高。从长龄期抗压强度测试结果可以看出，掺不同活性氧化镁对混凝土力学性能均有一定负面作用，28 d和60 d抗压强度比均低于100%，其原因是在温度匹配条件下，随着养护龄期的延长，氧化镁水化程度加速，在后期产生过大的膨胀，水化产物在混凝土中聚集，造成局部应力过大，会导致抗压强度降低[13]。

掺不同活性氧化镁对各龄期混凝土试件抗压强度影响有一定区别，主要是由于在温度匹配养护条件下其水化反应历程的差异性导致，活性相对较高的MgO-2s和MgO-4s水化反应快，产生的氧化镁晶体在早期填充作用更明显；而活性相对较低的MgO-6s水化反应慢，但后期膨胀能释放更大，生成的氧化镁晶体在后期填充作用更明显，但总体而言，掺不同活性氧化镁膨胀剂对混凝土各龄期抗压强度的影响不大。

2.2 温度匹配条件下低活性氧化镁对混凝土抗折强度的影响（见表6）

由表6可知，在温度匹配养护条件下，不同活性氧化镁对混凝土早龄期（3 d和7 d）抗折强度有利，掺MgO-2s、MgO-4s和MgO-6s，混凝土试件3 d和7 d抗折强度较空白组分别提高4.5%、7.6%、1.5%和4.4%、7.3%、8.8%，可见，活性最低的氧化镁对混凝土3 d抗折强度降低贡献最小，但其7 d抗折强度最高，这与抗压强度表现出的规律一致，也间接印证了氧化镁水化反应速率对混凝土力学性能的发展是相互匹配的。随着养护龄期的延长，掺氧化镁混凝土试件抗折强度较空白组有所降低，这与其抗压强度的下降有一定关系，在60 d龄期时，掺MgO-2s、MgO-4s和MgO-6s混凝土试件的抗折强度较空白组分别降低了6.2%、4.9%、3.7%。

2.3 温度匹配条件下低活性氧化镁对混凝土自由变形性能的影响

温度匹配条件下，掺不同活性氧化镁膨胀剂混凝土自由试件的综合应变曲线见图3（a），扣除温度变形后得到的混凝土体积膨胀变形修正应变曲线见图3（b）。

图3 掺不同活性氧化镁混凝土自由试件的时间-应变曲线

由图3（a）可见，在升温阶段，无论空白组还是掺氧化镁试验组，混凝土自身体积均表现出膨胀状态，主要是由于受温度升高的影响，混凝土产生温度变形，在此阶段，低活性氧化镁并没有表现出明显的膨胀能释放；而在保温阶段，由于混凝土自身收缩的加剧，在温度变形不变的情况下，空白组试件表现出收缩趋势，而掺氧化镁膨胀剂的混凝土则表现出膨胀增长的规律，其原因是此阶段氧化镁水化加速，膨胀作用得以体现；在降温阶段，空白组和掺氧化镁试验组均表现出膨胀减小趋势，主要是温度收缩导致，而试验组收缩相对较小，说明氧化镁膨胀剂的补偿收缩作用抵消了部分自身收缩。

由图3（b）可见，空白组试件始终表现出收缩状态，而掺不同活性氧化镁后混凝土始终保持膨胀状态，掺MgO-2s、MgO-4s、MgO-6s混凝土的最高应变分别为100με、99με、80 με，与此同时，由体积变形曲线可以看到，对于混凝土试件自由状态下，不同活性补偿收缩效果差异并不明显，需要特别说明的是，曲线上数据点局部出现波动，其原因一是设备的温度控制精准度不足，其二是在开箱取试件测试过程中带来的温度波动，但整体而言并不影响温度匹配趋势。

2.4 温度匹配条件下低活性氧化镁对混凝土限制变形性能的影响

温度匹配条件下，掺不同活性氧化镁膨胀剂混凝土限制试件的综合应变曲线见图4（a），扣除温度变形后得到的混凝土体积膨胀变形修正应变曲线见图4（b）。

图4 掺不同活性氧化镁混凝土限制试件的时间-应变曲线

由图4（a）可见，与混凝土自由试件自身体积变形规律类似，在升温阶段，无论空白组还是掺氧化镁试验组，混凝土均表现出膨胀状态；而在保温阶段，由于混凝土自身收缩加剧，在温度应变恒定的情况下，空白组试件表现出收缩趋势，而掺氧化镁膨胀剂的混凝土则表现出膨胀增长的规律，其原因是此阶段氧化镁水化加速，膨胀作用得以体现，而空白试件自收缩加剧；在降温阶段，空白组和试验组均表现出膨胀减小趋势，主要是由温度收缩引起，而试验组收缩相对较小，同样是由于氧化镁膨胀剂的补偿收缩作用抵消了部分自身收缩。

由图4（b）可见，空白组混凝土试件始终表现出收缩状态，最大收缩值超100με，而掺MgO-2s和MgO-4s混凝土始终保持膨胀状态，最高应变分别为80με和60με，相较于自由试件，膨胀有所削弱，主要是钢筋限制了氧化镁膨胀能的释放。掺MgO-6s在升温阶段和保温阶段均表现出膨胀状态，随着降温时间的延长，逐步表现出收缩状态，说明其补偿收缩效果不足以抵抗混凝土自身的收缩，但其收缩值依旧低于空白组，与此同时，由体积变形曲线可以清晰看到，对于限制试件而言，补偿收缩作用效果表现出掺MgO-2s最优，掺MgO-4s次之，掺MgO-6s稍差。

2.5 温度匹配条件下低活性氧化镁对混凝土弹性模量的影响

温度匹配养护条件下，掺MgO-4s混凝土不同龄期的静弹性模量见表7。

表7 混凝土不同龄期的静弹性模量

由表7可见，掺MgO-4s混凝土的静弹性模量有所提高，3 d、7 d静弹性模量较空白组分别提高了2.4%、2.9%，说明在温度匹配条件下，MgO-4s可适当提高混凝土的早期应变能力，这与抗折强度的发展规律一致。随着龄期的延长，掺MgO-4s混凝土静弹性模量表现出一定程度降低的规律，其原因是随着养护龄期的延长，氧化镁水化程度加速，在后期产生过大的膨胀，水化产物在混凝土中聚集，造成水泥石之间的粘结力下降，引起弹性模量降低。在温度匹配条件下，7 d龄期后混凝土弹性模量的变化并不明显，掺MgO-4s混凝土28 d弹性模量为28.5 GPa，与7 d龄期基本持平，60 d弹性模量为29.8 GPa，较7 d龄期仅提高了4.2%，说明在该养护条件下，混凝土弹性模量的提高主要发生在早龄期（7 d），后期变化并不大。

3 结论

（1）温度匹配养护条件下，外掺6%的MgO-2s和MgO-4s可提高混凝土早期（3 d、7 d）抗压强度，但对后期（28 d、60 d）抗压强度不利。

（2）掺MgO-2s、MgO-4s、MgO-6s混凝土的3 d、7 d抗折强度均较空白组有一定提高；养护龄期延长至60 d时，掺MgO-2s、MgO-4s、MgO-6s混凝土的抗折强度较空白组分别降低了6.2%、4.9%、3.7%。

（3）掺不同活性氧化镁膨胀剂，混凝土试件在自由膨胀条件下始终处于微膨胀状态；混凝土试件在限制膨胀条件下，掺MgO-6s混凝土随着龄期的延长，逐步表现出收缩状态，但两种情况下混凝土试件体积变形规律一致，补偿收缩作用效果表现出掺MgO-2s最优，掺MgO-4s次之，掺MgO-6s稍差。

（4）低活性氧化镁可提高混凝土早期的弹性模量，但后期变化不大。