摻氧化鎂抗裂劑的海工大體積混凝土的配制及應(yīng)用

余以明，徐文冰，吳 科，高 凡

（中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430071）

摻氧化鎂抗裂劑的海工大體積混凝土的配制及應(yīng)用

余以明，徐文冰，吳 科，高 凡

（中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430071）

為防止海洋環(huán)境下大體積混凝土出現(xiàn)開裂，導(dǎo)致腐蝕加劇的現(xiàn)象，工程在不布置冷卻水管的情況下按大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)的原則，采用低水泥用量、摻入大摻量的摻合料并摻入適量的MgO抗裂劑，通過配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)及氧化鎂對混凝土性能的影響分析，確定使用52%水泥、20%粉煤灰、20%礦粉、8%氧化鎂抗裂劑的膠凝材料體系效果較好，配制出來的混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性優(yōu)良，通過試驗(yàn)段的施工，該大體積混凝土結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)明顯裂縫，滿足海工大體積混凝土的施工要求。

大體積混凝土；MgO抗裂劑；配合比；裂縫

目前，國內(nèi)摻氧化鎂抗裂劑的混凝土主要應(yīng)用于水電站大壩基礎(chǔ)、船閘工程等，少量應(yīng)用于建筑工程，大規(guī)模應(yīng)用于海工工程尚未見諸文獻(xiàn)。氧化鎂抗裂劑的膨脹機(jī)理[1]在于方鎂石水化生成氫氧化鎂晶體并在局部區(qū)域內(nèi)生長發(fā)育，使硬化漿體產(chǎn)生膨脹，膨脹能來自氫氧化鎂晶體吸水腫脹力和結(jié)晶生長壓力。通過相關(guān)資料分析，發(fā)現(xiàn)氧化鎂抗裂劑中氧化鎂含量越高，其后期延遲膨脹性能越好，應(yīng)用特制輕燒氧化鎂材料配制混凝土，以其延時(shí)性膨脹性能補(bǔ)償混凝土收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，達(dá)到使大體積混凝土體積穩(wěn)定，減少或不產(chǎn)生裂縫、簡化溫控措施（不布置冷卻水管）、降低工程成本、加快工程建設(shè)的目的。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料

水泥：華潤（防港城）P.O42.5水泥；砂：北海砂場中砂；碎石：5~31.5 mm鐵爐港碎石；粉煤灰：欽州永佳F類域級粉煤灰；礦粉：海南檀溪新型材料有限公司S95；減水劑：四川路加聚羧酸系高性能減水劑、天津同祥聚羧酸減水劑；抗裂劑：江蘇蘇博特HMER-域高性能混凝土氧化鎂復(fù)合膨脹劑、武漢三源鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑、天津金盛源氧化鎂抗裂劑；拌合水：自來水。氧化鎂抗裂劑的性能指標(biāo)[2]見表1。

表1 不同品種氧化鎂抗裂劑性能指標(biāo)Table1 Performance indexes of different MgO anti-cracking agents

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本工程對原海工構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加寬、加高設(shè)計(jì)，增加的混凝土結(jié)構(gòu)屬于大體積混凝土，因混凝土界面陰陽角較多，為異型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中，受混凝土內(nèi)約束及舊混凝土外約束的影響，導(dǎo)致混凝土容易開裂。

針對上述情況，該海工大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，配合比按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的設(shè)計(jì)原則[3]及GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》[4]、JTS 202-2—2011《水運(yùn)工程混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》[5]的要求來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氧化鎂抗裂劑對高性能減水劑的影響

內(nèi)摻武漢三源氧化鎂抗裂劑，使抗裂劑取代10%的膠凝材料，其他材料種類及用量均不變，選用3種外加劑，分別為四川路加普通聚羧酸高性能減水劑、天津同祥聚羧酸減水劑、四川路加特制聚羧酸高性能減水劑。摻不同減水劑時(shí)氧化鎂抗裂劑混凝土的性能見表2。

表2 摻不同減水劑時(shí)氧化鎂抗裂劑混凝土性能Table2 Performance of MgO anti-cracking agent concrete adding different water reducing agent

對比1號、2號、3號配合比可知，摻入氧化鎂抗裂劑后外加劑用量明顯增加，且混凝土的工作性不好、抗壓強(qiáng)度下降，表明氧化鎂抗裂劑，對外加劑的吸附性較強(qiáng)，使拌合時(shí)的有效減水劑量減少，用水量增大，從而導(dǎo)致混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度下降，4號配比中摻入針對氧化鎂抗裂劑而研制的減水劑后，其減水劑用量明顯降低，工作性及抗壓強(qiáng)度明顯提高。

2.2 氧化鎂抗裂劑產(chǎn)品及用量的確定

選用3種氧化鎂抗裂劑產(chǎn)品，在其他材料用量不變的情況下，改變抗裂劑的摻量分別為4%、6%、8%、10%，以天津金盛源氧化鎂抗裂劑為例，其工作性及28 d抗壓強(qiáng)度見表3。成型試件測試其在室溫條件下28 d內(nèi)的收縮及膨脹值，其中江蘇蘇博特氧化鎂抗裂劑的膨脹發(fā)展趨勢見圖1，武漢三源及天津金盛源氧化鎂抗裂劑的膨脹發(fā)展趨勢見圖2。

表3 不同摻量天津金盛源氧化鎂抗裂劑產(chǎn)品的工作性及力學(xué)性能Table3 Work and mechanical properties of different dosage of Tianjin Jinshengyuan MgO anti-cracking agent products

圖1 蘇博特抗裂劑膨脹發(fā)展趨勢圖Fig.1 Expansion trend chart of Subote anti-cracking agent

圖2 武漢及天津抗裂劑膨脹發(fā)展趨勢圖Fig.2 Expansion trend chart of Wuhan and Tianjin anticracking agents

由表3可知，隨著MgO抗裂劑用量的增加，達(dá)到相同工作性時(shí)外加劑的用量明顯增加，且28 d抗壓強(qiáng)度明顯下降，表明氧化鎂對外加劑有較強(qiáng)的吸附性，會降低混凝土的和易性，因變相提高了混凝土的水膠比且氧化鎂水化形成的晶體膨脹破壞了原水泥水化形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度有所下降。

由圖1、圖2可知，隨MgO抗裂劑摻量的增加，總的膨脹量不斷增加。對比圖1與圖2，使用同一摻量的蘇博特MgO抗裂劑在前7 d齡期混凝土的膨脹量超過使用武漢三源及天津金盛源氧化鎂抗裂劑的混凝土，但其混凝土膨脹量在4 d以后膨脹趨于穩(wěn)定，28 d時(shí)混凝土的收縮超過其膨脹，總膨脹量相比7 d時(shí)有所下降。由圖2可知，摻量一定時(shí)，武漢三源及天津金盛源MgO抗裂劑隨齡期增長，7 d膨脹量逐漸增大，至28 d時(shí)膨脹量趨于穩(wěn)定或略有增長。

因本結(jié)構(gòu)工程加高、加寬后的裂縫絕大部分出現(xiàn)在新舊混凝土界面的陰陽角處，且不摻抗裂劑的混凝土結(jié)構(gòu)在14 d后仍有新裂縫出現(xiàn)，這要求混凝土14 d后還需要有一定的膨脹量來補(bǔ)償后期自收縮、干燥收縮及外約束導(dǎo)致的收縮裂縫，因此從控制后期裂縫的角度來考慮，需要選用在混凝土反應(yīng)后期仍有一定膨脹量的抗裂劑，故優(yōu)選氧化鎂含量較高的抗裂劑。

純氧化鎂的膨脹性對溫度比較敏感[6]，常溫下膨脹值較小，因?qū)嶓w溫度較高，其在實(shí)體中膨脹值遠(yuǎn)超過室溫時(shí)測得的膨脹值，室溫時(shí)28 d膨脹量能達(dá)到0.02%即可滿足要求，故選用8%摻量的氧化鎂抗裂劑。

在其他材料用量不變的情況下，分別摻入8%武漢三源及天津金盛源氧化鎂抗裂劑，測試其抗壓強(qiáng)度、電通量及混凝土限制膨脹率，測試結(jié)果見表4。

表4 武漢三源及天津金盛源氧化鎂抗裂劑產(chǎn)品的性能對比Table4 Performance comparison of Wuhan Sanyuan and Tianjin Jinshengyuan MgO anti-cracking agent product

由表4可知，武漢三源的氧化鎂抗裂劑與天津金盛源的氧化鎂抗裂劑因其氧化鎂含量相差不多，其28 d的限制膨脹率基本一致，但相同摻量的情況下，摻入了武漢三源氧化鎂抗裂劑的混凝土其抗壓強(qiáng)度更高，電通量更低，耐久性更優(yōu)良，故最終確定選用摻量為8%的武漢三源氧化鎂抗裂劑。

2.3 膠凝材料體系的確定

在砂、石、用水量一定的情況下，固定膠凝材料用量為360 kg/m3，水膠比為0.4，砂率為38%，選用3種膠凝材料體系，分別為92%C+8%M、58.7%C+33.3%F+8%M、52%C+20%F+20K+8%M，拌制混凝土測試其坍落度及28 d抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果見表5。

由表5可知，相比單摻、雙摻體系，三摻體系因優(yōu)化了膠凝材料的微觀級配，不僅降低了外加劑用量，提高了混凝土的和易性，且使得混凝土抗壓強(qiáng)度有明顯提高，耐久性更優(yōu)。因此，提出摻氧化鎂抗裂劑混凝土的推薦配合比，見表6。

表5 不同膠材體系的混凝土性能測試結(jié)果Table5 Performance test results of different gelled material system concrete

表6 大體積混凝土的配合比Table 6 Mixture ratio of mass concrete

3 試驗(yàn)段應(yīng)用情況

簡化結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段的溫控措施，不布置冷卻水管，澆筑時(shí)混凝土的坍落度控制在160依20 mm，現(xiàn)場施工性能較好，無泌水離析現(xiàn)象。試驗(yàn)段脫模后外觀質(zhì)量良好，無蜂窩和麻面。拆模后，采用雙層土工布覆蓋，定期灑水養(yǎng)護(hù)，3個(gè)月后觀察該試驗(yàn)段大體積混凝土結(jié)構(gòu)，表面、側(cè)面及迎海面均無明顯裂縫出現(xiàn)，表明氧化鎂抗裂劑應(yīng)用于大體積混凝土?xí)r可取代冷卻水管的布置，從而節(jié)約工程成本，加快工程建設(shè)。

4 結(jié)語

1）氧化鎂抗裂劑對外加劑的吸附性較強(qiáng)，使拌合時(shí)的有效減水劑量減少，要達(dá)到理想的工作性能需增加外加劑用量，則變相增大了用水量，從而導(dǎo)致混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度下降；隨著MgO抗裂劑用量的增加，達(dá)到相同工作性時(shí)外加劑的用量增加，也導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降。

2）氧化鎂含量較高的抗裂劑因其延遲膨脹性能可補(bǔ)償混凝土后期自收縮、干燥收縮及外約束導(dǎo)致的收縮裂縫，從而有利于大體積混凝土的控裂；雙摻粉煤灰及礦粉不僅減少了水泥用量，降低混凝土的絕熱溫升，且提高了混凝土的密實(shí)性、抗壓強(qiáng)度、耐久性，更有利于混凝土的抗裂；采用氧化鎂抗裂劑在某些情況下可取代冷卻水管的布設(shè)，降低工程造價(jià)，加快工程建設(shè)。

3）優(yōu)選武漢三源的氧化鎂抗裂劑，確定其最佳摻量為8%，經(jīng)過膠材體系的比選確定了海工大體積混凝土的最佳配比，配制出來的混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性較好，滿足海工大體積混凝土的施工要求。

[1] 鄧敏，崔雪華，劉元湛，等.水泥中氧化鎂的膨脹機(jī)理[J].南京化工學(xué)院學(xué)報(bào)，1990，12（4）：1-11.DENG Min,CUI Xue-hua,LIU Yuan-zhan,et al.Expansive mechanism of magnesia as an additive of cement[J].Journal of Nan原jing Institute of Chemical Technology,1990,12(4):1-11.

[2]DL/T 5296—2013，水工混凝土摻用氧化鎂技術(shù)規(guī)范[S].DL/T 5296—2013,Technical specification of magnesium oxide expansive for use in hydraulic concrete[S].

[3]JGJ 55—2011，普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].JGJ 55—2011,Specification for mix proportion design of ordinary concrete[S].

[4]GB 50496—2009，大體積混凝土施工規(guī)范[S].GB 50496—2009,Code for construction of mass concrete[S].

[5]JTS 202-2—2011，水運(yùn)工程混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[S].JTS 202-2—2011,Quality control standards of concrete for port and waterway engineering[S].

[6] 劉加平，王育江，田倩，等.輕燒氧化鎂膨脹劑膨脹性能的溫度敏感性及其機(jī)理分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，41（2）：359-364.LIU Jia-ping,WANG Yu-jiang,TIAN Qian,et al.Temperature sensitivity of light burned magnesium oxide expansive agent expansive performance and its mechanism analysis[J].Journal of southeast university:natural science Edition,2011,41(2):359-364.

Preparation and application of mass marine engineering concrete with MgO anti-cracking agent in

YU Yi-ming,XU Wen-bing,WU Ke,GAO Fan
（CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430071,China）

To prevent the cracking of mass concrete in marine environment,lead to the phenomenon of corrosion intensifies,without arrangement of the cooling water pipe,according to the principle of the mix proportion design of mass concrete with low cement dosage and large dosage of admixture and adding the right amount of MgO anti-cracking agent,through the optimization of mixture ratio design and impact analysis of MgO on the properties of concrete,we determined that using 52%cement,20%fly ash,20%mineral powder,and 8%MgO anti-cracking agent has good effect of gelled material system.The prepared concrete has excellent work performance,mechanical properties,and durability,through the construction of the test section,this mass concrete structure does not appear obvious cracks,which can meet the construction requirements of mass marine engineering concrete.

mass concrete;MgO anti-cracking agent;mixture ratio;cracks

U654

A

2095-7874（2017）12-0033-04

10.7640/zggwjs201712008

2017-04-17

2017-05-27

余以明（1985— ），男，湖北荊州人，碩士，助理工程師，主要從事新型高性能混凝土方向的研究。E-mail：365806156@qq.com