不同掺量膨胀剂在大体积混凝土，工程中的应用分析

财富 2024-11-13 19:19 上海

0引言

随着我国基建工程的快速发展，大体积混凝土的应用越发广泛。由于水泥基材料的体积收缩，如干燥收缩，自收缩和热收缩，导致材料存在开裂风险，从而对混凝土结构的耐久性产生不利影响。而大体积混凝土在水化时会放出大量热量，其内部散热速度较慢，导致内部温度升高，混凝土内部和外部的温差加大，从而产生较大的温度梯度。随着环境温度的下降，表面裂纹不断扩大，容易产生危险裂纹。

由于外界因素的作用，这些裂缝极有可能诱发内部钢筋锈蚀，造成结构破坏，严重时会影响到结构的使用寿命氧化镁膨胀剂是一种“缓膨胀”型膨胀剂，其将氧化镁水化后的化学能转化为机械能，在混凝土内部形成一种预压应力，可补偿冷却时的收缩和拉伸，从而间接减小等效的综合冷却温度。同时，因其独特的缓慢膨胀特性，使其膨胀速率与混凝土收缩速率相匹配，可补偿其降温过程中的体积收缩，从而达到改善混凝土开裂的目的。

1氧化镁膨胀剂的作用机理

研究发现，经高温熳烧的方镁石在水化反应中发生很慢的溶胀，即在形成氢氧化镁时，体积膨胀发生得比较晚。氧化镁水化生成的氢氧化镁晶体，是导致其膨胀过慢的主要原因。

镁砂的膨胀能量是由镁砂的吸胀力以及镁砂的结晶长大压力决定的。水化初期，氢氧化镁结晶粒径极小，此时结晶的吸胀力是其膨胀的主要驱动力。随着时间的推移，氢氧化镁晶体逐渐成长，此时晶体的膨胀便成了主要的推动力量。

氧化镁水泥石的膨胀程度与氢氧化镁的存在部位、形态及大小有关。此外，氧化镁膨胀剂的类型和用量、环境温度、矿物组成及自由氧化钙含量等都对氧化镁水泥的膨胀性能产生较大的影响，此外，氧化镁的类型、掺量以及水泥熟料中的自由氧化钙的含量也对其膨胀性能产生很大的影响。上述各因素的综合，会影响混凝土的最终膨胀特性及工程质量。

2不同掺量对混凝土影响试验

2.1试验方案

本项目拟通过室内模拟的方法，研究不同掺量氧化镁膨胀剂对混凝土收缩性能的影响。

(1)对试验中使用的各种原材料进行测试，包括水泥、粉煤灰、砂石骨料、减水剂、膨胀剂等。其目的是更好地掌握各种原材料的特性，为后续的配合比设计提供依据。

(2)在获取所需原材料基础参数后，进行配合比设计。在此过程中，既要保证混凝土的力学性能，又要考虑外掺膨胀剂。利用绝对容积法进行配合比设计。该方法是建立在混凝土密实体积等于各组分绝对体积和这一假定的基础上，确定混凝土中各组分含量及其配合比的基本方法。

（3）通过对混凝土强度、工作性、耐久性、经济性等性能的分析，提出了用水量、水胶比等参数的合理取值，进而对水泥掺量进行了估算。然后，将水泥和水混合后的密实度与混凝土密实度进行综合，得到骨料的密实度。然后，从选择的砂石比出发，推算出砂石掺量。

（4)本项目以砂石集料饱和面干的状况作为参考，进行混凝土的配合比设计。在此条件下，集料内部水分含量虽已达到饱和，但其表面仍处于干湿状态。在此条件下，集料在拌和物中不吸水、不带水，便于严格控制用水。我国多个大型水利工程都采用了这一状况集料进行混凝土配合比设计。

(5)最后，根据所确定的配合比，进行变形试验。为了更加完整地观测混凝土在各个时刻的变形，本研究拟将试验的龄期设置为1年(365d)。

2.2原材料

试验所用原材料包括：

(1)氧化镁膨胀剂：武汉某公司研制，其工作性能指标达到CBMF19-2017《混凝土用氧化镁膨胀剂》的要求。

(2)水泥：P·O42.5普通硅酸盐水泥。

(3)外加剂：符合GB8076-2008《混凝土外加剂》要求的缓凝型高效减水剂和引气剂。

(4)细骨料：赣江河沙。

(5)粗骨料：5～16mm的小石，16～31.5mm的大石。

(6)F类一级低钙粉煤灰。

2.3混凝土体积变形试验

为探讨C25P8F150混凝土在不同膨胀剂用量下的效果，提出了如下配制方法：二级配普通混凝土C25P8F150，膨胀剂用量为0、2%、3%、4%，混凝土配合比详见表1。混凝土落度为160～180mm。含气量为3.5%～5.5%。该方案旨在探究膨胀剂对混凝土性能的影响，为实际工程应用提供参考。

在现有研究成果的基础上，按给定的配合比设计参数，计算了所用原材料，并对其工作性能进行了试验研究。下面列出了有关混凝土配合比所需材料的数量和工作性能的详细资料，详见表2。

自制容积变形试验箱，是一种用镀锌钢板制作，直径200mm，高500～600mm的密闭试件。在对C25P8F150二次配普通混凝土进行体积变形测试时，按照下列程序进行：在测试之前，先对样品桶进行检验，确认其无渗漏和不透气，然后在桶内壁内衬厚度为1～2mm的胶皮，使其与混凝土隔绝。

在试样成型时，将已标定的差动电阻应变片置于试样中央，保证量测基线在试样中间且与试样纵轴线成一直线。成型后，紧密封筒盖，使之与待测样品端紧密接触，并在应变仪电缆出口处和外周用石蜡封接。

待封装完成后，立即置于（20±2）℃下，防止振动，即刻进行电阻、电阻率测试，并以成型后24h应变片的实测值作为参考值。

试件成形后2、6、12、24h进行电阻和电阻的测试。之后，以每日一次，隔两个星期一次，半年一次。全部测试历时1年(365d)。

最后，以2个试样实测数据的平均值作为测试结果。表3为混凝土收缩率的测试（365d），表4为恒温状态下水中限制膨胀率的试验。这一结果为进一步探讨不同掺量的膨胀剂对混凝土再生体变形的影响奠定了基础。

根据表3、表4可得出以下结论：

（1)无膨胀剂掺量下，混凝土的体积变形主要表现为收缩。在60d左右，混凝土的自重变形达到-16×10-6的一个临界值。365d与300d相比，混凝土的自重变形增大5.2%。总体而言，后期混凝土收缩量变化不大。

（2)膨胀剂明显地影响了混凝土的收缩，说明膨胀剂对改善混凝土的抗裂性能是十分显著的。混凝土的收缩率随膨胀剂用量的增大而减小；具体而言，膨胀剂用量为2%时，可使混凝土产生2%的自重变形；在掺人3%的情况下，可获得61.0×10-6的重力变形；但添加量在4%时，可获得146.4×10-6的重力变形。另外，膨胀剂的用量越大，其膨胀率越高。当膨胀剂添加量为3%时，自生体积变形比仅添加2%时增加175%；在4%的掺量下，自生体积变形比掺人3%的水泥砂浆高137%；但是，膨胀率的增长速度随膨胀剂用量的增大而降低。所以，在选用膨胀剂时，应充分考虑膨胀剂对混凝土抗裂性能的提高及膨胀速度的影响。

(3)在常温下，将受约束膨胀的试样放入40℃的蒸养箱中进行养护，得到在水中受约束的限制膨胀率见表4。结果表明，未掺氧化镁膨胀剂的试样，随着龄期的增加，试样呈收缩状态，而氧化镁膨胀剂的掺量在2%、3%、4%均可在40℃温度下产生充分的膨胀，弥补了混凝土的收缩；其中，掺人4%氧化镁膨胀剂20d即可充分发挥其膨胀性能，达到0.031%。在充分发挥其膨胀性能之后，试件的极限膨胀率几乎没有出现回弹现象，其体积稳定性非常好。与之相比，掺量为3%的氧化镁膨胀剂，其膨胀性能提高缓慢，60d的限制膨胀率仅达到0.048%。掺量2%的氧化镁膨胀剂初期的膨胀性能较差，前20d仅为0.007%。要想使混凝土在初期就能迅速地得到补偿，而不是在已硬化后出现过大的膨胀，就应该尽可能地选用大掺量的氧化镁膨胀剂。

3膨胀剂的不同掺量在大体积混凝土工程中的应用

某水利枢纽由右岸发电厂房、鱼道、漂洞、河中18孔泄水闸、左岸船闸、左右岸混凝土重力坝、变电所等组成。该泄洪洞的净宽为14m，共计19个孔，闸墩厚3.5m，总宽336m。该泄洪闸顶部大体与河床等高，坝体为压碎式结构，下游建筑物顺流向长53.0m，最高坝高50.0m。两岸相连的建筑物均为重力式碾压式大坝。其中，左岸重力坝长度为103.0m，坝顶最高高程36.5m，坝体结构稳定；大坝的右岸高程为46.0m，全长133.5m。由于该工程是一个大体积混凝土工程，需要特别关注混凝土的收缩和开裂问题。大体积混凝土在硬化过程中会产生较大的收缩，如果没有采取有效的措施，可能会导致混凝土开裂，严重影响工程的安全性和耐久性。为了补偿大体积混凝土的收缩，防止开裂，选择更高掺量的膨胀剂是非常必要的。为此，结合所在区域温度梯度特点，工程选择了4.5%掺量和5.5%掺量方案，并结合无掺量方案进行了模拟分析。

3.1应力场分析

在此基础上，结合现场实测温度场数据和MgO添加量，分别对泄水文坝三种不同设计方案下的最大顺、横向应力进行了计算。外加Mg0的外掺量为5.5%时，最大前向应力见表5。

3.2结果分析

由以上的计算结果可知，考虑到泄洪闸坝段基础长边43m、高18.6m，基本处于地基限制范围内。掺加氧化镁后，地基约束区域混凝土的横向应力都减小，尤其是在地基强约束区，减小幅度更大，地基弱约束区的减小幅度很小。氧化镁含量与其相应的应力补偿效应呈正相关关系，且随着氧化镁含量的增加，其应力补偿效应逐渐增强。比如，当掺入5.5%时，钢筋的应力补偿效果比4.5%的钢筋大，而对应的大坝约束区域混凝土的水平应力则有所降低。

从应力分析的结果来看，无氧化镁处理的大坝多数混凝土的水平应力都超出了容许值，没有达到设计要求。添加4.5%氧化镁后，28d以前的最大应力和全龄期最大应力都有了一定程度的下降，未达到应力控制要求的范围也相应减少。随着氧化镁含量的提高，大坝的应力水平也有所提高，基本达到了设计的要求。掺人5.5%氧化镁可以有效地抑制闸坝混凝土的温度开裂。

添加氧化镁可使强约束区内的应力得到明显改善，远离基岩处则不明显。针对内侧碾压混凝土，可增加氧化镁掺量，在确保掺人氧化镁后混凝土稳定的同时，进一步改善其应力补偿程度，使得内侧碾压混凝土的拉应力不会超出容许范围，实现温度控制和防止开裂。

3.3外掺5.5%氧化镁膨胀剂应用效果

在该水利枢纽工程中，为了解决大体积混凝土的收缩和开裂问题，采用外掺5.5%氧化镁膨胀剂的方案。通过实际施工验证，这种方案的应用效果显著。

外掺5.5%氧化镁膨胀剂方案在各部位的最大顺河向及横河向应力均有所降低，尤其是在基础强约束区内，降幅较为明显。这说明在水泥中掺入5.5%氧化镁膨胀剂可使混凝土产生较大的膨胀力，从而使混凝土的收缩得到较好的补偿，减少了裂缝的产生。其次，大体积混凝土在硬化过程中保持了良好的稳定性，减少了裂缝的产生。外掺5.5%氧化镁膨胀剂方案下，混凝土的应力水平基本上均在允许应力范围内。同时外掺5.5%氧化镁膨胀剂能够适应该区域温度情况，且能有效地补偿大体积混凝土的收缩和开裂问题

4结论

（1)通过补偿收缩混凝土配合比设计的优化，采用不同掺量的氧化镁膨胀剂，可以更好地实现氧化镁膨胀剂补偿收缩的作用，使得大体积混凝土抗裂措施发挥出最大的作用。

(2)针对大体积的工程，氧化镁膨胀剂能有效地补偿早期快速降温产生的裂缝，对控制混凝土的早期温度收缩裂缝有重要的意义。

（3)氧化镁膨胀剂不仅有补偿收缩的功能，还具有填充和改善混凝土内部孔隙结构和提高混凝土致密性的功能，从而提高混凝土的抗裂防渗性、力学性能、长期性和耐久性。

本研究为大体积混凝土工程中应对温度梯度和自约束应力问题提供了有益的参考，为工程实践提供了可行的解决方案。未来可进一步深化对氧化镁膨胀剂作用机理的研究，以及在不同工程环境下的优化应用方案。

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