外掺轻烧氧化镁混凝土性能试验研究

徐琼
提要：外掺氧化镁混凝土是在混凝土中掺入适量的轻烧氧化镁，使混凝土产生延迟性体积微膨胀以补偿混凝土在温降过程中产生的收缩变形，以防止混凝土由于温降产生的裂缝，以取代或部份取代混凝土温控措施。近几年来，这项技术得到很快的发展，贵州省2000年以来先后用外掺氧化镁混凝土修建了几座拱坝。本文将这几个工程的试验资料进行整理，从外掺氧化镁混凝土的力学强度、弹性模量、抗渗、耐久性、热学性能、自生体积变形性能等，进行全面系统的分析，以便能全面地系统地深入地了解外掺氧化镁的各种性能，使外掺氧化镁混凝土筑坝技术得到更好更快的推广和发展。

关键词：外掺氧化镁混凝土，性能，自生体积膨胀，试验研究。
1、概述
外掺氧化镁混凝土是在水泥混凝土中掺入适量的轻烧氧化镁，在水化过程中产生延迟性体积膨胀，对具有约束的水工大体积混凝土可起到补偿混凝土在温降过程中产生的收缩变形的作用，以防止或减少混凝土由于温降产生的裂缝，以取代或部分取代传统的温控措施，混凝土大坝施工中实践了不分缝或少分缝连续浇筑技术，减化了大坝混凝土的施工工艺，可大大加快了工程进度。
2001年以来，贵州省先后建成了沙老河、三江、落脚河、马槽河、老江底5座外掺氧化镁混凝土拱坝及鱼简河、黄花寨两座外掺氧化镁碾压混凝土拱坝（参阅表1），为了使外掺氧化镁筑坝这项新技术更好更快的得到推广和发展，有必要对外掺氧化镁混凝土的性能进行深入的了解和研究。本文对我省建成的几座外掺氧化镁混凝土拱坝的试验资料进行整理分析，以便能对外掺氧化镁的性能有一个系统的全面的了解。
贵州省已建成应用MgO微膨胀混凝土拱坝统计表1

2、外掺氧化镁混凝土配合比
几个工程均为四级配混凝土，砂石骨料均用石灰岩轧制，碎石最大粒径120-150mm，常态混凝土坍落度控制在20-50mm，掺用二级粉煤灰，粉煤灰掺量30-40%，外掺氧化镁4.5-6.0%不等，氧化镁全部采用辽宁省海城东方滑镁公司生产的轻烧氧化镁，氧化镁纯度大于4%，符合符合轻烧氧化镁（YB/T5206-2004）质量要求，水胶比控制在0.50-0.55，胶凝材料总量控制在170-210kg/m3。碾压混凝土VC值控制在7-8.5s，坝体采用三级配，碎石最大粒径80mm，防浪墙采用二级配，碎石最大粒径40mm。
为了确定氧化镁合理掺量，应进行压蒸试验，压蒸试验参照“水泥压蒸试验安定性试验方法”（GB/T750-92）进行。为安全起见，确定的氧化镁掺量小于压蒸试验得出的最大值。

压蒸试验结果表2

对于MgO掺量，过去5%被认为是“禁区”，国标规定水泥的MgO含量是以水泥熟料中的MgO含量为准，而水工大体积混凝土外掺MgO则是以胶凝材料（水泥+粉煤灰）为控制标准。水泥熟料中内含MgO与作为膨胀剂的轻烧MgO有本质的不同，因此应以压蒸试验来确定MgO的合理掺量。根据压蒸试验的研究，水泥净浆、砂浆、一级配混凝土在MgO相同掺量相同时，表现出膨胀量呈递减趋势，笔者认为：用一级配混凝土作压蒸试验更接近实际情况。
各工程选择的配合比列于表3。按表3配合比进行复核试验，外掺氧化镁混凝土的各项性能均能满足设计要求。

外掺氧化镁混凝土配合比表3

注:1、除落脚河电站骨料最大粒径为120mm外，其余工程骨料最大粒径为150mm
2、马1、马2为铜仁黔东水泥，外加剂为北京科宁外加剂ADD-3；
马3、马4为怀化金大地水泥，外加剂为贵州铁盛外加剂TS-A1，以下同。
3、外掺氧化镁混凝土的强度
外掺氧化镁后，在水化过程中使水泥石产生膨胀变形，如氧化镁掺量过大，水泥石膨胀后水泥石与骨料的界面受到破坏，则会影响混凝土的强度和耐久性。由于未进行与基准混凝土对比试验，现参照国内资料（文献），当氧化镁掺率在4%左右时，各种品种水泥混凝土强度不仅没有降低，反而较同龄期混凝土强度略有增加。我省几个工程，氧化镁掺率由4%-6%的强度试验资料列于表4。

掺氧化镁混凝土强度试验结果表4

外掺氧化镁混凝土劈裂抗拉强度约为抗压强度的7~10%，7天强度约为28天强度的60~70%，90天强度约为28天强度的130~140%（掺30~40%粉煤灰），抗折强度约为劈裂抗拉强度的1.6~1.7倍，与普通混凝土的规律相符。混凝土外掺5%左右的氧化镁不会对强度造成影响，完全能满足工程对强度的要求。
4、弹性模量
弹性模量通常随混凝土抗压强度和密度的增加而加大，由于外掺氧化镁混凝土的抗压强度略高于普通混凝土，所以外掺氧化镁混凝土的弹性模量也略高于普通混凝土。

外掺氧化镁混凝土弹性模量试验结果表5

5、极限拉伸
为了防止混凝土发生裂缝，某些坝工等大体积混凝土在设计中提出抗裂要求，以极限拉伸值作为大体积混凝土抗裂能力的指标。
我们是按“水工混凝土试验规程”（DL/T5150-2001）中的方法进行试验，在氧化镁掺率为4-6%时。龄期90d的极限拉伸为75-90×10-6，与普通混凝土接近，说明氧化镁掺率在5%左右对极限拉伸值影响不大。

外掺氧化镁混凝土极限拉伸试验结果表6

6、抗渗性、抗冻性
我省修建的几座外掺氧化镁混凝土拱坝设计抗渗等级均为W8，抗冻等级均为F100。经试验，所选择的配合比全部达到或超过设计要求（试验抗渗达到W8，抗冻达到F100就没有再继续试验），由于掺用了30-40%粉煤灰，采用的水胶比小于0.55，掺用的高效减水剂有一定的引气作用，这些都有助于抗渗、抗冻性的提高，因此外掺5%左右的氧化镁不影响混凝土的抗渗性和抗冻性，也就是说外掺氧化镁混凝土的抗渗性、抗冻性完全能够满足工程设计要求。
据清华大学的试验研究（参考文献4），外掺氧化镁对碾压混凝土的抗冻性有所降低，如合理掺用引气剂，仍能满足F300。
外掺氧化镁混凝土对碾压混凝土抗渗性有所降低，外掺氧化镁细度对抗渗性影响较大，掺量越大，渗透性能降低也越大（见表7）。

外掺氧化镁碾压混凝土抗渗试验表7
(清华大学资料)

在自由膨胀条件下，随着氧化镁掺量增加，外掺氧化镁混凝土的孔隙率随之增加，造成抗渗性略有下降，由于我们试验研究不够深入，外掺氧化镁对常态混凝土抗渗、抗冻性的影响究竟有多大还无法定论，但可以通过提高粉煤灰掺量减小水胶比，掺优质外加剂（最好是减水剂与引气剂联掺），外掺氧化镁混凝土的抗渗、抗冻等级是完全可以满足设计要求的。
7、热学性能
7.1外掺氧化镁混凝土热学性能试验结果列于表8，为进行比较同时列出外掺氧化镁碾压混凝土和普通混凝土的试验结果。
外掺氧化镁混凝土热学性能试验结果表8

外掺氧化镁的热学性能与普通混凝土基本相同，无明显差别。由于我省几个工程外掺氧化镁混凝土均采用低坍落度（2-5cm），胶凝材料用量较低，与外掺氧化镁碾压混凝土热学性能也基本相同，外掺氧化镁对混凝土热学性能没有影响。

7.2绝热温升
根据室内水化热试验，在粉煤灰、外加剂掺量相同时，水泥水化热随氧化镁掺量的增加而略有增加，在氧化镁与外加剂掺量相同时，水泥水化热随粉煤灰掺量的增加而有较显著的降低。
根据试验结果（参见表10），外掺氧化镁混凝土的绝热温升与普通混凝土相比，还是比较低的。虽外掺氧化镁后，水泥水化热有所增加，但在我省几个工程实际应用中，均掺入30-40%的粉煤灰，同时掺用高效减水剂和采用四级配大粒径骨料，所以外掺氧化镁混凝土的单位水泥用量还是比较低的，在选用水泥时都尽量选用低热水泥，水泥矿物成分中发热量最大的C3A及C3S含量之和最好低于58%，这些都是外掺氧化镁混凝土绝热温升较低的原因。由于外掺氧化镁混凝土绝热温升较低，有利于混凝土防裂。
外掺氧化镁、水泥水化热试验表9

外掺氧化镁混凝土绝热温升试验结果表10
注：落脚河、马槽河绝热温升系根据水泥水化热进行计算而得。
8、膨胀变形性能
8.1自生体积膨胀

外掺氧化镁自生体积变形表11

老江底电站90d外掺氧化镁混凝土自身体积变形试验结果表12

备注：Ⅲ0.51F40M5表示三级配，水胶比0.51，F（粉煤灰）掺量40%，M（MgO）掺量5%

黄花寨电站碾压混凝土自生体积变形试验结果（×10-6）（20℃）表13

备注：Ⅱ0.52F40M5表示二级配，水胶比0.52，F（粉煤灰）掺量40%，M（MgO）掺量5%
外掺氧化镁混凝土在水化过程中，氧化镁吸水生成Mg(OH)2，即MgO+ H2O→Mg(OH)2，产生延迟性体积膨胀，这是外掺氧化镁混凝土的重要性能，从表17可看出，影响混凝土自生体积膨胀的首要因素是温度，混凝土配合比相同，温度越高，混凝土自生体积变形则越大。氧化镁的掺量对混凝土自生体积变形也有直接的影响，氧化镁的掺量越高，混凝土自生体积变形也越大。膨胀一般发生在7d以后，一年以后还继续缓慢膨胀，温度对早期膨胀率也有影响，如以180d的膨胀率为基准，根据我们试验结果的统计，温度与龄期对膨胀率的影响大致如下：
温度与龄期与外掺氧化镁膨胀率的关系表14

从表14可见：温度对混凝土早期膨胀率影响较大，对28d以后膨胀率影响不甚显著，因此外掺氧化镁混凝土早期保温显得比较重要。
对鱼简河大坝外掺氧化镁混凝土进行了观测，结果列于表15。

由表15可见，早龄期混凝土温度高，膨胀增量大，一年后温度已接近稳定温度场，膨胀发展变缓，第3年仍有3×10-6的膨胀增量，预计中下部坝体混凝土还会有2-10×10-6的膨胀增量，坝体接缝观测成果表明：坝体诱导缝、横缝、层面缝及坝体接触缝等均未张开，坝面未发现裂缝及渗水现象，表明混凝土后期的微膨胀起到了增强坝体的抗裂性能。
8.2徐变
沙老河水库外掺氧化镁混凝土(编号沙1，氧化镁掺率5.5%)，徐变试验结果列于表16。
沙老河水库外掺氧化镁混凝土徐变度表16

如以28d徐变度为基准，则不同加荷龄期持荷360d的相对徐变与加荷龄期的关系见表17。
相对徐变与加荷龄期关系表17

由表17、表18可见：混凝土的相对徐变随着加荷龄期的增大而减小，随时间的延长而增大，持荷90d的徐变可达180d的88%左右。
由于未进行不掺氧化镁混凝土的对比试验，只能与国内有关资料进行比较：外掺氧化镁混凝土的徐变与普通混凝土相比，增大约10-20%，对于温度应力和混凝土补偿应力都发生晚期的外掺氧化镁混凝土，后期徐变加大对温度应力和补偿应力有削减作用。
9结语
9.1 从我省几个工程外掺氧化镁混凝土的试验资料整理分析结果来看，外掺氧化镁混凝土力学强度、抗渗性能、抗冻性能均能满足设计要求，外掺氧化镁混凝土性能没有太大的影响。
9.2 外掺氧化镁混凝土自生体积变形与温度关系密切，与氧化镁的掺率也有直接影响，温度对早期膨胀率有较明显的影响，要获得期望的膨胀值，起到补偿混凝土在温降过程中产生收缩变形的作用，早期保温十分重要。
9.3 外掺氧化镁筑坝技术要更好更快的发展，要更加完善，对外掺氧化镁混凝土的各项性能还应进行更系统更深入的试验研究。