外掺氧化镁混凝土在向家坝水电站工程中的试验 研究和应用

【摘要】;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裂缝，以取代或部分取代混凝土的温控措施。本文从外掺氧化镁混凝土力学强度、变形性能、耐久性能、热学性能、自生体积变形性能等，进行全面系统的分析，以便能全面系统的深入的了解外掺氧化镁混凝土的各种性能，解决大体积混凝土温度裂缝问题，提高混凝土工程的整体性。不断积累外掺氧化镁混凝土工程应用经验，逐步完善应用技术，积极推广外掺氧化镁混凝土技术在大型水电工程中的应用。

【关键词】;外掺氧化镁剂混凝土；性能；热学性能；自生体积膨胀；试验研究

中图分类号： TV331 文献标识码： A

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，从而减化大坝混凝土施工工艺，可大大加快工程的进度。为了使外掺氧化镁混凝土施工技术得到推广和应用，不断积累外掺氧化镁混凝土工程应用经验，逐步完善应用技术，积极推广外掺氧化镁混凝土技术在大型水电工程中的应用，有必要对外掺氧化镁混凝土性能进行深入细致的试验研究。

2、混凝土原材料试验

2.1水泥

试验采用42.5中热硅酸盐水泥，根据向家坝工程标准，为了减少对混凝土温控的影响，规定了水泥比表面积在250kg/m3~320kg/m3之间；为了充分利用MgO的微膨胀特性，提出了MgO含量的下限值要大于5.0%的要求；灰岩骨料虽为非活性骨料，但是考虑到工程耐久性，规定了水泥碱含量不得超过0.6%；由于对比表面积的范围做了缩小规定，可能导致3d强度达不到国标要求，因此3d强度不作为强制性控制指标；为确保混凝土均匀性和质量，28d抗压强度控制在（49.5±4.0）MPa之间，为提高混凝土抗裂性能，28d抗折强度不小7.5MPa；为了减少混凝土的水化温升，3d水化热不大于241kJ/kg，7d水化热不大于283kJ/kg，水泥的各项检测指标均高于国家标准要求。检测结果见表2.1-1、表2.1-2。

表2.1-1水泥物理性能检测结果

表2.1-2水泥化学性能及水化热检测结果

2.2粉煤灰

试验采用Ⅰ级粉煤灰，可有效降低混凝土单位用水量，考虑到工程的耐久性，对粉煤灰的碱含量做出了不超过2.5%的技术要求。检测结果均满足工程要求。检查结果见表2.2-1。

表2.2-1粉煤灰品质检测结果

2.3骨料

混凝土所需砂石骨料岩性为石灰岩，石灰岩具有较好的加工性、磨光性和良好的胶结性能，颗粒形状均匀，针片状含量低，对混凝土单位用水量、胶凝材料用量、砂率和拌和物质量的稳定性起到积极的作用。灰岩中不含云母，粗细骨料质地坚硬、清洁、级配良好。

2.3.1细骨料

试验采用中砂，级配合理。为充分利用人工砂的石粉微集料（主要是指粒径小于0.16mm的石粉颗粒）效应，特别是小于0.08mm石粉在混凝土中的作用，常态混凝土用人工砂石粉含量控制在（10~15）%。配合比试验时人工砂石粉含量为13.0%，细度模数为2.69，各项性能指标检测结果均满足向家坝工程质量标准。检测结果见表2.3-1。

表2.3-1细骨料品质检测结果

2.3.2粗骨料

在混凝土配合比设计时，二级配骨料比例均为小石：中石=50:50；三级配骨料比例为小石：中石：大石=25：25：50，此时虽然骨料的紧密堆积密度不是最大，但是混凝土拌和物的抗分离性能较强。各项性能指标检测结果均满足向家坝工程质量标准。检测结果见表2.3-2。

表2.3-2粗骨料品质检测结果

2.4外加剂

经过对多个厂家的外加剂进行掺减水剂水泥胶砂流动度试验、外加剂均质性试验、掺外加剂混凝土性能试验以及减水剂和引气剂联掺试验，最终确定江苏博特新材料有限公司生产的JM-ⅡC缓凝高效减水剂、JM-PCA(1)型高性能减水剂和浙江龙游ZB-1G引气剂与各类其他混凝土原材料适应性较好，性能比较稳定。外加剂的各项性能均满足《水工混凝土外加剂技术规程》（DL/T5100-1999）外加剂技术要求。检测结果见表2.4-1、表2.4-2。

表2.4-1 掺外加剂混凝土性能检测结果

外加剂

表2.4-2 外加剂匀质性检测结果

2.5轻烧MgO

轻烧氧化镁有江苏博特新材料有限公司提供，活性度为100s（从氧化镁加入到一定浓度的柠檬酸溶液，至柠檬酸溶液呈中性时所需的时间既称为活性度，活性度越高，氧化镁的反应活性越小）。轻烧氧化镁德尔各项检测结果均满足《水工混凝土掺用氧化镁技术规程》的技术要求。检测结果见表2.5-1。

表2.5-1氧化镁品质检测结果

3、混凝土性能

3.1不同掺量氧化镁混凝土施工配合比及拌和物性能

以现场混凝土施工配合比作为基准配合比，将江苏博特新材料有限公司提供的活性度为100s的氧化镁膨胀剂作为外加剂掺入混凝土，随着氧化镁掺量的变化，调整砂率和外加剂掺量，以保持相同的胶凝材料用量及坍落度范围。经过试拌和调整后的混凝土配合比和拌和物性能见表3.1-1、表3.1-2。

表3.1-1 外掺氧化镁混凝土配合比参数

表3.1-2外掺氧化镁混凝土拌和物性能试验结果

从表3.1-1试验结果可以看出：

（1）将氧化镁作为外加剂掺入混凝土，为保持相同的用水量和拌和物性能，需适当增加减水剂的掺量、降低砂率。

（2）与基准混凝土相比，掺入氧化镁对混凝土的坍落度损失影响比较大，对含气量损失影响较小。

3.2不同掺量氧化镁混凝土力学性能

不同掺量氧化镁混凝土的抗压强度、劈拉强度和轴拉强度试验结果见表3.2-2。

表3.2-2外掺氧化镁混凝土随氧化镁掺量的强度增长率

.表3.2-1外掺氧化镁混凝土的力学、变形及耐久性能检测结果

从表3.2-2试验结果看：

（1）外掺氧化镁混凝土的各龄期抗压强度均随着氧化镁掺量的增加而增加。掺量为2%时，混凝土抗压强度增长率在102%~107%范围；掺量为4%时，混凝土抗压强度增长率在105%~116%范围；掺量为6%时，混凝土抗压强度增长率在106%~144%范围。

（2）外掺氧化镁混凝土的各龄期劈拉强度均随着氧化镁掺量增加而增加。掺量为2%时，混凝土劈拉强度增长率在98%~109%范围；掺量为4%时，混凝土劈拉强度增长率在104%~119%范围；掺量为6%时，混凝土劈拉强度增长率在107%~135%范围。

（3）外掺氧化镁混凝土的轴拉强度均随着氧化镁掺量增加而增加。掺量为2%时，混凝土轴拉强度增长率在103%~108%范围；掺量为4%时，混凝土轴拉强度增长率在109%~112%范围；掺量为6%时，混凝土轴拉强度增长率在107%~114%范围。

（4）混凝土抗压强度、劈拉强度和轴拉强度随着氧化镁掺量的变化趋势一致，均随着氧化镁掺量的增加而增加。这是因为氧化镁是以外加剂形式掺入混凝土中，在一定程度上降低混凝土的实际水胶比，因此混凝土的强度得到了一定的提高。

（5）水胶比相同时，泵送混凝土抗压强度、劈拉强度和轴拉强度比常态混凝土高，分析原因，这可能是由于泵送混凝土采用的聚羧酸高效减水剂的强度增长率高的原因。

3.3氧化镁混凝土变形性能

混凝土的弹性模量与极限拉伸值是关乎混凝土变形性能主要参考指标，特别是极限拉伸值，能比较直观反映混凝土的变形能力，极限拉伸值大，混凝土的抗裂性能就好。影响混凝土弹性模量与极限拉伸变形的影响因素较多，主要有水泥品种、水胶比、掺合料、骨料级配及种类、龄期等。混凝土弹性模量和极限拉伸值试验结果见表3.2-1从表3.2-1试验结果看：

（1）混凝土的弹性模量与强度变化趋势一致，外掺氧化镁后混凝土的弹性模量略有增加。

（2）与基准混凝土相比，外掺氧化镁混凝土极限拉伸值有随氧化镁掺量增加而增加的趋势。水胶比为0.42和0.45的氧化镁常态混凝土极限拉伸值分别在78×10-6~89×10-6、70×10-6~77×10-6之间，水胶比为0.42的氧化镁泵送混凝土极限拉伸值在92×10-6~114×10-6之间。

3.4氧化镁混凝土的耐久性能

进行了氧化镁掺量为0、4%，配合比编号分别为X1、X3、X5、X7、X9、X11的混凝土抗渗、抗冻性能试验，抗渗、抗冻性能试验结果见表3.2-1。从表3.2-1试验结果看：

（1）水胶比为0.42，氧化镁掺量分别为0、4%的常态混凝土抗渗等级均达到W10的设计要求，渗水高度相当。

（2）氧化镁掺量为4%的常态混凝土和泵送混凝土150次冻融循环后，质量损失率略高于未掺氧化镁的基准混凝土，相对动弹性模量也较高。

3.5氧化镁混凝土的热学性能

进行了氧化镁掺量为4%，配合比编号分别为X3、X7的混凝土比热、导温系数、导温系数测定的试验，试验结果见表3.5-1。

表3.5-1掺氧化镁混凝土热学试验结果

从表3.5-1试验结果表明：

（1）常态混凝土的比热为0.958KJ/kg.℃；导温系数为2.8239×103m2/h；导热系数测定1.76 KJ/m.h. ℃。

（2）泵送混凝土的比热为1.026KJ/kg.℃；导温系数为2.8162×103m2/h；导热系数测定1.86 KJ/m.h. ℃。

3.6氧化镁混凝土的自生体积变形性能

进行了养护温度分别为20℃和38℃，氧化镁掺量在0~12%范围、氧化镁活性度为100s的外掺氧化镁混凝土的自生体积变形试验，试验结果见表3.6-1、表3.6-2和图3.1、图3.2

表3.6-1外掺氧化镁混凝土自生体积变形（20℃）

从试验结果看：

（1）由于本次试验采用的42.5中热水泥，养护温度为20℃时，未掺氧化镁的基准混凝土的自生体积变形开始虽然呈现微收缩变形，但收缩值仅为2×10-6，随后混凝土呈现微膨胀变形，在5d龄期膨胀值达到15×10-6的最高值，随着龄期增长，混凝土自生体积变形膨胀值逐渐降低，到28d龄期膨胀值为6×10-6。

（2）掺入氧化镁后，混凝土自生体积变形膨胀值增加，且氧化镁掺量越高混凝土自生体积膨胀变形越大。养护温度为20℃，掺入活性指数100s氧化镁，氧化镁掺量分别为0%、2%、4%、6%时，混凝土28d自生体积膨胀分别为6×10-6、11×10-6、26×10-6、37×10-6；养护温度为38℃，掺入活性指数100s氧化镁，氧化镁掺量分别为0%、2%、4%、6%时，混凝土28d自生体积膨胀分别为16×10-6、22×10-6、57×10-6、72×10-6。

（3）从试验结果看，氧化镁掺量在4%以内时，混凝土自生体积变形在21d龄期后趋于稳定，氧化镁掺量达到或超过6%时，混凝土自生体积变形在21d龄期后仍处于保持增长趋势。

（4）养护温度对外掺氧化镁混凝土自生体积变形的影响显著。与养护温度为20℃的氧化镁混凝土相比，养护温度为38℃，氧化镁掺量分别为0%、2%、4%、6%时，混凝土28d自生体积膨胀分别增加了10×10-6、11×10-6、31×10-6、35×10-6。

4、外掺氧化镁混凝土在向家坝导流底孔封堵混凝土施工应用情况

4.1氧化镁膨胀剂的掺入方式

在混凝土实际生产过程中，氧化镁膨胀剂的掺入方式为，生产二级配（或三级配）混凝土时，先将各类混凝土原材料衡量完成后，再将活性指数为100s、掺量为4%的MgO膨胀剂人工加入小石（或中石）料斗，然后按照预定的投料顺序投料拌和，拌和时间延长30s，延长至180s。

4.2氧化镁膨胀剂均匀性试验

在导流底孔氧化镁混凝土施工时，进行了MgO膨胀剂均匀性试验。混凝土拌和物搅拌时间在原来150s的基础上分别延长10s、20s、30s，均在搅拌罐口、搅拌罐尾取样，检测MgO膨胀剂在混凝土拌和物中的均匀性。检测结果见表5.2-1。

表4.2-1氧化镁膨胀剂均匀性检测结果

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4.3 施工过程中外掺氧化镁混凝土取样检测情况

在导流底孔封堵混凝土施工过程中，我们分别对左岸1#、3#、5#导流底孔的序号为X3、X7、X11配合比的氧化镁混凝土进行了抗压强度、劈拉强度、变形性能和耐久性能取样和检测，从检测结果看，氧化镁混凝土的性能均优于未掺氧化镁的混凝土性能。

4.3.1外掺氧化镁混凝土的强度检测

掺氧化镁泵送和常态混凝土强度性能检测统计结果见表4.3.1-1。

表4.3.1-1外掺氧化镁混凝土强度检测结果

4.3.2 外掺氧化镁混凝土耐久性能及变形性能检测

掺氧化镁泵送和常态混凝土进行了耐久性及变形性能检测统计结果见表4.3.2-1。

表4.3.2-1外掺氧化镁混凝土变形及耐久性能检测结果

5、结论

（1） 当氧化镁以外加剂形式掺入混凝土中，在一定程度上降低了混凝土的实际水胶比，因此混凝土抗压强度、劈拉强度和轴拉强度均随氧化镁掺量增加而增加。

（2） 水胶比相同时，泵送混凝土抗压强度、劈拉强度和轴拉强度比常态混凝土高，这可能是由于泵送混凝土采用的聚羧酸高效减水剂的强度增长率较高的原因。

（3） 混凝土的弹性模量与强度变化趋势一致，外掺氧化镁后混凝土的弹性模量略有增加。

（4） 与基准混凝土相比，外掺氧化镁混凝土极限拉伸值有随氧化镁掺量增加而增加的趋势。氧化镁掺量在4%以内时，混凝土自生体积变形在21d龄期后趋于稳定，氧化镁掺量达到或超过6%时，混凝土自生体积变形在28d龄期后仍处于保持增长趋势。

（5）水胶比为0.42，氧化镁掺量分别为0、4%的常态混凝土抗渗等级均达到W10的设计要求，渗水高度相当。

（6）氧化镁掺量为4%的常态混凝土和泵送混凝土150次冻融循环后，质量损失率略高于未掺氧化镁的基准混凝土，相对动弹性模量也较高。

（7） 掺入氧化镁后，混凝土自生体积变形膨胀值增加，且氧化镁掺量越高混凝土自生体积膨胀变形越大；养护温度对外掺氧化镁混凝土自生体积变形的影响显著。随着养护温度增加，氧化镁活性度对混凝土自生体积变形影响越小。

（8） 氧化镁膨胀剂使用注意事项

使用氧化镁膨胀剂时，必须结合具体工程使用的原材料和由应力补偿分析决定的膨胀量，通过室内试验确定氧化镁膨胀剂的适宜掺量。目前确定氧化镁膨胀剂的掺量主要依据是《水泥安定性试验方法-压蒸发》（GB75-1999）,以水泥净浆试件的压蒸膨胀率不超过0.5%来确定氧化镁的掺量，其值一般为胶凝材料的4%~6%。同时氧化镁膨胀剂的掺入方式有待于完善，目前我们正在进行氧化镁膨胀剂按比例掺入混凝土掺合料方式试验，解决氧化镁膨胀剂在混凝土中均匀性，确保氧化镁混凝土的抗裂性和安全性。

总之，通过对外掺氧化镁混凝土的力学性能、变形性能、耐久性能、热学性能和自生体积变形性能进行了总结分析，认为氧化镁混凝土具有良好的力学性能和延迟膨胀特性，其长期力学性能是稳定的，外掺氧化镁混凝土能显著改善混凝土的变形性能和长期的耐久性能，提高了混凝土自身的抗裂能力，从而达到简化大体积混凝土的温控措施，加快施工进度和节省工程投资的目的。

作者简介：杨鹏飞（1975- ），男，工程师，主要从事水工混凝土配合比试验研究和混凝土质量控制研究。