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【摘要】一般混凝土干了以后大多都有少许收缩，加了膨胀剂的混凝土，不但不收缩而且随着时间推移，有一定的自由膨胀量。在混凝土中掺氧化镁可使混凝土结构更加密实,提高了混凝土的抗渗性和抗冻性。氧化镁微膨胀混凝土具有良好的延迟微膨胀性能且自生体积膨胀稳定，可以在一定程度上改善混凝土的变形特性,有利于提高混凝土的抗裂能力。
【关键词】氧化镁 微膨胀混凝土 变形特性
微膨胀混凝土机理
膨胀剂简述
混凝土外加剂是在拌制混凝土的过程中掺入，用以改善混凝土的某些性能的物质，而膨胀剂是在混凝土或砂浆中引起膨胀的外加剂，它依靠本身的化学反应或与水泥其它成分反应，在水化期产生一定的限制膨胀，以补偿混凝土的收缩。其主要种类有：硫铝酸钙类、氧化钙类、氧化钙－硫铝酸钙类、氧化镁类。
膨胀剂主要用于以下三方面：
补偿收缩混凝土（砂浆）：其使用目的主要为减少混凝土（砂浆）干缩裂缝，提高抗裂性和抗渗性。适用范围主要为屋面防水、地下防水、基础后浇带（宽缝）及洞塞回填等。
填充用膨胀混凝土（砂浆）：其使用目的主要为提高机械设备和构件的安装质量，加快安装速度。适用范围主要为机械设备的底座灌浆、地脚螺栓的固定、防水堵漏等。
自应力混凝土（砂浆）：提高抗裂和抗渗性。仅用于常温下使用的自应力钢筋混凝土压力管。
微膨胀混凝土结构在未承载时的其物理力学状态
由于混凝土中配置一定的钢筋,工程中不可避免地存在着结构边界的约束作用,使各类变形均处于受挖状态。因此,普通混凝土存在的干缩、蠕变、温差效应所造成的收缩变形将产生拉应力,当这种拉应力大于混凝土极限拉应变时即出现裂缝。而采用微膨胀混凝土时,在强度增长过程中即产生体积膨胀,内部产生压应力和压应变,能补偿各种收缩变形,抵消相应产生的拉应力,有效地提高结构的抗裂性。由于膨胀变形时释放的大部分能量均发生在混凝土养护的早期阶段,此时尚处在塑性状态,故大量空隙易于被压缩密实。
机理分析
氧化镁水化产生体积膨胀，存在一个有效膨胀能的概念，即一部分膨胀能被强度吸收，一部分膨胀能用于调整水泥石孔结构，一部分膨胀能用于补偿混凝土的收缩，最后还有一部分膨胀能以混凝土体积膨胀的形式表现出来，也只有这最后一种膨胀能才是氧化镁混凝土的有效膨胀能。在水泥石与骨料界面区，晶体的排列具有很强的取向性且孔洞较多，这对混凝土的界面粘结将产生不利影响。对于氧化镁混凝土，由于水泥石与骨料界面区的水灰比相对较大，更有利于方镁石的缓慢水化，随着水化程度的深入，越来越多的水镁石晶体在界面区定向排列。所以水镁石晶体的生长发育会在一定程度上填充部分孔隙，改善混凝土结构密实度，有利于弹性模量和强度的增长、减小干缩；但由于界面区中晶体高度向生长且尺寸大，易使界面破坏发生在晶体内部，会加剧界面区的晶体取向排列程度，使混凝土在承受外部拉应力时易破坏，故掺氧化镁后混凝土极限拉伸值略有降低。
氧化镁微膨胀砼自生体积变形分析的计算
根据现有的试验成果，氧化镁微膨胀砼长期在恒温条件下以及在变温条件下的变形特性为：
在同一氧化镁掺量下，不同恒温温度下的膨胀量是不同的。
在变温场条件下，从低温到高温，当膨胀未完成时，仍会继续有较大的膨胀变形，而从高温到低温时，膨胀量不会减少，但增加量很小。
变形的单调递增及其不可逆性。
长期膨胀变形是稳定的。计算模型和方法以此为基础。
自生体积的计算与原型观测对比分析
引入当量龄期法的双曲线模型
在不同恒温条件下室内试验的氧化镁砼自生体积变形结果为例，根据室内试验资料和经验，确定不同恒温条件下相应的极限膨胀量
自生体积的监测及成果整理
現场测定混凝土在恒温绝湿的条件下，仅仅由于胶凝材料的水化作用引起的体积变形为自生体积变形。
监测资料的对比
应用以上所建立的双曲线模型，采用两种方法对该工程现场原型实测的结果进行计算预测，并与现场原型实测结果进行比较。
氧化镁微膨胀混凝土的自生体积变形
外掺氧化镁微膨胀混凝土自生体积变形的一般规律
氧化镁混凝土具有良好的延迟微膨胀性能，其膨胀量主要发生在7~ 90 d, 并随龄期的增长而增大; 膨胀速率则是早期大、后期小, 在7~ 28 d最大。大体积混凝土一般在早期产生化学收缩, 中期产生温度收缩, 因此利用好氧化镁混凝土的延迟膨胀性能，既能补偿早期的化学收缩，又能使混凝土产生一定的预压应力，从而削减它在温降过程中产生的拉应力，补偿混凝土的温降收缩，提高混凝土的抗裂能力。氧化镁微膨胀混凝土的自生体积膨胀是稳定的，不存在突变现象当氧化镁 的水化反应完毕后, 混凝土的膨胀变形就结束, 并长期保持稳定状态。
养护温度对外掺氧化镁微膨胀混凝土自生
体积变形的影响为了分析养护温度对氧化镁微膨胀混凝土自生体积变形的影响, 养护温度高, 其自生体积变形膨胀量则大, 且各种养护温度下的膨胀过程曲线趋势相近, 符合化学变形的一般规律, 即化学反应速率和温度成正比. 混凝土早期的膨胀速率随着养护温度的增高而增大, 后期则相反,养护温度越高, 膨胀速率较早期衰减得越快. 温度对外掺氧化镁 混凝土自生体积变形的这种影响, 对补偿大体积混凝土的温度变形非常有利.
外掺氧化镁微膨胀混凝土的徐变性能
混凝土的徐变性能对于持续荷载作用下的应力有着重要影响, 尤其是混凝土施工期的温度应力. 在早期加荷、长期荷载的情况下混凝土的徐变度很大,对缓解其温度应力有利. C50 氧化镁微膨胀混凝土的徐变也起着相同的应力缓解作用. 徐变性能试验C50 氧化镁微膨胀混凝土的徐变度和普通混凝土相比增大了约10%~ 20%. 加荷龄期较早时, 在持荷龄期180 d 以前, C50 氧化镁微膨胀混凝土与普通混凝土徐变度之比随加荷龄期的增加而逐渐加大; 加荷龄期180 d 时, C50 氧化镁膨胀混凝土与普通混凝土徐变度较接近. 因此可以判断, 外掺氧化镁增大了混凝土的徐变度, 对于温度应力和混凝土补偿应力都发生在晚期的氧化镁 混凝土, 后期徐变度的加大对其温度应力和补偿应力均有削减作用。
结论
在混凝土中掺氧化镁可提高混凝土抗裂性。通过分析了氧化镁对混凝土变形性能的影响机理。试验研究了外掺氧化镁混凝土的弹性模量、极限拉伸值、干缩率、自生体积变形等变形性能，并探讨分析了氧化镁对混凝土变形性能的影响机理。结果表明，外掺氧化镁的混凝土弹性模量与未掺的基本相当,极限拉伸值和干缩率小幅降低,自生体积变形从收缩转为微膨胀。
【关键词】氧化镁 微膨胀混凝土 变形特性
微膨胀混凝土机理
膨胀剂简述
混凝土外加剂是在拌制混凝土的过程中掺入，用以改善混凝土的某些性能的物质，而膨胀剂是在混凝土或砂浆中引起膨胀的外加剂，它依靠本身的化学反应或与水泥其它成分反应，在水化期产生一定的限制膨胀，以补偿混凝土的收缩。其主要种类有：硫铝酸钙类、氧化钙类、氧化钙－硫铝酸钙类、氧化镁类。
膨胀剂主要用于以下三方面：
补偿收缩混凝土（砂浆）：其使用目的主要为减少混凝土（砂浆）干缩裂缝，提高抗裂性和抗渗性。适用范围主要为屋面防水、地下防水、基础后浇带（宽缝）及洞塞回填等。
填充用膨胀混凝土（砂浆）：其使用目的主要为提高机械设备和构件的安装质量，加快安装速度。适用范围主要为机械设备的底座灌浆、地脚螺栓的固定、防水堵漏等。
自应力混凝土（砂浆）：提高抗裂和抗渗性。仅用于常温下使用的自应力钢筋混凝土压力管。
微膨胀混凝土结构在未承载时的其物理力学状态
由于混凝土中配置一定的钢筋,工程中不可避免地存在着结构边界的约束作用,使各类变形均处于受挖状态。因此,普通混凝土存在的干缩、蠕变、温差效应所造成的收缩变形将产生拉应力,当这种拉应力大于混凝土极限拉应变时即出现裂缝。而采用微膨胀混凝土时,在强度增长过程中即产生体积膨胀,内部产生压应力和压应变,能补偿各种收缩变形,抵消相应产生的拉应力,有效地提高结构的抗裂性。由于膨胀变形时释放的大部分能量均发生在混凝土养护的早期阶段,此时尚处在塑性状态,故大量空隙易于被压缩密实。
机理分析
氧化镁水化产生体积膨胀，存在一个有效膨胀能的概念，即一部分膨胀能被强度吸收，一部分膨胀能用于调整水泥石孔结构，一部分膨胀能用于补偿混凝土的收缩，最后还有一部分膨胀能以混凝土体积膨胀的形式表现出来，也只有这最后一种膨胀能才是氧化镁混凝土的有效膨胀能。在水泥石与骨料界面区，晶体的排列具有很强的取向性且孔洞较多，这对混凝土的界面粘结将产生不利影响。对于氧化镁混凝土，由于水泥石与骨料界面区的水灰比相对较大，更有利于方镁石的缓慢水化，随着水化程度的深入，越来越多的水镁石晶体在界面区定向排列。所以水镁石晶体的生长发育会在一定程度上填充部分孔隙，改善混凝土结构密实度，有利于弹性模量和强度的增长、减小干缩；但由于界面区中晶体高度向生长且尺寸大，易使界面破坏发生在晶体内部，会加剧界面区的晶体取向排列程度，使混凝土在承受外部拉应力时易破坏，故掺氧化镁后混凝土极限拉伸值略有降低。
氧化镁微膨胀砼自生体积变形分析的计算
根据现有的试验成果，氧化镁微膨胀砼长期在恒温条件下以及在变温条件下的变形特性为：
在同一氧化镁掺量下，不同恒温温度下的膨胀量是不同的。
在变温场条件下，从低温到高温，当膨胀未完成时，仍会继续有较大的膨胀变形，而从高温到低温时，膨胀量不会减少，但增加量很小。
变形的单调递增及其不可逆性。
长期膨胀变形是稳定的。计算模型和方法以此为基础。
自生体积的计算与原型观测对比分析
引入当量龄期法的双曲线模型
在不同恒温条件下室内试验的氧化镁砼自生体积变形结果为例，根据室内试验资料和经验，确定不同恒温条件下相应的极限膨胀量
自生体积的监测及成果整理
現场测定混凝土在恒温绝湿的条件下，仅仅由于胶凝材料的水化作用引起的体积变形为自生体积变形。
监测资料的对比
应用以上所建立的双曲线模型，采用两种方法对该工程现场原型实测的结果进行计算预测，并与现场原型实测结果进行比较。
氧化镁微膨胀混凝土的自生体积变形
外掺氧化镁微膨胀混凝土自生体积变形的一般规律
氧化镁混凝土具有良好的延迟微膨胀性能，其膨胀量主要发生在7~ 90 d, 并随龄期的增长而增大; 膨胀速率则是早期大、后期小, 在7~ 28 d最大。大体积混凝土一般在早期产生化学收缩, 中期产生温度收缩, 因此利用好氧化镁混凝土的延迟膨胀性能，既能补偿早期的化学收缩，又能使混凝土产生一定的预压应力，从而削减它在温降过程中产生的拉应力，补偿混凝土的温降收缩，提高混凝土的抗裂能力。氧化镁微膨胀混凝土的自生体积膨胀是稳定的，不存在突变现象当氧化镁 的水化反应完毕后, 混凝土的膨胀变形就结束, 并长期保持稳定状态。
养护温度对外掺氧化镁微膨胀混凝土自生
体积变形的影响为了分析养护温度对氧化镁微膨胀混凝土自生体积变形的影响, 养护温度高, 其自生体积变形膨胀量则大, 且各种养护温度下的膨胀过程曲线趋势相近, 符合化学变形的一般规律, 即化学反应速率和温度成正比. 混凝土早期的膨胀速率随着养护温度的增高而增大, 后期则相反,养护温度越高, 膨胀速率较早期衰减得越快. 温度对外掺氧化镁 混凝土自生体积变形的这种影响, 对补偿大体积混凝土的温度变形非常有利.
外掺氧化镁微膨胀混凝土的徐变性能
混凝土的徐变性能对于持续荷载作用下的应力有着重要影响, 尤其是混凝土施工期的温度应力. 在早期加荷、长期荷载的情况下混凝土的徐变度很大,对缓解其温度应力有利. C50 氧化镁微膨胀混凝土的徐变也起着相同的应力缓解作用. 徐变性能试验C50 氧化镁微膨胀混凝土的徐变度和普通混凝土相比增大了约10%~ 20%. 加荷龄期较早时, 在持荷龄期180 d 以前, C50 氧化镁微膨胀混凝土与普通混凝土徐变度之比随加荷龄期的增加而逐渐加大; 加荷龄期180 d 时, C50 氧化镁膨胀混凝土与普通混凝土徐变度较接近. 因此可以判断, 外掺氧化镁增大了混凝土的徐变度, 对于温度应力和混凝土补偿应力都发生在晚期的氧化镁 混凝土, 后期徐变度的加大对其温度应力和补偿应力均有削减作用。
结论
在混凝土中掺氧化镁可提高混凝土抗裂性。通过分析了氧化镁对混凝土变形性能的影响机理。试验研究了外掺氧化镁混凝土的弹性模量、极限拉伸值、干缩率、自生体积变形等变形性能，并探讨分析了氧化镁对混凝土变形性能的影响机理。结果表明，外掺氧化镁的混凝土弹性模量与未掺的基本相当,极限拉伸值和干缩率小幅降低,自生体积变形从收缩转为微膨胀。