2.9 氧化镁混凝土性能的影响因素

影响普通混凝土性能的各种因素都是影响外掺氧化镁混凝土性能的因素，包含组成混凝土的各种原材料的性质。将氧化镁膨胀剂掺入各种水泥混凝土中都能够产生自生体积膨胀，增强混凝土的密实性，改善混凝土的质量，提高混凝土的性能，所以总体而言，氧化镁混凝土的各项基本性能均优于普通混凝土。同时，氧化镁混凝土的自生体积膨胀能够全部或部分补偿混凝土的温降收缩和温度变形，有助于解决大体积混凝土的温控防裂问题，从而提高混凝土结构物的长期耐久性能，延长混凝土建筑物的使用年限。

2.9.1 水泥品种

混凝土的性能与水泥的性质密不可分，即与水泥的化学成分和矿物组成（C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF）密切相关。水泥的矿物组分及其含量不同，混凝土的各项性能就会有差异。如使用C₄AF含量较大的水泥，混凝土的变形性能就好，即混凝土的徐变大、极限拉伸值大、干缩小，抗裂性能好；又如使用C₃A含量大的水泥，其水化速率快，混凝土的水化热大、干缩也大。大量工程实践表明，有的水泥收缩大，有的收缩小，有的水泥不仅不缩甚至还有微膨胀。所以，优选水泥品种，再掺氧化镁，可以得到比较理想的自生体积膨胀变形过程线。

研究表明，掺氧化镁的硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥和粉煤灰水泥，在相同试验条件下，硅酸盐水泥的压蒸膨胀率大于普通水泥、矿渣水泥和粉煤灰水泥。这是因为，水泥的水化产物高硫型水化硫铝酸钙（即钙矾石）是低温膨胀物质，在高温下不稳定（会脱水分解），不以针状结晶体的钙矾石形态存在，多为单硫型水化硫铝酸钙的连续固溶体，不起膨胀作用。但是，用它们配制的混凝土的体积膨胀变形规律却是矿渣水泥大于普通水泥、硅酸盐水泥和粉煤灰水泥。例如，掺4.4%的氧化镁、分别使用抚顺硅酸盐水泥和矿渣水泥配制的氧化镁混凝土，在龄期180d、365d、730d的自生体积变形分别为30.0×10^-6、39.8×10^-6、46.1×10^-6和64.9×10^-6、79.6×10^-6、92.4×10^-6。在水泥中加入矿渣，不仅使掺氧化镁混凝土的自生体积膨胀变形增大，还因减少了Ca（OH）₂和C₃A，混凝土的抗蚀能力增强，水化热降低。所以，凡是有条件的水利水电工程，应首选矿渣掺合料或矿渣水泥来配制外掺氧化镁混凝土，这不仅可获得较大膨胀量，而且它的抗蚀性好、水化热低。可以认为，矿渣水泥是配制氧化镁混凝土的较理想的水泥品种，值得推广使用。另外在实践中，可根据工程需要要求水泥厂仔细调配原料，得到所需要的理想水泥。水泥矿物成分对其各项性能的影响见表2.9-1。

2.9.2 掺合料

在混凝土中是否掺入掺合料、掺何种掺合料、掺多掺少及掺好掺差，对混凝土的性能影响较大。

研究表明，1000gⅠ级粉煤灰的胶砂强度可等于1000g水泥的胶砂强度。从微观分析看，Ⅰ级粉煤灰的减水增强作用是由其微集料效应和形态效应决定的。粉煤灰颗粒越细，比表面积越大，水化程度及活性越高。并且，Ⅰ级粉煤灰含有大量玻璃微珠，将其掺入混凝土后，能降低水泥浆黏度和颗粒之间的摩擦力，并使水泥颗粒均匀分布和填充在胶凝材料孔隙的水量减少，从而起到减水增强的效果。如成都电厂采用电收尘方式收集的Ⅰ级粉煤灰，它的玻璃体球形珠含量高、表面光滑、颗粒细、烧失量小，其SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃总含量达到87.1%～90.6%，70℃蒸养强度比可达到180%，活性高，火山灰反应能力强。另外，粉煤灰还具有微粉效应，其微细粉可进入水泥颗粒构成的网状絮凝结构中，使水化物析出的有效空间增大，从而加速水泥与粉煤灰的水化反应。

混凝土中掺入粉煤灰，会使混凝土的早期强度降低、后期强度提高、徐变度增大、干缩和体积变形减小、水泥水化热和绝热温升值降低、抗蚀性提高，抗冻能力也比使用火山灰水泥的混凝土好，还可提高混凝土的极限拉伸值，故抗裂性能好。若同时掺入氧化镁，混凝土的性能更好。研究表明，掺入粉煤灰和矿渣，使水泥浆体的碱度降低和水泥石结构的毛细孔、总孔率增多，造成部分水镁石晶体往孔隙中生长，氧化镁水泥产生的膨胀减小，表现为粉煤灰和矿渣对氧化镁的膨胀具有抑制作用。并且，粉煤灰的抑制膨胀变形能力大于矿渣。矿渣的化学成分不同，活性就不同。活性指数K=（CaO+MgO+Al₂O₃）÷（SiO₂+MnO+TiO₂）≥1.2，K值愈大，活性愈高。从矿渣成粒机理看，矿渣骤冷，黏度增加快，形成玻璃质和细微粒结晶的物质，即粒化高炉矿渣。不饱和状态的粒化矿渣玻璃质实际是一种网状微晶结构。水化产物Ca（OH）₂与Mg（OH）₂会使溶液中的OH-浓度增高，它可进入矿渣网状结构与活性阳离子反应，使Ca²⁺离子浓度增加，破坏硅质骨架。若再加入石膏，可同水化铝酸盐反应生成稳定的水化硫铝酸盐，即可加速水化，促进膨胀，增加膨胀量。

掺合料的掺量对混凝土的自生体积变形也存在影响。粉煤灰掺量在30%以内时，它对氧化镁混凝土的自生体积膨胀变形影响不大，但当粉煤灰掺量超过40%时，自生体积膨胀变形才明显减小。

与未掺粉煤灰的混凝土相比，粉煤灰的掺入使混凝土前期的自生体积变形增大，后期的自生体积变形减小，其转折发生时间与粉煤灰的掺量及是否掺氧化镁有关。一般情况是，粉煤灰的掺量较小时（如30%），转变较早（约60d前）；粉煤灰掺量较大时（如50%），转变较晚（约240d后）。这可能是因为粉煤灰的掺入降低了混凝土的早期强度和弹性模量，在相同的氧化镁外掺量（即膨胀能相当）情况下，混凝土的自生体积膨胀变形增大。但随着混凝土龄期的延长，粉煤灰混凝土的强度和弹性模量逐渐提高。当到达某一时间时，掺粉煤灰混凝土的强度和弹性模量将高于未掺粉煤灰的混凝土，此后的变形则小于未掺粉煤灰的混凝土。另外，就掺5%的氧化镁与不掺氧化镁的粉煤灰混凝土比较，不掺氧化镁的粉煤灰混凝土，自生体积变形转变发生的时间较晚，掺5%氧化镁的粉煤灰混凝土转变较早。

2.9.3 外加剂

我国的外加剂已有近200种，并已广泛用于混凝土工程中，广大科技人员已把混凝土外加剂视为混凝土的第五种必要的组成材料。工程界普遍采用混凝土外加剂作为节约水泥、减少温度裂缝、提高耐久性能、降低工程造价的有效措施，同时也是提高混凝土质量、改善混凝土性能、加快施工速度、改善施工工艺的重要途径。减水剂可使混凝土用水量减少10%～40%，是配制高品质混凝土及超高强混凝土不可缺少的材料。在我国水利水电行业中，一般多采用复合萘系高效减水剂，减水率可达到20%～30%，主要用来配制高强度、高流态、需要大量降低用水量的混凝土，其技术经济效益十分显著。如三峡工程采用ZB-1A高效减水剂、DH₉引气剂与Ⅰ级粉煤灰联掺后，单位用水量降至85kg，达到了国际先进水平。

对于采用标准砂和工程砂制作的砂浆和混凝土试体，当掺用不同品种的外加剂时，在相同条件下，外掺氧化镁的水泥砂浆和混凝土试体的压蒸膨胀率是不同的。缓凝型外加剂对压蒸膨胀率的影响比减水型大；砂浆试件掺外加剂比不掺的大，其压蒸膨胀率变化也较大，两者的极限掺量相差1%左右；混凝土试件掺外加剂比不掺的小，其压蒸膨胀率变化较小，两者的极限掺量接近。

2.9.4 骨料及其级配

选择性质优良和合格的骨料是保证混凝土具有良好耐久性和强度的前提条件，还能使工程产生明显的经济效益。粗细骨料是指拌和混凝土用的砂石料。其中，细骨料分天然砂和人工砂（粒径小于5mm的岩石颗粒），粗骨料分卵石和碎石（粒径大于5mm的岩石颗粒）。水工混凝土多用中砂，细度模数在2.4～2.8，用其配制的混凝土拌和物的和易性好，混凝土的强度较高、抗冻性也较高。人工砂中的石粉含量是指粒径小于0.16mm的颗粒中小于0.075mm的微细颗粒含量，规范值为6%～18%。采用上限可改善混凝土的和易性、抗分离性，提高强度和抗渗能力，还可降低生产成本。若超过上限，混凝土的干缩值可能增加。如砂率过大，砂石总表面积及空隙率增大，混凝土变得干稠，流动性差；如砂率过小，砂浆量不足，不能在石子周围形成足够的砂浆层起润滑作用，会使坍落度降低，影响黏聚性和保水性，混凝土显得粗涩，石子离析、水泥浆流失。为保证混凝土拌和物的质量，应通过试验确定最佳砂率。

岩石的抗压强度、弹模、泊松比在一定程度上影响混凝土的弹模、徐变、收缩和线膨胀系数。如相同配合比，不同种类岩石混凝土的收缩值是不同的。观测5年混凝土的收缩大小顺序是：砂岩＞玄武岩＞花岗岩＞石灰岩＞石英岩。又如相同配合比，不同骨料混凝土的徐变值也是不同的。测试7年混凝土的徐变大小顺序是：砂岩＞玄武岩＞花岗岩＞石英岩＞石灰岩。混凝土的自生体积变形也是砂岩的最大，花岗岩和正长岩的次之，石灰岩的最小。混凝土的线膨胀系数，相同条件下，使用硅酸质骨料配制的混凝土最大，火成岩质次之，石灰岩质最小；水泥用量多的混凝土的线膨胀系数稍大。岩石骨料的性质是混凝土线膨胀系数的决定因素，以石英质骨料为最大，其次是砂岩、花岗岩、玄武岩和石灰岩。

室内进行混凝土的自生体积变形实验时，是按照《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）要求，先将混凝土拌和物中的40mm以上的大骨料筛除（即湿筛），然后将筛除大骨料后的混凝土分3层装于直径为200mm、高度为500～600mm的试件桶内，同时在混凝土试件中心位置埋入供测量自生体积变形数值使用的应变计，并振捣密实，然后按照规定频率测试混凝土的自生体积变形，时间为1年。

忽略成型三级配混凝土自生体积变形试件时湿筛筛除的大于40mm的粗骨料黏附的灰浆量，混凝土的胶骨质量比（胶凝材料/骨料）的大小顺序是：一级配混凝土> 三级配混凝土> 二级配混凝土。也就是说，在相同氧化镁掺用比例、相同水胶比情况下，单位体积混凝土自生体积变形试件中氧化镁含量的大小顺序为：一级配混凝土> 三级配混凝土> 二级配混凝土。按照混凝土的自生体积膨胀变形随单位体积试件中氧化镁含量增大而增大的常理，在相同氧化镁掺用比例、相同水灰比情况下，混凝土试件自生体积变形量大小的顺序为：一级配混凝土>三级配混凝土> 二级配混凝土。但实验研究结果为，对于氧化镁外掺量为5%和6%的混凝土，在较早的龄期（约半年前），混凝土的自生体积变形量的大小依次为：一级配混凝土< 三级配混凝土<二级配混凝土；到了较晚的龄期（约半年后），氧化镁外掺量为5%、6%和7%的混凝土又表现为：一级配混凝土> 二级配混凝土> 三级配混凝土。这其中的原因，需要进一步观测和研究。同时，试验成果还表明，三级配混凝土经过湿筛成二级配混凝土的自生体积变形明显大于原三级配混凝土。即利用筛除大于40mm粗骨料的混凝土拌和物成型的试件测试自生体积变形，实际上人为地增大了外掺氧化镁混凝土的自生体积变形值。

2.9.5 水胶比

水胶比直接影响混凝土的强度，对早期强度影响更明显。同时，水胶比对混凝土的徐变也有很大影响。大量研究表明，混凝土强度与徐变成反比，与水胶比成正比。即水胶比越大，混凝土强度越低，徐变越大。混凝土的徐变与自生体积变形都与灰浆率成正比。故混凝土徐变增大，自生体积变形则增大。水胶比不同，水泥浆的稀稠程度也不同。如水胶比过大，混凝土拌和物的流动性增大，但水泥浆的黏聚性降低，保水性变差，会出现泌水现象，影响混凝土施工质量；如水胶比过小，则混凝土很难振捣密实。因此，水胶比不能过大，也不能过小。一般认为，水工混凝土的水胶比在0.45～0.55范围内可以获得比较好的技术经济效果，其和易性也比较理想。在通过试验优化水工常态混凝土的施工配合比时，应将坍落度控制在30～50mm范围内。

随着水胶比的增大，氧化镁混凝土的强度和弹性模量降低，在相同的膨胀应力作用下的变形增大。因此，当氧化镁外掺量相同时，混凝土的自生体积变形总体上随着水胶比的增大而增大。相同条件下，水胶比增加0.05，混凝土的自生体积膨胀变形增大5×10^-6～20×10^-6。

2.9.6 环境温度

相关文献对外掺氧化镁混凝土在不同养护温度的基本力学性能进行了试验研究，结果表明，外掺氧化镁混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、极限拉伸值都随龄期的增长和试验温度的升高而增大，但增长率有所不同。并且，外掺氧化镁混凝土的弹性模量、极限拉伸值在恒温场和变温场的试验结果非常接近。这说明，在仿真计算中可用恒温场的试验结果代替变温场的结果。

环境温度对氧化镁混凝土自生体积变形的膨胀速率和膨胀量影响较大。图2.9-1是采用峨眉水泥厂生产的525硅酸盐大坝水泥、掺30%的攀枝花粉煤灰、外掺4%的氧化镁在实验室配制的外掺氧化镁混凝土在20℃、30℃、40℃及50℃环境、历时4年的自生体积变形过程曲线。从图中可见，混凝土的自生体积变形规律是随着环境温度的增高而增大。高温下的自生体积膨胀变形比常温下大数倍，但其比值则随龄期的延长而减小；高温下氧化镁混凝土的膨胀变形发展快，变形趋于稳定的时间较常温提前较多；常温下水化相对较慢的方镁石，温度对其水化速度的影响较为明显。环境温度每相差10℃时，氧化镁混凝土的自生体积变形可相差1.5倍，其膨胀量可相差（30～35）×10 ^-6。并且，研究表明，在气温骤降情况下，外掺氧化镁混凝土的自生体积膨胀是稳定的，不会产生逆向收缩现象。另外，外掺氧化镁混凝土在较低温度条件下也能够产生膨胀，但其膨胀速率非常缓慢。

图2.9-1 不同试验温度下氧化镁混凝土的自生体积变形图

实践证明，氧化镁混凝土在不同温度的自生体积变形对温度应力的影响是巨大的。因此，在分析氧化镁混凝土的温度应力时，只有同时考虑自生体积变形的作用和温度对自生体积变形的影响，才能求得真实的温度徐变应力，最终达到减免温控措施的目的。