朱成，歐偉山，于方，李永超

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航工程研究院有限公司，水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510230）

0 引言

摻入混凝土膨脹劑是控制混凝土由于體積收縮而產(chǎn)生裂縫的有效手段之一[1]。目前在工程上應(yīng)用較為廣泛的膨脹劑中，氧化鎂（MgO）膨脹劑因水化反應(yīng)需水量少、膨脹反應(yīng)可控、水化產(chǎn)物穩(wěn)定、可補償混凝土中后期收縮等特點，近年來逐漸受到混凝土工程領(lǐng)域的關(guān)注[2]。

近年來，研究人員對MgO膨脹混凝土產(chǎn)生補償收縮效果的影響因素進行了大量的研究，主要包括MgO摻量、MgO細度、礦物摻合料、養(yǎng)護環(huán)境、混凝土水膠比等[3-7]，為MgO膨脹劑在工程中的應(yīng)用和推廣提供了大量的試驗數(shù)據(jù)。但在采用后澆帶的混凝土工程中，后澆帶混凝土結(jié)構(gòu)配筋率和鋼筋應(yīng)力也可能對補償收縮效果產(chǎn)生影響，是不可忽視的影響因素。鋼筋對混凝土的膨脹和收縮都存在著一定的抑制作用[8]，可能會因此削弱MgO膨脹混凝土的體積變形效應(yīng)。而針對設(shè)置后澆帶的沉管，由于新舊節(jié)段的澆筑時間間隔一般較長，在新節(jié)段澆筑后可能導(dǎo)致后澆帶鋼筋產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力的存在可能會削弱后澆帶MgO膨脹混凝土的膨脹效應(yīng)。此外，現(xiàn)場施工的養(yǎng)護條件也是影響MgO膨脹混凝土的重要因素，但目前關(guān)于養(yǎng)護方式對于MgO膨脹混凝土膨脹效應(yīng)時變規(guī)律的研究尚較少。

因此，本文通過研究不同配筋率、鋼筋應(yīng)力和養(yǎng)護方式下MgO膨脹混凝土的膨脹效應(yīng)，分析了上述3個因素對MgO膨脹混凝土膨脹效應(yīng)時變規(guī)律的影響，提出MgO膨脹劑混凝土考慮上述影響因素的調(diào)控措施，為MgO膨脹劑在大體積混凝土工程中的應(yīng)用和推廣提供參考。

1 材料與試驗

1.1 原材料及配合比

混凝土的配合比如表1所示。其中，水泥為P·Ⅱ42.5R級水泥；粉煤灰為F類Ⅱ級；河砂為東江中砂，細度模數(shù)2.6；外加劑為江蘇蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的緩凝型高效減水劑，含固量14.5%，減水率27%；膨脹劑為蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的輕燒氧化鎂膨脹劑（活性120 s），其性能指標(biāo)和組成成分分別見表2和表3。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio kg/m3

表2 MgO膨脹劑性能指標(biāo)Table 2 Performance indicators of MgO expansion agent

表3 MgO膨脹劑化學(xué)組成重量百分比Table 3 Chemical composition weight percentage of MgO expansion agent%

1.2 試件制作及測試

1）配筋率對MgO膨脹混凝土膨脹效應(yīng)的影響試驗

考慮廣州某工程沉管隧道后澆帶配筋率大小，分別制作φ6、φ10、φ14、φ20、φ25直徑的帶肋鋼筋混凝土縱向限位器（相應(yīng)的配筋率大小分別為0.28%、0.50%、0.79%、1.54%、3.14%和4.91%），根據(jù)T/CECS 540—2018《混凝土用氧化鎂膨脹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》成型100 mm×100 mm×300 mm的混凝土限制膨脹試件，試件在（20±2）℃下成型并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護，拆模后采用水浴養(yǎng)護（40℃），并于1 d、3 d、7 d、14 d、28 d、42 d、56 d、90 d、120 d和150 d對其限制膨脹值進行測試。

2）鋼筋應(yīng)力MgO膨脹混凝土膨脹效應(yīng)的影響試驗

本研究所選用的螺紋為8 mm直徑的帶肋螺紋鋼，經(jīng)過測試其極限荷載為20.09 kN。鋼筋應(yīng)力大小的設(shè)置根據(jù)廣州某沉管隧道所監(jiān)測到的后澆帶鋼筋（直徑為25 mm的HRB400級鋼筋）在已澆節(jié)段情況下，后澆帶鋼筋會產(chǎn)生的荷載大小為42.1 kN，約為極限荷載的20%，因此本文采用加載裝置對鋼筋（8 mm直徑）施加不同0%、5%、10%、15%和20%荷載大小的力，通過力傳感器監(jiān)測加載太小，加載完畢后采用固定螺母鎖定，實現(xiàn)鋼筋受到持續(xù)荷載作用，然后成型300 mm×100 mm×100 mm混凝土試樣，放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護，并采用珠海華峰無線檢測系統(tǒng)。加載裝置、成型試件與監(jiān)測如圖1所示。

圖1 加載示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading

3）養(yǎng)護方式對MgO膨脹混凝土膨脹效應(yīng)的影響試驗

成型澆筑試件，試驗采用直徑φ10的帶肋鋼筋混凝土縱向限位器，每組成型3個試件，對每組試塊分別采用高分子養(yǎng)護膜覆蓋養(yǎng)護、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護（（20±1）℃、RH≥95%）、土工布覆蓋定期灑水養(yǎng)護，于拆模后3 d、7 d、14 d、28 d、42 d、60 d、90 d時測試其限制膨脹值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 配筋率對混凝土限制膨脹率的影響

40℃水浴條件下養(yǎng)護，不同配筋率下MgO膨脹混凝土的限制膨脹率時變規(guī)律曲線圖如圖2所示。養(yǎng)護150 d后，配筋率為0.28%、0.50%、0.79%、1.54%、3.14%和4.91%的MgO膨脹混凝土的限制膨脹率分別為0.060%、0.049%，0.046%、0.039%、0.023%和0.009%，試件基本在前期的膨脹效能發(fā)揮較為充分，在90 d后膨脹效應(yīng)發(fā)展較慢，試驗結(jié)果符合輕燒氧化鎂的膨脹效應(yīng)發(fā)揮特征[9]。數(shù)據(jù)表明，配筋率為0.28%時，MgO膨脹混凝土的限制膨脹率最大，達0.060%，而配筋率為4.91%時最小，僅0.008%，兩者相差達0.038%?？梢姡炷僚浣钸^大時會明顯降低MgO膨脹混凝土的最終膨脹量。主要是由于在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土內(nèi)部的約束是靠混凝土和鋼筋的黏結(jié)力來實現(xiàn)的，而隨著配筋率的增大，鋼筋對MgO膨脹混凝土變形的限制作用增大[8]，從而削弱MgO膨脹劑的膨脹效應(yīng)，降低了MgO膨脹劑對混凝土的補償收縮作用。

圖2 配筋率對MgO膨脹混凝土限制膨脹率的影響Fig.2 The effect of reinforcement ratio on the limiting expansion rate of MgO expansive concrete

然而，配筋率增大對混凝土試件的膨脹效應(yīng)影響并不完全是線性關(guān)系，由圖2還能觀察到，配筋率為0.28%～1.54%之間，150 d時混凝土試件的限制膨脹率相差最大僅為0.021%，而隨著配筋率增大為4.90%，兩者相差達到了0.051%，表明摻入MgO膨脹劑的混凝土存在一個適宜的配筋率范圍。當(dāng)配筋率超過1.54%時候，配筋率這一因素會對MgO膨脹混凝土的膨脹效應(yīng)產(chǎn)生明顯的抑制作用，需對MgO膨脹劑的摻量進行調(diào)控，增大MgO膨脹混凝土的膨脹效應(yīng)，以滿足工程中混凝土的體積變形調(diào)控要求。

配筋率對MgO膨脹混凝土限制膨脹速率的影響如圖3所示。從圖中可見，除膨脹量外，配筋率對MgO膨脹混凝土的膨脹速率及膨脹停止時間同樣也有影響。在前3 d，配筋率為0.28%的MgO混凝土膨脹速率最快，配筋率越高的混凝土基本上膨脹得越慢。養(yǎng)護28 d后，配筋率為3.14%和4.91%的試件膨脹基本停止，此后基本保持穩(wěn)定，配筋率為1.54%、0.79%、0.50%的試件則分別持續(xù)到90 d、120 d后才基本停止膨脹，而配筋率為0.28%的試件，在120 d后，仍然能產(chǎn)生一定的膨脹量，因此在MgO膨脹劑混凝土中應(yīng)考慮配筋率的限制。

圖3 配筋率對MgO膨脹混凝土限制膨脹速率的影響Fig.3 The effect of reinforcement ratio on the limiting expansion speed of MgO expansive concrete

2.2 鋼筋應(yīng)力對混凝土限制膨脹率的影響

鋼筋應(yīng)力對MgO膨脹混凝土限制膨脹率的影響見圖4。由圖4可看出，鋼筋施加應(yīng)力的變化對MgO混凝土的膨脹效應(yīng)并沒有明顯的區(qū)別，在養(yǎng)護460 h后，0%、5%、10%、15%、20%鋼筋應(yīng)力下混凝土的應(yīng)變值分別為279.2με、258.7με、283.5με、259.1με、284.7με。這表明0~20%鋼筋應(yīng)力的大小并不會對MgO膨脹混凝土的膨脹效應(yīng)產(chǎn)生不利的作用。

圖4 鋼筋應(yīng)力對MgO膨脹混凝土限制膨脹率的影響Fig.4 The effect of reinforcement stress on the limiting expansion rate of MgO expansive concrete

由于后澆混凝土只是與鋼筋有表面接觸，雖然鋼筋有拉應(yīng)力，但鋼筋始終錨固在夾具兩端，鋼筋并無放張，故無法產(chǎn)生力的傳導(dǎo)，因此鋼筋應(yīng)力對MgO膨脹混凝土的膨脹效應(yīng)并不會產(chǎn)生明顯的影響，同理可說明在沉管隧道采用分節(jié)段法施工時，即使后澆帶的鋼筋會受到較大的應(yīng)力作用，但是并不會對MgO膨脹混凝土的體積變形帶來削弱作用。

2.3 養(yǎng)護工藝對混凝土限制膨脹率的影響

圖5所示為養(yǎng)護方式對MgO膨脹混凝土限制膨脹率的影響。由圖5可得，養(yǎng)護28 d時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護、土工布覆蓋養(yǎng)護和高分子膜覆蓋養(yǎng)護下MgO膨脹混凝土的限制膨脹率分別為0.021%、0.060%和0.034%。

圖5 養(yǎng)護方式對MgO膨脹混凝土限制膨脹率的影響Fig.5 The effect of curing methods on the limiting expansion rate of MgO expansive concrete

數(shù)據(jù)表明MgO膨脹混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和高分子養(yǎng)護條件下均能夠達到T/CECS 540—2018《混凝土用氧化鎂膨脹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的后澆帶、膨脹加強度帶的28 d限制膨脹率設(shè)計取值（0.020%）。而高分子養(yǎng)護膜覆蓋養(yǎng)護更能促進MgO膨脹混凝土的膨脹效應(yīng)，這是由于高分子養(yǎng)護膜具有較強的保濕和保溫作用[10]，而在養(yǎng)護溫度和濕度較大的情況下，更能促進MgO晶體的水化反應(yīng)，加速了Mg2+和OH-的遷移，生成大量的Mg（OH）2晶體[11]，當(dāng)大量的Mg（OH）2晶體之間相互擠壓或者擠壓周邊漿體，便會形成應(yīng)力，進而使周圍漿體膨脹，導(dǎo)致混凝土在短時間內(nèi)產(chǎn)生了較大的膨脹量。

然而在養(yǎng)護90 d后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護方式更能促進MgO膨脹混凝土的膨脹效應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護、土工布覆蓋養(yǎng)護、高分子膜覆蓋養(yǎng)護的限制膨脹率分別為0.041%、0.013%、0.037%。這表明在養(yǎng)護后期，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護方式更有利于MgO膨脹混凝土發(fā)揮膨脹效應(yīng)。但考慮到大體積混凝土在初期（7 d）會產(chǎn)生較大收縮[12]和便于現(xiàn)場施工的因素，故建議選擇高分子膜覆蓋養(yǎng)護方式。

3 結(jié)語

本文通過研究不同配筋率、鋼筋應(yīng)力和養(yǎng)護方式下MgO膨脹混凝土限制膨脹率的經(jīng)時變曲線，主要得到以下結(jié)論：

1）隨著配筋率增大，MgO膨脹混凝土的限制膨脹率和限制膨脹率增長速率呈現(xiàn)下降的趨勢。

2）配筋率對MgO膨脹混凝土的膨脹效應(yīng)產(chǎn)生的影響并不是線性關(guān)系，存在適宜的配筋率范圍，當(dāng)配筋率超過1.54%時，會對MgO膨脹混凝土的膨脹效應(yīng)產(chǎn)生明顯抑制作用。

3）鋼筋施加0~20%持續(xù)應(yīng)力變化對MgO膨脹混凝土膨脹效應(yīng)的影響并不明顯，養(yǎng)護460 h后，鋼筋在0%、5%、10%、15%、20%應(yīng)力狀態(tài)下MgO膨脹混凝土應(yīng)變值分別為279με、258με、283με、259με、284με。

4）高分子膜覆蓋養(yǎng)護在前期能有效促進MgO混凝土的膨脹效應(yīng)，但在后期要小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護方式對MgO混凝土的膨脹促進作用。