氧化镁膨胀剂对混凝土早期裂缝自愈合性能的影响

冯竟竟， 张 鹏， 陈 伟， 杨进波， 刘 虎

(1.山东农业大学 水利土木工程学院， 山东 泰安 271018； 2.青岛理工大学 土木工程学院， 山东 青岛 266033； 3.武汉三源特种建材有限责任公司， 湖北 武汉 430080)

混凝土材料的开裂直接影响到混凝土结构的耐久性和使用寿命.为了应对混凝土开裂问题，节省裂缝修补费用，同时尽可能减小因后期维护对结构正常使用造成的影响，针对混凝土损伤的自愈合及裂缝自愈合性能的研究受到了越来越多学者的关注.活性氧化镁具有延迟膨胀的特性，已被水利电力工程界所认可，并应用于补偿大体积混凝土的温降收缩和干燥收缩，以保持混凝土的体积稳定性，减少裂缝产生[1].活性氧化镁同时具有一定的促进裂缝自愈合性能.近年来国外关于活性氧化镁自愈合材料的研究相对较多，国内尚无相关研究.

1)文中涉及的掺量、水灰比等均为质量分数或质量比.

Qureshi等[2]研究了英国Richard Baker Harrison公司生产的2种活性的氧化镁(M92/200，N50)及不同氧化镁掺量1)对混凝土自愈合效果的影响，研究表明：当M92/200掺量在8%左右、N50掺量在4%～6%时，混凝土自愈合效果最好，强度恢复率上升；微观分析发现，在预制裂缝后，经过28d养护，掺有2种活性氧化镁的混凝土表面裂缝基本愈合，且裂缝处有水镁石及其他不同组相的水化产物，甚至有镁方解石的形成.Jin等[3]认为活性氧化镁显示了有效的愈合性能，且对于优化混凝土补偿收缩性能有较好作用，并对14种工业氧化镁的活性、材料特性、X射线衍射(XRD)图谱、pH值及水合形态等进行了对比分析.Kishi等[4]制备了混凝土立方体试件用于抗压强度测试，并制备了带有预制裂缝的长方体试件用于三点抗折试验，研究了活性氧化镁M90/200及膨润土对混凝土自愈合性能的影响，结果表明：氧化镁对混凝土抗压强度影响较小，膨润土在一定程度上降低了混凝土抗压强度；初始宽度越小的裂缝自愈合速率越快，裂缝周围的沉淀产物主要包括CaCO3，MgCO3，以及二者复合的沉淀结晶.Ahn等[5]研究了膨胀剂、硅质矿物材料(蒙脱石、长石和石英等)、碳酸盐(NaHCO3，Na2CO3和Li2CO3等)对混凝土自愈合性能的影响，结果表明：膨胀剂的膨胀作用可有效降低裂缝宽度；地质材料的肿胀机理可有效促进裂缝愈合；碳酸盐对裂缝处的重结晶有促进作用，适合水下快速愈合.Jasser等[6]将氧化镁和硅灰以一定比例封装于颗粒中并掺入混凝土内部，结果表明：仅添加5%的颗粒即可获得60%左右的28d抗压强度恢复率，该颗粒成分具有很好的裂纹自愈合性能.Alghamri等[7]用三点弯曲强度来表征氧化镁材料对混凝土自愈合的效果，对于掺10%活性氧化镁的混凝土，其30，120d弯曲强度恢复率分别为14.6%和18.5%.Dung等[8]研究了水化催化剂HA和分散剂DA对掺活性氧化镁膨胀剂混凝土自愈合性能的影响，结果表明：催化剂HA可促进氧化镁的溶解及水镁石的沉淀，分散剂DA解决了氧化镁需水量大的问题，并使混凝土内部结构更加致密，对混凝土自愈合有良好效果.

活性氧化镁对混凝土裂缝自愈合性能的作用机理目前有多种解释.部分学者认为氧化镁与水发生水化反应，生成氢氧化镁结晶沉淀，从而填充裂缝，其反应方程式见式(1).Dung等[8]认为，在裂缝周围的氧化镁可发生水化反应生成三水碳酸镁及富镁方解石，在裂缝处结晶沉淀，产生自愈合作用，其反应方程式见式(2)，(3).Vandeperre等[9]研究了氧化镁和水泥水化产物的微观结构，通过XRD分析发现其中有部分水合镁铝化合物Mg6Al2(CO3)(OH)16(H2O)4的生成.此外，Ramm等[10]认为混凝土裂缝自愈合主要包含4个阶段：(1)未水化水泥的继续水化；(2)裂缝处的膨胀；(3)碳酸钙结晶；(4)水中固体物质闭合裂缝.

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氧化镁活性一般采用柠檬酸滴定法进行测定，氧化镁的活性及掺量对混凝土自愈合效果影响较大[11]，需要进行严格的设计与控制才能达到最佳效果，并避免负面影响.2017年中国建筑材料协会编制了CBMF 19—2017《混凝土用氧化镁膨胀剂》，对混凝土用氧化镁膨胀剂的性能指标进行了规定.为验证国内活性氧化镁产品对混凝土裂缝自愈合性能是否同样具有促进作用，有必要进行相应的试验研究.在无养护措施或养护不到位的情况下，混凝土结构的裂缝多发生在早期，主要为温度收缩裂缝及干燥收缩裂缝.本文通过试验对比了2种型号的氧化镁膨胀剂在不同掺量下对混凝土早期裂缝自愈合性能的影响.

1 试验

1.1 材料

2种氧化镁膨胀剂(R型和M型)均为武汉三源特种建材有限责任公司生产，柠檬酸反应法测定其活性分别为70s(R型)及130s(M型).水泥选用华新P·O 42.5水泥，骨料粒径为5～20mm，水灰比为0.45，砂率为45%.混凝土配合比如表1所示.

图1为2种氧化镁膨胀剂的XRD图谱.由图1可知：氧化镁膨胀剂主要由方镁石、菱镁矿、石英和白云石等组成；随着活性的增大，方镁石衍射峰(MgO主峰)有所增大，菱镁矿(MgCO3)衍射峰有所降低，表明随着活性的增大，方镁石含量有所提高，菱镁矿含量有所降低.表2，3给出了本文所用2种氧化镁膨胀剂与国外2种常用活性氧化镁产品的化学组成及物理特性.由表2,3可知：M型氧化镁膨胀剂与M92/200性能较为类似，R型氧化镁膨胀剂性能则介于M92/200与N50之间；随着活性的增加，氧化镁膨胀剂烧失量均有所降低，比表面积也随之下降.

表1 混凝土配合比

图1 不同类型氧化镁膨胀剂的XRD图谱Fig.1 XRD patterns of different magnesium oxide expansive agents

TypeSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3ILM92/2002.250.220.530.8793.182.59N500.030.5097.700.805.40R type1.080.090.711.6590.123.96M type1.240.180.521.5990.881.83

表3 各氧化镁的物理特性

表4给出了各组试件编号及其氧化镁膨胀剂掺量，其中空白组(CON)的胶凝材料只有水泥，其余组则掺有不同掺量的不同型号氧化镁膨胀剂，均为外掺.通过调整减水剂掺量使混凝土坍落度控制在180mm左右.

1.2 测试方法

1.2.1限制膨胀率

限制膨胀率根据中国建筑材料协会标准CBMF 19—2017进行测试.试件全长158mm(含两端金属测头)，其中胶砂试件尺寸为40mm×40mm×140mm.按要求测量完初始长度后，将试件立即放入20℃恒温水槽内进行养护，并分别测试其3，7，14，28d龄期的限制膨胀率.

表4 各组试件编号及其氧化镁膨胀剂掺量

1.2.2裂缝形态

裂缝形态分析采用φ100×100mm的圆柱形混凝土试件.试件成型24h后拆模并通过劈裂抗拉试验制造初始裂缝，来模拟混凝土早期开裂情况.控制加载速率为1MPa/s，加载过程中时刻观察试件两侧平面裂缝情况，当其中一侧裂缝出现贯通时，立即停止加载，并在圆柱试件的上下端部采用钢箍约束.用MG10085-1型100倍读数显微镜对裂缝形态进行观测，对比分析各组试件的开裂裂缝形态变化及自愈合情况.

1.2.3裂缝宽度变化

裂缝宽度变化亦采用φ100×100mm的圆柱形混凝土试件进行测定，选择初始裂缝宽度分别为0.05，0.10，0.20，0.30，0.40，0.70，1.00mm的裂缝部位，测点布置在裂缝宽度相对均匀的位置(即测点两侧1cm内，裂缝宽度波动较小处)，各组开裂试件的每个初始宽度的裂缝处各布置5个测点，并做好标记，放入水中养护7，14，28d后取出，观测裂缝宽度变化.裂缝宽度也采用MG10085-1型100倍读数显微镜进行观测(含读数系统)，最小刻度间隔为0.02mm，结果取5个裂缝宽度的均值.

1.2.4抗压强度恢复率

制备尺寸为100mm×100mm×100mm的混凝土立方体试件.试件成型24h后拆模，其中一部分试件立刻进行抗压试验预破坏，预破坏判定依据为：当前力值与试验阶段最大力值之差达到50kN(即当前强度较最大强度下降5.0MPa)时，则认为试件在此时刻发生破坏，停止加载.将预破坏试件与未预破坏试件同时放置于20℃水中养护，测定其养护7，28d后的抗压强度.试件抗压强度恢复率R通过式(4)计算：

(4)

式中：Frec为预破坏试件在相应龄期的二次抗压强度；F0为未预破坏试件在同龄期的抗压强度.

2 结果分析与讨论

2.1 限制膨胀率

各组胶砂试件的限制膨胀率测试结果如图2所示.由图2可知：各组胶砂试件限制膨胀率的大小整体上呈现为R-10>R-5>M-10>M-5>CON；在氧化镁膨胀剂掺量相同的情况下，氧化镁膨胀剂活性越大，其对应试件的限制膨胀率越大，在氧化镁膨胀剂活性相同情况下(采用同种氧化镁膨胀剂)，氧化镁膨胀剂掺量越大，对应试件的限制膨胀率越大；掺氧化镁膨胀剂试件的限制膨胀率均高于空白组.

图2 各组胶砂试件的限制膨胀率Fig.2 Restrained expansive rate for mortar specimens

2.2 裂缝形态

圆柱形试件开裂后置于20℃水中养护，受氧化镁膨胀及裂缝处水化结晶等作用，裂缝将产生自愈合效应.本试验中分析了具有不同初始宽度裂缝的各组开裂试件自愈合效果.表5给出了各组开裂试件典型裂缝的自愈合情况，其初始裂缝宽度均为0.20mm左右.由表5可知：R-10及M-10组开裂试件的裂缝在养护14d后愈合完全，愈合效果良好；R-5及M-5组开裂试件的裂缝在28d时基本愈合完全，其裂缝处晶体仍然有一定的发展空间；空白组开裂试件裂缝有一定的自愈合趋势，裂缝处产生部分结晶，但养护28d后尚未愈合完全.从自愈合效果来看：当氧化镁膨胀剂掺量为5%时，经过14d养护的R-5组开裂试件裂缝处已经被初步的结晶产物填充完全，而M-5组开裂试件仍然存在一部分未填充裂缝；当氧化镁膨胀剂掺量为10%时，R-10组开裂试件裂缝自愈合速率也要高于M-10组开裂试件.各组开裂试件裂缝自愈合效果整体上呈现为R-10>M-10>R-5>M-5>CON，表明活性较高的R型氧化镁膨胀剂对混凝土裂缝自愈合的促进作用要高于活性较低的M型氧化镁膨胀剂.

2.3 裂缝宽度变化

图3给出了具有不同初始宽度裂缝的各组开裂试件在不同养护龄期的宽度变化值.由图3可知，经过7，14，28d养护后，各组开裂试件的裂缝宽度大小为R-10

图4给出了具有不同初始宽度裂缝的R-10组开裂试件裂缝宽度发展情况.由图4可知：对于初始宽度在0.40mm以下的裂缝，经过28d养护后，该裂缝基本愈合完全，对于初始宽度为0.70mm及1.00mm的裂缝，在14d前有一定的愈合作用，14d 后，裂缝减小的速率变缓(曲线趋于平缓)；同时，掺氧化镁膨胀剂的开裂试件在初始裂缝宽度相同的情况下，裂缝宽度在同等养护龄期后均小于相应的空白组开裂试件，这表明氧化镁膨胀剂对混凝土裂缝的自愈合具有良好的促进作用.GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》针对不同结构类型及环境类别的混凝土结构，规定了其最大裂缝宽度限值为0.10～0.30mm.根据上述分析结果可知，本文选用的氧化镁膨胀剂对于国家标准规范允许宽度范围内的裂缝有较好的自愈合效果.

表5各组开裂试件的典型裂缝愈合情况

Table5Typicalcracksealingpatternsofdifferentspecimes

2.4 抗压强度恢复率

图5给出了各组开裂试件的抗压强度恢复率.由图5可知：掺氧化镁膨胀剂的开裂试件相对空白组开裂试件具有更高的抗压强度恢复率；氧化镁膨胀剂掺量为5%的开裂试件(R-5和M-5)抗压强度恢复率比氧化镁膨胀剂掺量为10%的开裂试件(R-10和M-10)高，这表明掺加过量氧化镁膨胀剂反而对混凝土抗压强度的发展不利，对于R型和M型氧化镁膨胀剂，能获得较高抗压强度恢复率的最佳掺量不应大于10%.

图3 不同初始宽度的裂缝在不同养护龄期的宽度变化Fig.3 Width of cracks at different curing ages with different initial crack widths

图4 具有不同初始宽度裂缝的R-10组开裂试件裂缝宽度发展情况Fig.4 Average crack width variation for R-10specimens with different initial crack widths

图5 各试验组混凝土的抗压强度恢复率Fig.5 Compressive strength recovery rate of specimens

3 结论

(1)氧化镁膨胀剂活性越高、掺量越大，试件的限制膨胀率越大；在相同龄期条件下，相同初始宽度的混凝土早期裂缝自愈合效果越好，且愈合后裂缝宽度越小.

(2)氧化镁膨胀剂对初始宽度在0.40mm及以下的早期裂缝有较好的愈合效果，对初始宽度在0.40mm以上的早期裂缝，在14d前裂缝宽度有一定减小，但效果相对不明显，在14d后裂缝宽度逐渐趋于稳定.

(3)在相同掺量下，活性较高的氧化镁膨胀剂对应的混凝土抗压强度恢复率略高于活性较低的氧化镁膨胀剂对应的混凝土抗压强度恢复率；相同活性情况下，掺量为10%的混凝土比掺量为5%的混凝土抗压强度恢复率略低.