氧化鎂膨脹混凝土研究及應(yīng)用進(jìn)展

□劉 軍（國務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)辦公室）

□張 文（新安縣水利局）

作為人造材料的一種，混凝土應(yīng)用最為廣泛，而且從目前的工程建設(shè)來看，這種情況還將持續(xù)很長時(shí)間。混凝土作為工程材料，有幾個(gè)固有特點(diǎn)：一是在混凝土中膠凝材料的水化反應(yīng)過程中，強(qiáng)度得到增長的同時(shí)，伴有大量的熱量釋放以及體積變形（主要為溫度變形和自生體積變形，且主要表現(xiàn)為收縮）；二是試驗(yàn)研究證實(shí)，相比較混凝土的抗壓強(qiáng)度，其抗拉強(qiáng)度較小，混凝土抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的10%左右。由此可見，混凝土若在施工建設(shè)期或運(yùn)行期出現(xiàn)較大的收縮變形或者拉應(yīng)力，且當(dāng)其超過極限變形量或抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土的完整性遭到破壞，產(chǎn)生裂縫。從混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展至今來看，裂縫問題無疑是混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展的最大障礙之一，它不僅影響混凝土的外觀質(zhì)量，降低耐久性，嚴(yán)重的甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)的抗壓能力和正常使用，從而造成結(jié)構(gòu)漏水，環(huán)境有害介質(zhì)（如氯鹽等）侵蝕，加速鋼筋銹蝕等問題。因此，為了減小混凝土的收縮或拉應(yīng)力，目前MgO膨脹混凝土的應(yīng)用越來越廣泛。

1.MgO膨脹劑膨脹機(jī)理研究情況

目前，對(duì)MgO膨脹劑膨脹機(jī)理的研究還不充分，被人普遍接受的是，吸水腫脹理論和結(jié)晶生長壓理論。其中，查特吉認(rèn)為，MgO影響水泥漿體膨脹的動(dòng)力源于MgO水化產(chǎn)生結(jié)晶生長壓。

Vm式中，Vm為晶體摩爾體積；αs和α0分別為過飽和溶液和飽和溶液的平均活度；R 為氣體常數(shù)，J/（mol·K）；T 為絕對(duì)溫度，K。

式（1）中，當(dāng)濃度較低時(shí)，可視活度系數(shù) γ＝1.0，此時(shí) αS和α0可用濃度CS和C0代替，上式計(jì)算可不考慮活度系數(shù)影響，可得到簡化。

當(dāng)MgO遇水發(fā)生水解水化時(shí)，開始會(huì)形成可溶解的微小晶體，然后，這些可溶解微小晶體形成重結(jié)晶，并逐漸生長成大晶體從而產(chǎn)生了膨脹。研究認(rèn)為，當(dāng)αS/α0＝1.03時(shí)，MgO的這種水解水化反應(yīng)過程就可以產(chǎn)生較為明顯的膨脹效果。

影響結(jié)晶生長壓ΔP的主要因素有：MgO水化反應(yīng)所生成的Mg（OH）2的位置、溶解度、生長習(xí)性以及Mg2+的擴(kuò)散特性。查特吉的這一理論所指出摻MgO水泥漿體產(chǎn)生膨脹變形的動(dòng)力來源于MgO遇水后由于水解水化反應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)晶生長壓ΔP，為其他學(xué)者的進(jìn)一步深入研究提供了方向和參考。

圖1 含氧化鎂水泥漿體的膨脹模型圖

鄧敏等人研究認(rèn)為，Mg（OH）2+晶體的生成和發(fā)育是MgO水泥漿體產(chǎn)生膨脹的起因，因此，MgO水泥漿體的膨脹量就取決于Mg（OH）2晶體的性態(tài)，包括其所處位置、尺寸以及形狀等。而水化膨脹除了MgO水化產(chǎn)生的結(jié)晶生長壓力ΔP，還有一部分來自 Mg（OH）2晶體的 Δσ，即吸水腫脹力；而且，MgO 水泥漿體早期的主要膨脹驅(qū)動(dòng)力來自吸水腫脹力Δσ，后期則主要來自結(jié)晶生長壓力ΔP。此外，鄧敏等人還對(duì)不同水泥摻合料對(duì)MgO水泥漿體膨脹作用進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)粉煤灰MgO水泥漿體以及礦渣MgO水泥漿體進(jìn)行了研究，認(rèn)為由于孔溶液的堿度低于硅酸鹽水泥漿體孔溶液的堿度，粉煤灰水泥和礦渣水泥對(duì)MgO水泥漿體膨脹具有抑制作用，其膨脹效果有所減弱，這主要是如圖1所示。

但事實(shí)上，MgO的品種、摻法及摻量、水泥的品種及摻量、含水量以及養(yǎng)護(hù)溫度及濕度等因素均在一定程度上影響MgO水泥漿體的膨脹性能。此外，吸水腫脹理論和結(jié)晶生長壓理論并不能很好的詮釋新型鎂質(zhì)膨脹材料能夠改善粉煤灰對(duì)MgO膨脹材料抑制作用的原因。以往認(rèn)為MgO水泥漿體的體積變形是MgO水化產(chǎn)生的膨脹和水泥基材料的體積變形疊加的結(jié)果，且認(rèn)為摻MgO膨脹劑水泥漿體的膨脹量即為水泥中MgO的水化膨脹量。但是，事實(shí)上，MgO顆粒的實(shí)際膨脹量還要考慮到其對(duì)MgO水泥漿體整體膨脹率的貢獻(xiàn)問題，即存在一個(gè)有效膨脹量的概念，且MgO的膨脹量與MgO水泥漿體的膨脹量不一定相同，如粉煤灰水泥水化后的體積會(huì)收縮，因此，應(yīng)區(qū)別摻MgO水泥的膨脹機(jī)理和水泥中MgO的膨脹機(jī)理兩者之間的概念，才能進(jìn)一步開展摻MgO膨脹劑膨脹機(jī)理的研究。

2.MgO混凝土的變形特性研究進(jìn)展

一般認(rèn)為，MgO混凝土的生成方法可有幾種：一是共磨外摻MgO水泥，即配入一定量的MgO粗粒料與水泥熟料共同粉磨；二是共燒內(nèi)含MgO，即水泥在水泥生料配制時(shí)，配入一定量的菱鎂礦共同煅燒；三是共混外摻MgO水泥，即將磨細(xì)的MgO與水泥預(yù)先共混均勻；四是機(jī)口外摻MgO微膨脹混凝土，即將MgO膨脹劑直接在拌和混凝土?xí)r加入混凝土中拌和。其中第四種方法比較常用。

MgO對(duì)混凝土特性影響最為顯著的就是自生體積變形，目前的研究也大多集中于此。根據(jù)文獻(xiàn)的研究成果，總結(jié)如下：

2.1 MgO混凝土的自生體積膨脹隨MgO摻量的線性增大，隨著觀測齡期的延長而單調(diào)增加并趨于穩(wěn)定，不存在無限膨脹和回縮現(xiàn)象（圖2）。這是因?yàn)镸gO的水化反應(yīng)是漸進(jìn)的不可逆反應(yīng)，其水化產(chǎn)物 Mg（OH）2是穩(wěn)定的，溶解度不到 Ca（OH）2的 1/200。雖然MgO的水化反應(yīng)過程可能需要很長的時(shí)間，但是一旦反應(yīng)完畢，膨脹變形即結(jié)束，并長期保持穩(wěn)定。

2.2 MgO混凝土中水化生成Mg（OH）2的速度和養(yǎng)護(hù)溫度有關(guān)，溫度越高生成Mg（OH）2的速度越快，同一時(shí)刻混凝土的膨脹變形量就越大，達(dá)到最終膨脹量的時(shí)間也越早，溫度對(duì)氧化鎂混凝土自生體積變形的影響如（圖3）所示。但從MgO膨脹機(jī)理來講，MgO混凝土的最終膨脹量只取決于其所摻MgO的含量，與養(yǎng)護(hù)溫度無關(guān)。

2.3 MgO混凝土的自生體積膨脹變形主要在中期發(fā)生，大約有80%的膨脹量在20-1000d完成（圖4），膨脹變形在后期具有一定的延遲性。但是最終膨脹完成需要較長的時(shí)間，但最終都會(huì)趨于穩(wěn)定，沒有無限膨脹的發(fā)展趨勢。

3.氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

圖2 MgO含量與365天ε的關(guān)系圖

圖3 不同T時(shí)MgO混凝土自生體積變形圖

圖4 MgO混凝土自生體積長期變形特性圖

自從20世紀(jì)70年代，MgO混凝土在白山大壩中得到了較好的應(yīng)用，此后，MgO混凝土筑壩技術(shù)引起了國內(nèi)專家的廣泛關(guān)注，這其中就有我國水電專家張光斗院士。近年來，隨著研究的不斷深入，MgO混凝土筑壩技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用，先后被推廣應(yīng)用于我國許多大、中型的水利工程建設(shè)中。MgO混凝土的應(yīng)用部位也已從碾壓混凝土壩基礎(chǔ)墊層、大壩基礎(chǔ)墊層發(fā)展到導(dǎo)流洞封堵、重力壩基礎(chǔ)約束區(qū)、高壓管道外圍回填，直到中型拱壩的全壩段。

MgO混凝土筑壩技術(shù)，是指在生產(chǎn)大壩混凝土?xí)r從調(diào)節(jié)混凝土自生體積變形的思路出發(fā)，利用MgO特有的延遲性膨脹性能，力求通過調(diào)節(jié)MgO的摻量、摻法及質(zhì)量來控制混凝土膨脹變形性態(tài)，使其產(chǎn)生與混凝土降溫階段所產(chǎn)生的收縮變形相適用的膨脹變形，從而減小混凝土拉應(yīng)力，提供抗裂性能。目前，對(duì)MgO混凝土膨脹性的控制主要根據(jù)其膨脹的發(fā)生時(shí)間、膨脹量、膨脹速率、穩(wěn)定時(shí)間等方面進(jìn)行，依然存在控制滯后性的問題。

事實(shí)上，這項(xiàng)技術(shù)原理非常簡單，只是利用摻MgO混凝土自生體積膨脹變形這一固有特性來補(bǔ)償甚至抵消溫降產(chǎn)生收縮的變形，從而達(dá)到控制開裂的目的。由于這種技術(shù)目前在工程上已經(jīng)獲得了一定的應(yīng)用效果，使得國內(nèi)部分專家大膽認(rèn)為：只要膠凝材料中含有3.5%～5.0%的MgO，它所產(chǎn)生的混凝土自生體積膨脹量完全可以補(bǔ)償混凝土壩中由于溫度變形產(chǎn)生過大拉應(yīng)力而致裂的問題，可以“替代傳統(tǒng)的預(yù)冷、加冰、內(nèi)埋冷卻水管及高溫停工的舊溫控方法”，應(yīng)用于混凝土拱壩，可以取消橫縫、冷卻水管和預(yù)冷骨料，全年通倉澆筑，不受地區(qū)限制；不受壩高限制，既適用于中低拱壩，也適用于高拱壩；“即使在北方極端嚴(yán)酷的氣溫條件下”，同樣可修建不分橫縫的MgO混凝土拱壩，甚至100m以上的高拱壩。針對(duì)這種觀點(diǎn)，朱伯芳院士指出了MgO混凝土在筑壩應(yīng)用上存在有四大差別，即室內(nèi)外差別，時(shí)間差別，地區(qū)差別，壩型差別。因此，建議在應(yīng)用MgO混凝土進(jìn)行筑壩工程時(shí)，應(yīng)對(duì)其作用持較謹(jǐn)慎、實(shí)際的態(tài)度。顯然，膠凝材料中摻入一定量的MgO，其產(chǎn)生的膨脹變形可以抵消一部分溫度收縮變形，進(jìn)而減小混凝土拉應(yīng)力，因此，當(dāng)采用摻MgO混凝土筑壩時(shí)，可以適當(dāng)減小混凝土壩的溫控力度，簡化相應(yīng)的溫控措施，但在許多情況下，也不能因?yàn)橛昧薓gO，就取消橫縫和其他各種溫控措施，MgO不能“包打天下”。從目前的應(yīng)用情況來看，采用無縫通倉澆筑的拱壩，即使采用了MgO技術(shù)，也大多會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的裂縫，可見，取消橫縫弊大于利。除此之外，在應(yīng)用MgO混凝土?xí)r還應(yīng)特別重視表面保溫的作用。根據(jù)這兩種觀點(diǎn)，文獻(xiàn)還對(duì)MgO混凝土的溫度補(bǔ)償效果進(jìn)行了分析，認(rèn)為無論采取何種補(bǔ)償方式，都會(huì)導(dǎo)致其他的一些問題，并不是完美無缺的。建議在具體應(yīng)用時(shí)，采取謹(jǐn)慎的態(tài)度，將該項(xiàng)技術(shù)與其他溫控措施相結(jié)合，以收到更好的溫控防裂效果。

盡管目前MgO筑壩技術(shù)得到了大力的推廣應(yīng)用，但可以發(fā)現(xiàn)，在外摻氧化鎂碾壓混凝土的材料特性、防裂特性以及混凝土拌制工藝等方面涉及甚少；工程技術(shù)人員對(duì)MgO的長期安定性，仍心存疑慮；摻氧MgO混凝土的壩體補(bǔ)償部位、補(bǔ)償時(shí)間、補(bǔ)償量以及補(bǔ)償效果等仍未得到很好的解決，這些問題都需要進(jìn)行深入的分析研究。

4.結(jié)語

目前，MgO膨脹混凝土在已有工程的應(yīng)用情況來看，有成功的案例，同時(shí)也有失敗的案例。這主要是近年來，盡管MgO膨脹混凝土有過大量的試驗(yàn)和理論方面研究，但由于混凝土這種材料本身的研究仍然不夠完善，使得摻MgO混凝土研究受到較大阻礙，主要局限于在大壩混凝土中的應(yīng)用。另外，近年來高強(qiáng)高性能混凝土的快速發(fā)展和應(yīng)用，MgO技術(shù)是否能夠在這種混凝土中得到很好的應(yīng)用尚不可知，有待進(jìn)一步的論證和研究。

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