氧化鎂膨脹混凝土研究及應用進展

□劉 軍（國務院南水北調工程建設委員會辦公室）

□張 文（新安縣水利局）

作為人造材料的一種，混凝土應用最為廣泛，而且從目前的工程建設來看，這種情況還將持續很長時間。混凝土作為工程材料，有幾個固有特點：一是在混凝土中膠凝材料的水化反應過程中，強度得到增長的同時，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，且主要表現為收縮）；二是試驗研究證實，相比較混凝土的抗壓強度，其抗拉強度較小，混凝土抗拉強度約為抗壓強度的10%左右。由此可見，混凝土若在施工建設期或運行期出現較大的收縮變形或者拉應力，且當其超過極限變形量或抗拉強度時，混凝土的完整性遭到破壞，產生裂縫。從混凝土結構發展至今來看，裂縫問題無疑是混凝土結構進一步發展的最大障礙之一，它不僅影響混凝土的外觀質量，降低耐久性，嚴重的甚至會影響結構的抗壓能力和正常使用，從而造成結構漏水，環境有害介質（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力，目前MgO膨脹混凝土的應用越來越廣泛。

1.MgO膨脹劑膨脹機理研究情況

目前，對MgO膨脹劑膨脹機理的研究還不充分，被人普遍接受的是，吸水腫脹理論和結晶生長壓理論。其中，查特吉認為，MgO影響水泥漿體膨脹的動力源于MgO水化產生結晶生長壓。

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，J/（mol·K）；T 為絕對溫度，K。

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

當MgO遇水發生水解水化時，開始會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晶，并逐漸生長成大晶體從而產生了膨脹。研究認為，當αS/α0＝1.03時，MgO的這種水解水化反應過程就可以產生較為明顯的膨脹效果。

影響結晶生長壓ΔP的主要因素有：MgO水化反應所生成的Mg（OH）2的位置、溶解度、生長習性以及Mg2+的擴散特性。查特吉的這一理論所指出摻MgO水泥漿體產生膨脹變形的動力來源于MgO遇水后由于水解水化反應產生的結晶生長壓ΔP，為其他學者的進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

鄧敏等人研究認為，Mg（OH）2+晶體的生成和發育是MgO水泥漿體產生膨脹的起因，因此，MgO水泥漿體的膨脹量就取決于Mg（OH）2晶體的性態，包括其所處位置、尺寸以及形狀等。而水化膨脹除了MgO水化產生的結晶生長壓力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動力來自吸水腫脹力Δσ，后期則主要來自結晶生長壓力ΔP。此外，鄧敏等人還對不同水泥摻合料對MgO水泥漿體膨脹作用進行研究，重點對粉煤灰MgO水泥漿體以及礦渣MgO水泥漿體進行了研究，認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。

但事實上，MgO的品種、摻法及摻量、水泥的品種及摻量、含水量以及養護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，吸水腫脹理論和結晶生長壓理論并不能很好的詮釋新型鎂質膨脹材料能夠改善粉煤灰對MgO膨脹材料抑制作用的原因。以往認為MgO水泥漿體的體積變形是MgO水化產生的膨脹和水泥基材料的體積變形疊加的結果，且認為摻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，事實上，MgO顆粒的實際膨脹量還要考慮到其對MgO水泥漿體整體膨脹率的貢獻問題，即存在一個有效膨脹量的概念，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收縮，因此，應區別摻MgO水泥的膨脹機理和水泥中MgO的膨脹機理兩者之間的概念，才能進一步開展摻MgO膨脹劑膨脹機理的研究。

2.MgO混凝土的變形特性研究進展

一般認為，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；二是共燒內含MgO，即水泥在水泥生料配制時，配入一定量的菱鎂礦共同煅燒；三是共混外摻MgO水泥，即將磨細的MgO與水泥預先共混均勻；四是機口外摻MgO微膨脹混凝土，即將MgO膨脹劑直接在拌和混凝土時加入混凝土中拌和。其中第四種方法比較常用。

MgO對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。根據文獻的研究成果，總結如下：

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增加并趨于穩定，不存在無限膨脹和回縮現象（圖2）。這是因為MgO的水化反應是漸進的不可逆反應，其水化產物 Mg（OH）2是穩定的，溶解度不到 Ca（OH）2的 1/200。雖然MgO的水化反應過程可能需要很長的時間，但是一旦反應完畢，膨脹變形即結束，并長期保持穩定。

2.2 MgO混凝土中水化生成Mg（OH）2的速度和養護溫度有關，溫度越高生成Mg（OH）2的速度越快，同一時刻混凝土的膨脹變形量就越大，達到最終膨脹量的時間也越早，溫度對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，與養護溫度無關。

2.3 MgO混凝土的自生體積膨脹變形主要在中期發生，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間，但最終都會趨于穩定，沒有無限膨脹的發展趨勢。

3.氧化鎂混凝土筑壩技術應用進展

圖2 MgO含量與365天ε的關系圖

圖3 不同T時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70年代，MgO混凝土在白山大壩中得到了較好的應用，此后，MgO混凝土筑壩技術引起了國內專家的廣泛關注，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混凝土筑壩技術得到越來越多的應用，先后被推廣應用于我國許多大、中型的水利工程建設中。MgO混凝土的應用部位也已從碾壓混凝土壩基礎墊層、大壩基礎墊層發展到導流洞封堵、重力壩基礎約束區、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，是指在生產大壩混凝土時從調節混凝土自生體積變形的思路出發，利用MgO特有的延遲性膨脹性能，力求通過調節MgO的摻量、摻法及質量來控制混凝土膨脹變形性態，使其產生與混凝土降溫階段所產生的收縮變形相適用的膨脹變形，從而減小混凝土拉應力，提供抗裂性能。目前，對MgO混凝土膨脹性的控制主要根據其膨脹的發生時間、膨脹量、膨脹速率、穩定時間等方面進行，依然存在控制滯后性的問題。

事實上，這項技術原理非常簡單，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償甚至抵消溫降產生收縮的變形，從而達到控制開裂的目的。由于這種技術目前在工程上已經獲得了一定的應用效果，使得國內部分專家大膽認為：只要膠凝材料中含有3.5%～5.0%的MgO，它所產生的混凝土自生體積膨脹量完全可以補償混凝土壩中由于溫度變形產生過大拉應力而致裂的問題，可以“替代傳統的預冷、加冰、內埋冷卻水管及高溫停工的舊溫控方法”，應用于混凝土拱壩，可以取消橫縫、冷卻水管和預冷骨料，全年通倉澆筑，不受地區限制；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。針對這種觀點，朱伯芳院士指出了MgO混凝土在筑壩應用上存在有四大差別，即室內外差別，時間差別，地區差別，壩型差別。因此，建議在應用MgO混凝土進行筑壩工程時，應對其作用持較謹慎、實際的態度。顯然，膠凝材料中摻入一定量的MgO，其產生的膨脹變形可以抵消一部分溫度收縮變形，進而減小混凝土拉應力，因此，當采用摻MgO混凝土筑壩時，可以適當減小混凝土壩的溫控力度，簡化相應的溫控措施，但在許多情況下，也不能因為用了MgO，就取消橫縫和其他各種溫控措施，MgO不能“包打天下”。從目前的應用情況來看，采用無縫通倉澆筑的拱壩，即使采用了MgO技術，也大多會產生較為嚴重的裂縫，可見，取消橫縫弊大于利。除此之外，在應用MgO混凝土時還應特別重視表面保溫的作用。根據這兩種觀點，文獻還對MgO混凝土的溫度補償效果進行了分析，認為無論采取何種補償方式，都會導致其他的一些問題，并不是完美無缺的。建議在具體應用時，采取謹慎的態度，將該項技術與其他溫控措施相結合，以收到更好的溫控防裂效果。

盡管目前MgO筑壩技術得到了大力的推廣應用，但可以發現，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；工程技術人員對MgO的長期安定性，仍心存疑慮；摻氧MgO混凝土的壩體補償部位、補償時間、補償量以及補償效果等仍未得到很好的解決，這些問題都需要進行深入的分析研究。

4.結語

目前，MgO膨脹混凝土在已有工程的應用情況來看，有成功的案例，同時也有失敗的案例。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用。另外，近年來高強高性能混凝土的快速發展和應用，MgO技術是否能夠在這種混凝土中得到很好的應用尚不可知，有待進一步的論證和研究。

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