氧化鎂膨脹劑及其在大體積混凝土中的應(yīng)用

摘要 : 現(xiàn)行的混凝土外加劑規(guī)范中，未列入MgO膨脹劑。試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，在大體積混凝土中摻入適量的M四膨脹劑，混凝土具有良好的力學(xué)性能和延遲微膨脹特性。充分利用這種特性，可以補(bǔ)償混凝土的收縮變形，提高混凝土自身的抗裂能力，從而達(dá)到簡化大體積混凝土溫控措施、加快施工進(jìn)度和節(jié)省工程投資的目的。為促進(jìn)MgO膨脹劑的推廣應(yīng)用，建議將MgO膨脹劑列入我國混凝土外加劑類規(guī)范中。

關(guān)鍵詞:M四膨脹劑;裂縫控制;延遲微膨脹;大體積混凝土

中圖分類號(hào):T528.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):101一702X(2007)04一060一04

0 引言

　　普通混凝土在硬化過程中均會(huì)發(fā)生體積收縮，最常見的體積收縮是由于混凝土水分的散失或濕度下降引起的干縮和由于水泥水化熱的散失或混凝土溫度下降引起的冷縮。當(dāng)混凝土的收縮值大于極限變形值，收縮變形引起的拉應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土將產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致混凝土的整體性、耐久性下降。對(duì)于大體積混凝土，干縮與冷縮同時(shí)存在，但由于水泥水化產(chǎn)生的熱量的釋放過程緩慢，混凝土從最高溫度下降至穩(wěn)定溫度的時(shí)間往往需要幾年至幾十年[l]，因此冷縮比干縮更易引起裂縫，危害性也更大。

　　為防止混凝土產(chǎn)生裂縫，國內(nèi)外學(xué)者從利用混凝土的限制膨脹補(bǔ)償混凝土的限制收縮的立場(chǎng)出發(fā)，研究了一系列膨脹水泥和膨脹劑。如美國的K型、M型、5型膨脹水泥和日本的專門用于砂漿和混凝土的膨脹劑。我國對(duì)膨脹劑的研究也有30多年的歷史。目前列入GB50119一2003混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和JC476一2001《混凝土膨脹劑》的有硫鋁酸鈣類、氧化鈣類、硫鋁酸鈣一氧化鈣類3類膨脹劑[2]。對(duì)于氧化鎂(M四)膨脹劑，雖然在20世紀(jì)六七十年代就有報(bào)道[3-4]，但由于過去工程應(yīng)用很少等原因，我國未將其列入規(guī)范。

　　1982 年建成的吉林白山重力拱壩，雖然有60%以上的混凝土是在夏天澆筑，但當(dāng)?shù)貧夂蚝?，基礎(chǔ)溫差超過40℃，在蓄水前進(jìn)行大壩檢查時(shí)，卻未發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)貫穿性裂縫，表面裂縫也很少，運(yùn)行多年后也未發(fā)生裂縫漏水現(xiàn)象。從原型觀測(cè)資料中發(fā)現(xiàn)，白山拱壩混凝土在降溫階段產(chǎn)生了自生體積膨脹，抵消了大壩在降溫過程中產(chǎn)生的體積收縮，抑制了大壩的裂縫。后經(jīng)大量研究證明，白山大壩采用的內(nèi)含4.28%一4.38%氧化鎂(MgO)的撫順大壩水泥引起了混凝土的膨脹，從而抑制了大壩混凝土的裂縫[5]。白山拱壩混凝土出現(xiàn)的這種現(xiàn)象，使廣大工程技術(shù)人員深受啟發(fā)，再次深思MgO這種“有害’物質(zhì)的工程利用價(jià)值，寄希望從解決混凝土的“內(nèi)因”著手，利用M扣膨脹劑的延遲微膨脹特性，突破傳統(tǒng)的從控制混凝土的溫度著手來預(yù)防大體積混凝土裂縫的理念，通過調(diào)節(jié)混凝土的自生體積變形來控制混凝土的裂縫。于是，對(duì)MgO膨脹劑及其應(yīng)用的研究一直持續(xù)至今。

1 MgO膨脹劑的生產(chǎn)及技術(shù)要求

　　MgO膨脹劑是以富含MgO的菱鎂礦(MgC03)、白云巖或石灰石為原料，經(jīng)適宜溫度鍛燒后磨細(xì)而成，白色粉末狀，密度2.9一3.3沙m3，其質(zhì)量用純度(MgO含量)、活性指標(biāo)、燒失量、細(xì)度和氧化鈣含量來評(píng)價(jià)。這些質(zhì)量指標(biāo)又與原料的品質(zhì)、鍛燒設(shè)備、鍛燒制度、緞燒流程等密切相關(guān)。

　　MgO 膨脹劑的鍛燒設(shè)備常采用工業(yè)反射窯(立窯)和回轉(zhuǎn)窯。M沙的燒成溫度越高，高溫下的保溫時(shí)間越長，活性指標(biāo)越大，則方鎂石(MgO晶體)的水化活性越小，水化越慢。利用回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)MgO腳，窯內(nèi)鍛燒溫度容易控制，燒成時(shí)間短(45一60min)，出窯的輕燒鎂砂粒度較細(xì)(小于2mm的顆粒多于90%)，冷卻快，燒失量小，燒成的M沙質(zhì)量比較均勻，純度大于90%，活性高。調(diào)整原料的鍛燒設(shè)備、鍛燒溫度、高溫下的保溫時(shí)間、入窯粒度等，即可改變MgO膨脹劑的膨脹速率和膨脹量16)。若要生產(chǎn)內(nèi)含MgO量較高的水泥，只需在水泥生料中摻入適量的菱鎂礦，稍許改變水泥的鍛燒工藝和生產(chǎn)流程即可。但是，由于受料源的限制，目前只有極少數(shù)的水泥廠家能夠生產(chǎn)內(nèi)含M沙量較高的水泥。長江三峽水利樞紐二、三期工程，貴州構(gòu)皮灘水電站大壩等，均使用了內(nèi)含MgO為3.5%一5.0%的微膨脹型中熱水泥，其混凝土的自生體積變形均呈微膨脹型間。

　　直接將粉狀MgO膨脹劑與混凝土的其它原材料(如水泥、碎石、砂子、粉煤灰等)一起攪拌而成的混凝土，可以根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的補(bǔ)償收縮量，通過調(diào)整MgO膨脹劑的緞燒設(shè)備、燒成溫度、高溫下的保溫時(shí)間、摻量、外摻混合材的種類等手段來調(diào)節(jié)混凝土的膨脹速率和膨脹量。利用這種方法配制M沙微膨脹混凝土，相對(duì)使用內(nèi)含MgO量較高的水泥而言，方便靈活，實(shí)際工程應(yīng)用較多[9]。1994年，能源部、水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院頒發(fā)了用于水利水電工程的輕燒M四膨脹劑的技術(shù)要求— 《水利水電工程輕燒MgO材料品質(zhì)技術(shù)要求以行)，見表1。

2 MgO膨脹劑的作用機(jī)理

　　南京工業(yè)大學(xué)鄧敏教授、崔雪華教授、唐明述院士等人通過多年研究后認(rèn)為，經(jīng)過高溫鍛燒的方鎂石(MgO晶體)，水化作用很緩慢，在水化生成Mg(0H)2過程中引起的自生體積膨脹出現(xiàn)得較遲;由MgO水化而來的Mg(0H):晶體的形成和發(fā)展，是水泥石產(chǎn)生延遲性膨脹的源泉;MgO水泥結(jié)石的膨脹能來自于Mg(0H):晶體的吸水腫脹力和結(jié)晶生長壓力，水化早期的Mg(0H)2晶體很細(xì)小，晶體的吸水腫脹力是水泥結(jié)石膨脹的主要?jiǎng)恿?，隨著Mg(0H)2晶體的長大，晶體的結(jié)晶生長壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浀闹饕獎(jiǎng)恿?MgO水泥結(jié)石的膨脹量取決于Mg(oH)2晶體存在的位置、形狀和尺寸。MgO水泥結(jié)石和混凝土的膨脹性能主要取決于MgO膨脹劑的質(zhì)量和摻量，其次與環(huán)境溫度、混合材的種類和摻量、水泥熟料的礦物組成和游離CaO含量等因素有關(guān)。

3氧化鎂膨脹劑的技術(shù)效應(yīng)

　　利用貴州水泥廠42.5硅酸鹽水泥、清鎮(zhèn)電廠分選粉煤灰(l級(jí))、人工砂石料、海城MgO(理化性能指標(biāo)見表2)。在實(shí)驗(yàn)室拌制MgO混凝土配合比見表3。配比中的MgO外摻量分別為膠凝材料總量百分?jǐn)?shù)，控制坍落度為2-6cm。

　　將編號(hào)為MO、M1、M2的混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)試件脫模后放置于恒溫(20士2)℃、相對(duì)濕度不低于95%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，變形試件放置于恒溫(20士2)℃、絕濕環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，測(cè)得混凝土試件的力學(xué)性能、體積變形值G(t)及它們隨MgO摻量變化的相對(duì)結(jié)果和隨時(shí)間t變化過程曲線分別見表4、表5，圖1。

　　注:混凝土試件28d齡期的抗?jié)B標(biāo)號(hào)均大于1.ZMPa。[Page]

　　根據(jù)表4、 表5分析，使用MgO膨脹劑后，混凝土表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和延遲微膨脹特性。

　　(l) 在相同條件下，外摻MgO膨脹劑的混凝土各個(gè)齡期的力學(xué)性能指標(biāo)均比未摻的高，并隨著MgO摻量的增加而增大。以90d齡期為例，外摻MgO膨脹劑的混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量和極限拉伸值均比未摻的提高6%-9%。

　　(2) 外摻Mgo膨脹劑的混凝土膨脹量隨著齡期的增長而增大，主要的膨脹量發(fā)生在齡期7一90d;膨脹速率則是早期大，后期小，在7一90d最大。以摻3.5%MgO的混凝土為例，在齡期7d、90d、Za、3a、4.sa的膨脹量分別是la齡期的0.21倍、0.73倍、1.03倍、1.06倍和1.07倍;在齡期28d以前的膨脹速率約為1.3×10^-6/d在齡期28 d一la的膨脹速率為(2-10) ×10^-630d;在la以后，膨脹速率降至(1-3) ×10^-6/a。

　　(3)MgO混凝土的膨脹量隨著MgO摻量的增加而增大。在齡期28d、90d、la和4.5a，摻3.5%MgO的混凝土的膨脹量約為摻2.5%的1.犯倍、1.26倍、1.24倍和1.22倍，約為未摻的2.93倍、2.39倍、1.90倍和1.69倍。

　　(4) MgO混凝土的長期自生體積膨脹變形是穩(wěn)定的(見圖1)。

　　從圖1可見，對(duì)摻MgO膨脹劑的混凝土歷時(shí)近5a的測(cè)試值看，膨脹量均勻增長，膨脹過程曲線無突變現(xiàn)象，齡期la之后，膨脹曲線已基本平穩(wěn)，每年的膨脹量僅增加(0.5-3) ×10^-6，且增長速率逐漸趨于零，沒有回縮和無限膨脹趨勢(shì)。從理論上講，MgO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的穩(wěn)定性高，溶解度不足Ca(OH)2的1/20，因此MgO的水化反應(yīng)一旦完畢，膨脹變形即告結(jié)束，并長期保持穩(wěn)定狀態(tài)。

　　工程實(shí)踐表明，大體積混凝土澆筑后，由于水泥的硬化，散發(fā)大量的熱量，使混凝土的溫度迅速上升。待達(dá)到最高溫度后，隨著熱量向外部釋放，混凝土溫度將緩慢下降至一個(gè)穩(wěn)定溫度，最高溫度與穩(wěn)定溫度之差在20℃左右，需要的補(bǔ)償收縮量約20×10^-6?；炷羶?nèi)部溫度開始下降的時(shí)間一般是從混凝土澆筑后的7d起，持續(xù)時(shí)間可達(dá)幾年至幾十年(因混凝土的熱傳導(dǎo)性能差)。而MgO混凝土的膨脹主要發(fā)生在大體積混凝土的降溫收縮階段(即齡期7一90d)，之后，每年的膨脹量僅增加(0.5-3×10^-6，并逐漸趨于穩(wěn)定。因此，利用好MgO混凝土的延遲微膨脹特性，能夠補(bǔ)償大體積混凝土在降溫階段產(chǎn)生的體積收縮，提高混凝土自身的抗裂能力。然而，使用硫鋁酸鈣類、氧化鈣類、硫鋁酸鈣一氧化鈣類膨脹劑的混凝土，其在非水養(yǎng)護(hù)環(huán)境中的膨脹變形主要發(fā)生在早期(一般為混凝土澆筑后的1一7d內(nèi))，且之后大多呈收縮狀態(tài)[2-3]，0]，難以滿足補(bǔ)償大體積混凝土冷縮的要求。

　　另外，由圖 1試樣MO可見，42.5級(jí)硅酸鹽水泥本身具有一定的延遲微膨脹性能。這是因?yàn)樵摴杷猁}水泥的MgO含量高達(dá)2.25%，超過了水泥熟料中礦物相的可固容量。若水泥熟料中MgO含量較高，在高溫鍛燒時(shí)，部分MgO固熔在熟料的礦物相中(可固熔量一般不超過2%)，這部分MgO不會(huì)使水泥硬化漿體產(chǎn)生膨脹，超過可固熔量的部分MgO則形成方鎂石晶體，在水化生成Mg(0H):的過程中引起延遲性膨脹。

4 MgO膨脹劑的應(yīng)用實(shí)例

4.1 貴州東風(fēng)水電站拱壩基礎(chǔ)[Page]

　　MgO膨脹劑率先應(yīng)用于1990年1月27日一3月27日澆筑的貴州省東風(fēng)水電站主體工程的拱壩基礎(chǔ)，MgO摻量為3.5%，混凝土體積為1.36×10⁴m³。由于MgO一直被看作有害物質(zhì)，當(dāng)時(shí)在主體工程中應(yīng)用MgO在國內(nèi)外屬于闖禁區(qū)的舉動(dòng)，因此，參建各方非常慎重。除在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)試驗(yàn)、進(jìn)行中間現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和專家咨詢外，還在混凝土內(nèi)部不同部位埋設(shè)了10支無應(yīng)力測(cè)試計(jì)，以觀測(cè)混凝土的長期變形情況。

　　東風(fēng)水電站拱壩基礎(chǔ)采用MgO混凝土澆筑后，減少了分縫分塊，原設(shè)計(jì)的5條橫縫修改為3條，并取消了縱縫，深槽混凝土由原設(shè)計(jì)的36個(gè)澆筑塊降低為12個(gè)，并且省去了水管冷卻和加冰拌合等常規(guī)溫控措施。經(jīng)歷了2個(gè)汛期的考驗(yàn)后，在1991年澆筑壩體混凝土之前，經(jīng)清渣全面檢查，未發(fā)現(xiàn)裂縫，橫縫縫面和混凝土與兩側(cè)基巖的接觸面結(jié)合緊密[11]。因此后來取消了接縫灌漿，共節(jié)省溫控費(fèi)用和灌漿費(fèi)用約25萬元人民幣。而且，該基礎(chǔ)混凝土比預(yù)計(jì)工期提前45d澆完，兩岸壩肩的開挖得以提前進(jìn)行，為在第2年澆筑壩體混凝土奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，保證了壩體混凝土的施工工期，避免了1年的工期損失，間接經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

　　另外，長達(dá)10年的原型監(jiān)測(cè)成果再次表明，MgO混凝土的主要膨脹量(約75%)發(fā)生在齡期7一90d內(nèi)，且早期膨脹速率大，后期小，至la后，膨脹速率降至(0.1一1.5)×10^-6/a，且增長速率逐漸趨于零，長期膨脹變形總是趨于穩(wěn)定，沒有無限膨脹趨勢(shì)[l2]。東風(fēng)水電站已投產(chǎn)12年，大壩至今運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期目的。

4.2MgO膨脹劑的推廣應(yīng)用簡述

　　自從東風(fēng)拱壩基礎(chǔ)成功應(yīng)用MgO混凝土以來，中國己有30多個(gè)水利水電工程使用MgO膨脹劑，包括貴州省內(nèi)的普定、洪家渡、索風(fēng)營、魚簡河、落腳河水電站、沙老河水庫、三江水庫、廣東省內(nèi)的青溪、飛來峽、壩美、長潭水電站等，應(yīng)用部位從重力壩基礎(chǔ)約束區(qū)、碾壓混凝土壩基礎(chǔ)墊層、大壩基礎(chǔ)回填、混凝土防滲面板，到中型拱壩全壩段;既有常態(tài)混凝土，也有碾壓混凝土;壩型有重力壩、拱壩、面板堆石壩等;MgO摻量為1.75%一5.75%，實(shí)測(cè)混凝土的自生體積膨脹量多在(50-200) ×10^-6[9]。

　　正在建設(shè)中的裝機(jī)容量為60MW的貴州黃花寨水電站，將于2007年上半年澆筑碾壓混凝土拱壩，混凝土體積量為34萬m3，計(jì)劃于208年1月底全面澆筑完畢。該工程將把MgO混凝土筑壩技術(shù)推向又一個(gè)高峰，壩高突破10m，達(dá)到110m，壩體除設(shè)誘導(dǎo)縫外，不分橫縫，全壩段使用MgO膨脹劑。

　　MgO膨脹劑除用于水利水電工程外，還可用于工業(yè)與民用建筑工程、地下工程、交通工程等。工程實(shí)踐表明，凡是處于受約束環(huán)境并對(duì)混凝土或水泥砂漿有抗裂或防滲要求的工程部位，均可使用MgO膨脹劑。如防水屋面、地下停車場(chǎng)、地下油罐、地鐵、隧道、人防工程、水池、機(jī)場(chǎng)跑道路面、預(yù)應(yīng)力混凝土、預(yù)應(yīng)力錨索及錨桿孔回填、探洞回填、噴錨灌漿、基礎(chǔ)與裂縫灌漿、大壩縱縫與橫縫灌漿、井壁防滲層、管道搶修堵漏、工程修補(bǔ)等。

4.3應(yīng)用MgO膨脹劑的注意事項(xiàng)

　　使用M go膨脹劑時(shí)，必須結(jié)合具體工程使用的原材料和由應(yīng)力補(bǔ)償分析決定的膨脹量，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定MgO膨脹劑的適宜摻量。目前確定MgO膨脹劑摻量的法規(guī)性依據(jù)是GB75任一1999《水泥安定性試驗(yàn)方法— 壓蒸法》，即采用水泥凈漿試件壓蒸試驗(yàn)法，以水泥凈漿試件的壓蒸膨脹率不超過0.5%來確定MgO的摻量，其值一般為膠凝材料的4%-6%。用壓蒸安定性試驗(yàn)來確定MgO膨脹劑的摻量，其目的是防止過量的M扣使混凝土過度膨脹而破壞混凝土結(jié)構(gòu)，危及建筑物的安全。

　　此外，必須抓好MgO膨脹劑的質(zhì)量、運(yùn)輸、保管和施工組織管理工作，MgO膨脹劑不得受潮。

5 結(jié)語

　　我國現(xiàn)行的GB50119一203《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和JC476-201《混凝土膨脹劑》規(guī)范中，雖未列入MgO膨脹劑，但在工程中得到應(yīng)用，并取得了實(shí)實(shí)在在的技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益，特別是水利水電工程，應(yīng)用前景良好。而且，MgO膨脹劑從微觀到宏觀的研究、從開發(fā)到工程應(yīng)用，也已進(jìn)行了30多年，積累了不少理論研究成果和工程應(yīng)用成果，形成了一套完整的、成熟的理論體系和應(yīng)用體系。試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐證明，在大體積混凝土中摻入適量的MgO膨脹劑，混凝土具有良好的力學(xué)性能和延遲微膨脹特性。充分利用這種特性，可以補(bǔ)償混凝土的收縮變形，提高混凝土自身的抗裂能力，從而達(dá)到簡化大體積混凝土溫控措施、加快施工進(jìn)度和節(jié)省工程投資的目的。為進(jìn)一步促進(jìn)MgO膨脹劑的推廣應(yīng)用，建議將MgO膨脹劑列入混凝土外加劑類規(guī)范中。

參考文獻(xiàn):

[l] 龔召熊，水工混凝土的溫控與防裂[M].北京:中國水利水電出版社 ， 2000

[2]游寶坤，李乃珍.膨脹劑及其補(bǔ)償收縮混凝土仁M工北京:中國建材工 業(yè) 出版 社，2006.