關(guān)于氧化鎂膨脹劑的評(píng)述

  【摘 要】本文根據(jù)有關(guān)專(zhuān)家的研究成果，對(duì)我國(guó)氧化鎂膨脹劑的研制與開(kāi)發(fā)進(jìn)行評(píng)述，指出MgO膨脹劑不適合用于工民建結(jié)構(gòu)大體積混凝上的理由，提出氧化鎂膨脹劑的適用范圍和研究方向。

  【關(guān)鍵詞】氧化鎂膨脹劑；延緩膨脹控制；適用范圍

  1 前言

  在2010年第1期《膨脹劑與膨脹混凝土》雜志上，分別發(fā)表了莫立武、李家正、陳昌禮、杜兆金、張宋治、李延波、鄧敏和劉立等專(zhuān)家學(xué)者關(guān)于我國(guó)氧化鎂膨脹劑的研制、膨脹機(jī)理、摻MgO膨脹劑混凝土的物理力學(xué)性能，以及在壩工大體積混凝土的應(yīng)用成果。筆者閱讀以后，收獲不少，了解到我國(guó)MgO膨脹劑的發(fā)展概況，和取得很大的成績(jī)，為我國(guó)大壩建設(shè)作出了貢獻(xiàn)，向他們表示衷心的祝賀!

  20世紀(jì)70年代初，我國(guó)專(zhuān)家對(duì)MgO混凝土筑壩技術(shù)進(jìn)行了研究，利用MgO水化產(chǎn)生延遲膨脹，補(bǔ)償大壩基礎(chǔ)混凝土溫降收縮，簡(jiǎn)化溫控措施，降低溫控費(fèi)用，節(jié)約工程投資，加快施工進(jìn)度，這一創(chuàng)新技術(shù)已在筑壩混凝土中大力推廣，取得實(shí)質(zhì)性成果。

  1981年，浙江大學(xué)開(kāi)始進(jìn)行雙膨脹水泥的研究，采用提高M(jìn)gO和石膏含量，獲得水鎂石和鈣礬石兩個(gè)膨脹源。

  針對(duì)MgO混凝土早期膨脹太小問(wèn)題，1995年，游寶坤與王棟民等提出用氧化鎂、天然明礬石和石膏研制大壩延遲膨脹劑，與中國(guó)水利電力科學(xué)研究院的顫永嚴(yán)、黃國(guó)興等合作開(kāi)發(fā)，并向水利電力部申報(bào)科研項(xiàng)目，但沒(méi)有批準(zhǔn)，因而終止繼續(xù)研究。但筆者認(rèn)為，氧化鎂與延遲鈣礬石雙膨脹劑，其補(bǔ)償收縮性能會(huì)比單獨(dú)MgO好，有開(kāi)發(fā)前景。

  MgO膨脹劑幾乎都應(yīng)用在筑壩混凝土上，能否應(yīng)用于一般工業(yè)與民用建筑上?這涉及構(gòu)筑物的安全性問(wèn)題，希望引起學(xué)術(shù)界和工程界人士的關(guān)注。

  2 氧化鎂膨脹劑及其應(yīng)用

  在水泥熟料中的方鎂石(MgO)為等軸品系，難溶于水，其水化十分緩慢，膨脹穩(wěn)定期很長(zhǎng)。國(guó)外個(gè)別橋梁混凝土開(kāi)裂，查明是由于水泥中含有較多MgO，后期產(chǎn)生的體積膨脹所致。水泥中經(jīng)高溫煅燒的MgO被認(rèn)為是有害成分，因而，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水泥熟料中MgO一般不得大于5%。

  自1982年在吉林白山大壩偶然發(fā)現(xiàn)氧化鎂水泥具有微膨脹性能改善開(kāi)裂作用以來(lái)，經(jīng)過(guò)30多年基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用研究，證明氧化鎂并非是“有百害而無(wú)一利”。相反，利用它緩慢膨脹特性可以補(bǔ)償大體積混凝土溫降收縮和自收縮，減免裂縫出現(xiàn)。

  生產(chǎn)高氧化鎂水泥受到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的限制，并具有風(fēng)險(xiǎn)性。在20世紀(jì)90年代初，氧化鎂膨脹劑應(yīng)運(yùn)而生，經(jīng)研究表明，輕燒氧化鎂的水化速度比1400℃～1450℃的方鎂石的水化速度快，其膨脹穩(wěn)定期有所縮短(見(jiàn)圖1)。這是因?yàn)?，用菱鎂礦低溫煅燒氧化鎂晶粒之間存在較大的空隙和比表面積，它們與水反應(yīng)的接觸面積較大，反應(yīng)速度就快。如果提高煅燒溫度，氧化鎂晶體的尺寸減少，結(jié)晶粒子密實(shí)，會(huì)大大延緩它們的水化反應(yīng)，故膨脹穩(wěn)定期延長(zhǎng)。氧化鎂膨脹劑的水化速度與溫度高低有直接關(guān)系，從圖2的試驗(yàn)結(jié)果可知，氧化鎂摻量為6%，混凝土在40℃養(yǎng)護(hù)下，試件在養(yǎng)護(hù)齡期7d內(nèi)收縮，7d之后開(kāi)始膨脹，在21d～70d齡期內(nèi)膨脹速率較快；84d之后膨脹速率變慢，1年后基本不產(chǎn)生膨脹。而在20℃養(yǎng)護(hù)下，先收縮后膨脹，但混凝土膨脹率速率小，其膨脹率低于30℃、40℃養(yǎng)護(hù)的試件，1年后仍繼續(xù)膨脹。結(jié)果表明，氧化鎂膨脹劑摻量相同下，養(yǎng)護(hù)溫度越高，前期膨脹速率越大，后期膨脹速率越小，膨脹穩(wěn)定期提前。

  對(duì)于大壩混凝土來(lái)說(shuō)，由于水泥水化釋放熱量，一般在3d～5d可達(dá)30℃～50℃，且降溫時(shí)間持續(xù)1年以上，在這樣的水化環(huán)境中，MgO膨脹速率也加快，1年后基本不膨脹，對(duì)壩體是安全的。

  我國(guó)水利電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院于1995年制定了《MgO微膨脹混凝土筑壩技術(shù)暫行規(guī)程及編制說(shuō)明》，這對(duì)MgO膨脹劑在大壩混凝土的應(yīng)用有指導(dǎo)意義。迄今MgO膨脹劑已經(jīng)在全國(guó)三十幾座水利工程中得到成功應(yīng)用，應(yīng)用部位主要有重力壩基礎(chǔ)約束區(qū)、碾壓混凝土壩墊層、大壩基礎(chǔ)、導(dǎo)流洞、導(dǎo)流底孔和中型拱壩全壩段等，外摻MgO混凝土用量約100多萬(wàn)m3 , MgO摻量為2.0%～5.5% 。

  專(zhuān)家們認(rèn)為，今后應(yīng)在如下幾個(gè)方面開(kāi)展工作：

  （1）目前我國(guó)MgO膨脹劑生產(chǎn)工藝比較落后，無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的要求，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)較大。因此，函待解決MgO選用何種窯型，何種生產(chǎn)工藝的問(wèn)題。

  （2）進(jìn)一步深入關(guān)于MgO膨脹劑膨脹機(jī)理與膨脹調(diào)控機(jī)制的研究，完善MgO膨脹劑膨脹性能調(diào)控與設(shè)計(jì)原理。

  （3）提出科學(xué)評(píng)估摻MgO膨脹劑混凝土安定性的方法和標(biāo)準(zhǔn)。

  （4）加快制定MgO膨脹劑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

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  然而，對(duì)于一般工民建結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)等級(jí)為C30～C40，厚度為1m～3m大體積混凝土。水泥用量較高，混凝土澆筑后2d～3d，內(nèi)部溫度達(dá)50℃～80℃，一般經(jīng)7d～14d，溫度降至常溫。如果用MgO膨脹劑補(bǔ)償冷縮，就可能出問(wèn)題。為什么？如上述試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土澆筑14d后，其溫度降至常溫，MgO在20℃下水化十分緩慢，1年后仍產(chǎn)生膨脹，此間混凝土彈性模量不斷增高，后期積累的膨脹量，就會(huì)產(chǎn)生很大的膨脹應(yīng)力，可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，這樣的失敗事例曾發(fā)生過(guò)。所以，國(guó)內(nèi)外水泥標(biāo)準(zhǔn)中，大都規(guī)定MgO≤5%。由于工民建結(jié)構(gòu)大體積混凝土在體量上、水化熱溫降速率與大壩混凝土有很大區(qū)別，筆者認(rèn)為，MgO膨脹劑不適用于工民建結(jié)構(gòu)大體積混凝土的裂縫控制，只適用于混凝土的筑壩工程。鑒于MgO膨脹劑的特殊性，因此，在《混凝土膨脹劑》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有把MgO膨脹劑列入其中。

  3 延遲型雙膨脹劑的研究

  1975年，中國(guó)工程院吳中偉院士在他的《補(bǔ)償收縮混凝土》專(zhuān)著中提出了冷縮和干縮聯(lián)合補(bǔ)償模型。他認(rèn)為“采用水化熱低又有一定膨脹性能的補(bǔ)償收縮混凝土，同時(shí)加以適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂?，有可能?jīng)濟(jì)合理且有效地解決大體積混凝土的冷縮和干縮問(wèn)題?！睘榇耍?989年，中國(guó)建材院在UEA膨脹劑研究的基礎(chǔ)上，與長(zhǎng)江科學(xué)院聯(lián)合研制，開(kāi)發(fā)低熱抗裂劑(LHEA)。其目標(biāo)是研制一種生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本較低，具有低熱微膨脹的混凝土外加劑。它是由可延遲膨脹的明礬石、高嶺土和石膏等原料配制而成。但是，由于研究經(jīng)費(fèi)等問(wèn)題，該課題中途停止。

  我國(guó)著名大壩建筑專(zhuān)家吳來(lái)峰、儲(chǔ)傳英、張錫祥在1987年發(fā)表了《建壩新途徑》專(zhuān)著，介紹了利用補(bǔ)償收縮混凝土筑壩新技術(shù)。他們認(rèn)為，在水工方面，根據(jù)大壩混凝土溫降收縮的規(guī)律，應(yīng)重點(diǎn)研究膨脹期后延的雙膨脹混凝土，在7d～15d具有150×10-6左右的微應(yīng)變和在30d～90d之間具有150×10-6微應(yīng)變。這樣，早期膨脹可以防止混凝土受溫度沖擊形成的表面裂縫、后期膨脹，可以防止大壩混凝土緩慢溫降產(chǎn)生的溫差裂縫。

  根據(jù)專(zhuān)家們的意見(jiàn)，1995年，我院與中國(guó)水利電力科學(xué)研究院簽定也聯(lián)合研制延遲型雙膨脹型混凝土膨脹劑(DEA)，并向水電部申報(bào)科研基金。DEA膨脹劑由游寶坤、王棟民等負(fù)責(zé)研究，我們采用明礬石、石膏和輕燒氧化鎂等原料配制，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，天然明礬石和石膏形成鈣礬石作為早期膨脹源，Mg (OH)2作為后期膨脹源，達(dá)到雙膨脹的效果(見(jiàn)圖3)。明礬石主要礦物是硫鋁酸鉀(鈉)K2SO4· A12(SO4)3· 4A1(OH)3，其溶解速度較慢，在Ca(OH)2和CaSO4激發(fā)下，水化形成鈣礬石。其反應(yīng)式：

  圖3 摻不同膨脹劑的混凝土的膨脹曲線(xiàn)

  經(jīng)研究表明，在常溫下，明礬石與石膏形成鈣礬石的速率較慢，膨脹期穩(wěn)定期達(dá)(5～6)月，但在30℃～50℃溫度環(huán)境中，其水化速度加快，7d～28d是主要膨脹期，成為大壩混凝土的早期膨脹源。而輕燒MgO水化形成的Mg(OH)2，其水化速度延慢，在7d前基本不膨脹，在30℃～50℃水化環(huán)境中，膨脹逐漸增加，持續(xù)到3月至1年，補(bǔ)償大壩混凝土的溫降收縮。

  試驗(yàn)證明，以明礬石、石膏和MgO組成的雙膨脹劑的混凝土的補(bǔ)償收縮效果比單膨脹的MgO膨脹劑更好，由于DEA中MgO含量為20%～30%，以10%DEA摻入混凝土中，MgO含量為2%～3%，不存在MgO水化后期的安定性問(wèn)題，而明礬石和石膏為天然原料，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)比MgO的低。

  遺憾的是，延遲型雙膨脹混凝土膨脹劑(DEA)研發(fā)課題沒(méi)有被水電部科技部批準(zhǔn)，由于缺乏資金，終止了研究。但是，我們認(rèn)為：DEA作為改進(jìn)型的MgO膨脹劑，值得進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。

  4 結(jié)語(yǔ)

  現(xiàn)代混凝土壩設(shè)計(jì)理論與施工方法，它以“柱狀法”為特點(diǎn)，分層分倉(cāng)澆筑，降溫措施復(fù)雜，施工周期長(zhǎng)。1970年，在美國(guó)召開(kāi)的大壩施工會(huì)議上，提出了采用具有膨脹性的混凝土解決大壩溫度控制的新設(shè)想，但至今尚未見(jiàn)到國(guó)外研究成果或?qū)嵗?980年后，我國(guó)科研院校與水電工程界合作，先后研制成功低熱微膨脹水泥，雙膨脹水泥和MgO膨脹劑，開(kāi)創(chuàng)了補(bǔ)償收縮混凝土筑壩新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用。尤其MgO膨脹應(yīng)用方興未艾。本文的評(píng)述不一定全面，筆者提出MgO膨脹劑不適用于工民建結(jié)構(gòu)大體積的理由，希望引起注意，同時(shí)，提出了延遲型雙膨脹劑(DEA)的初步研究成果，值得進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。

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