氧化镁膨胀剂及其在大体积混凝土申的应用

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摘要: 现行的混凝土外加剂规范中，未列入MgO膨胀剂。试验研究和工程实践证明，在大体积混凝土中掺入适量的M四膨胀剂，混凝土具有良好的力学性能和延迟微膨胀特性。充分利用这种特性，可以补偿混凝土的收缩变形，提高混凝土自身的抗裂能力，从而达到简化大体积混凝土温控措施、加快施工进度和节省工程投资的目的。为促进MgO膨胀剂的推广应用，建议将MgO膨胀剂列入我国混凝土外加剂类规范中。

关键词:M四膨胀剂;裂缝控制;延迟微膨胀;大体积混凝土

中图分类号:T528.55 文献标识码:A 文章编号:101一702X(2007)04一060一04

0 引言

普通混凝土在硬化过程中均会发生体积收缩，最常见的体积收缩是由于混凝土水分的散失或湿度下降引起的干缩和由于水泥水化热的散失或混凝土温度下降引起的冷缩。当混凝土的收缩值大于极限变形值，收缩变形引起的拉应力大于混凝土的极限抗拉强度时，混凝土将产生裂缝，导致混凝土的整体性、耐久性下降。对于大体积混凝土，干缩与冷缩同时存在，但由于水泥水化产生的热量的释放过程缓慢，混凝土从最高温度下降至稳定温度的时间往往需要几年至几十年[l]，因此冷缩比干缩更易引起裂缝，危害性也更大。

为防止混凝土产生裂缝，国内外学者从利用混凝土的限制膨胀补偿混凝土的限制收缩的立场出发，研究了一系列膨胀水泥和膨胀剂。如美国的K型、M型、5型膨胀水泥和日本的专门用于砂浆和混凝土的膨胀剂。我国对膨胀剂的研究也有30多年的历史。目前列入GB50119一2003混凝土外加剂应用技术规范》和JC476一2001《混凝土膨胀剂》的有硫铝酸钙类、氧化钙类、硫铝酸钙一氧化钙类3类膨胀剂[2]。对于氧化镁(M四)膨胀剂，虽然在20世纪六七十年代就有报道[3-4]，但由于过去工程应用很少等原因，我国未将其列入规范。

1982 年建成的吉林白山重力拱坝，虽然有60%以上的混凝土是在夏天浇筑，但当地气候寒冷，基础温差超过40℃，在蓄水前进行大坝检查时，却未发现基础贯穿性裂缝，表面裂缝也很少，运行多年后也未发生裂缝漏水现象。从原型观测资料中发现，白山拱坝混凝土在降温阶段产生了自生体积膨胀，抵消了大坝在降温过程中产生的体积收缩，抑制了大坝的裂缝。后经大量研究证明，白山大坝采用的内含4.28%一4.38%氧化镁(MgO)的抚顺大坝水泥引起了混凝土的膨胀，从而抑制了大坝混凝土的裂缝[5]。白山拱坝混凝土出现的这种现象，使广大工程技术人员深受启发，再次深思MgO这种“有害’物质的工程利用价值，寄希望从解决混凝土的“内因”着手，利用M扣膨胀剂的延迟微膨胀特性，突破传统的从控制混凝土的温度着手来预防大体积混凝土裂缝的理念，通过调节混凝土的自生体积变形来控制混凝土的裂缝。于是，对MgO膨胀剂及其应用的研究一直持续至今。

1 MgO膨胀剂的生产及技术要求

MgO膨胀剂是以富含MgO的菱镁矿(MgC03)、白云岩或石灰石为原料，经适宜温度锻烧后磨细而成，白色粉末状，密度2.9一3.3沙m3，其质量用纯度(MgO含量)、活性指标、烧失量、细度和氧化钙含量来评价。这些质量指标又与原料的品质、锻烧设备、锻烧制度、缎烧流程等密切相关。

MgO 膨胀剂的锻烧设备常采用工业反射窑(立窑)和回转窑。M沙的烧成温度越高，高温下的保温时间越长，活性指标越大，则方镁石(MgO晶体)的水化活性越小，水化越慢。利用回转窑生产MgO脚，窑内锻烧温度容易控制，烧成时间短(45一60min)，出窑的轻烧镁砂粒度较细(小于2mm的颗粒多于90%)，冷却快，烧失量小，烧成的M沙质量比较均匀，纯度大于90%，活性高。调整原料的锻烧设备、锻烧温度、高温下的保温时间、入窑粒度等，即可改变MgO膨胀剂的膨胀速率和膨胀量16)。若要生产内含MgO量较高的水泥，只需在水泥生料中掺入适量的菱镁矿，稍许改变水泥的锻烧工艺和生产流程即可。但是，由于受料源的限制，目前只有极少数的水泥厂家能够生产内含M沙量较高的水泥。长江三峡水利枢纽二、三期工程，贵州构皮滩水电站大坝等，均使用了内含MgO为3.5%一5.0%的微膨胀型中热水泥，其混凝土的自生体积变形均呈微膨胀型间。

直接将粉状MgO膨胀剂与混凝土的其它原材料(如水泥、碎石、砂子、粉煤灰等)一起搅拌而成的混凝土，可以根据混凝土结构设计要求的补偿收缩量，通过调整MgO膨胀剂的缎烧设备、烧成温度、高温下的保温时间、掺量、外掺混合材的种类等手段来调节混凝土的膨胀速率和膨胀量。利用这种方法配制M沙微膨胀混凝土，相对使用内含MgO量较高的水泥而言，方便灵活，实际工程应用较多[9]。1994年，能源部、水利部水利水电规划设计总院颁发了用于水利水电工程的轻烧M四膨胀剂的技术要求— 《水利水电工程轻烧MgO材料品质技术要求以行)，见表1。

2 MgO膨胀剂的作用机理

南京工业大学邓敏教授、崔雪华教授、唐明述院士等人通过多年研究后认为，经过高温锻烧的方镁石(MgO晶体)，水化作用很缓慢，在水化生成Mg(0H)2过程中引起的自生体积膨胀出现得较迟;由MgO水化而来的Mg(0H):晶体的形成和发展，是水泥石产生延迟性膨胀的源泉;MgO水泥结石的膨胀能来自于Mg(0H):晶体的吸水肿胀力和结晶生长压力，水化早期的Mg(0H)2晶体很细小，晶体的吸水肿胀力是水泥结石膨胀的主要动力，随着Mg(0H)2晶体的长大，晶体的结晶生长压力转变为膨胀的主要动力;MgO水泥结石的膨胀量取决于Mg(oH)2晶体存在的位置、形状和尺寸。MgO水泥结石和混凝土的膨胀性能主要取决于MgO膨胀剂的质量和掺量，其次与环境温度、混合材的种类和掺量、水泥熟料的矿物组成和游离CaO含量等因素有关。

3氧化镁膨胀剂的技术效应

利用贵州水泥厂42.5硅酸盐水泥、清镇电厂分选粉煤灰(l级)、人工砂石料、海城MgO(理化性能指标见表2)。在实验室拌制MgO混凝土配合比见表3。配比中的MgO外掺量分别为胶凝材料总量百分数，控制坍落度为2－6cm。

将编号为MO、M1、M2的混凝土力学性能实验试件脱模后放置于恒温(20士2)℃、相对湿度不低于95%的环境中养护，变形试件放置于恒温(20士2)℃、绝湿环境中养护，测得混凝土试件的力学性能、体积变形值G(t)及它们随MgO掺量变化的相对结果和随时间t变化过程曲线分别见表4、表5，图1。

注:混凝土试件28d龄期的抗渗标号均大于1.ZMPa。

根据表4、 表5分析，使用MgO膨胀剂后，混凝土表现出良好的力学性能和延迟微膨胀特性。

(l) 在相同条件下，外掺MgO膨胀剂的混凝土各个龄期的力学性能指标均比未掺的高，并随着MgO掺量的增加而增大。以90d龄期为例，外掺MgO膨胀剂的混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量和极限拉伸值均比未掺的提高6%-9%。

(2) 外掺 M go膨胀剂的混凝土膨胀量随着龄期的增长而增大，主要的膨胀量发生在龄期7一90d;膨胀速率则是早期大，后期小，在7一90d最大。以掺3.5%MgO的混凝土为例，在龄期7d、90d、Za、3a、4.sa的膨胀量分别是la龄期的0.21倍、0.73倍、1.03倍、1.06倍和1.07倍;在龄期28d以前的膨胀速率约为1.3×10-6/d在龄期28 d一la的膨胀速率为(2-10) ×10-630d;在la以后，膨胀速率降至(1-3) ×10-6/a。