氧化镁膨胀混凝土研究及应用进展

□刘 军（国务院南水北调工程建设委员会办公室）

□张 文（新安县水利局）

作为人造材料的一种，混凝土应用最为广泛，而且从目前的工程建设来看，这种情况还将持续很长时间。混凝土作为工程材料，有几个固有特点：一是在混凝土中胶凝材料的水化反应过程中，强度得到增长的同时，伴有大量的热量释放以及体积变形（主要为温度变形和自生体积变形，且主要表现为收缩）；二是试验研究证实，相比较混凝土的抗压强度，其抗拉强度较小，混凝土抗拉强度约为抗压强度的10%左右。由此可见，混凝土若在施工建设期或运行期出现较大的收缩变形或者拉应力，且当其超过极限变形量或抗拉强度时，混凝土的完整性遭到破坏，产生裂缝。从混凝土结构发展至今来看，裂缝问题无疑是混凝土结构进一步发展的最大障碍之一，它不仅影响混凝土的外观质量，降低耐久性，严重的甚至会影响结构的抗压能力和正常使用，从而造成结构漏水，环境有害介质（如氯盐等）侵蚀，加速钢筋锈蚀等问题。因此，为了减小混凝土的收缩或拉应力，目前MgO膨胀混凝土的应用越来越广泛。

1.MgO膨胀剂膨胀机理研究情况

目前，对MgO膨胀剂膨胀机理的研究还不充分，被人普遍接受的是，吸水肿胀理论和结晶生长压理论。其中，查特吉认为，MgO影响水泥浆体膨胀的动力源于MgO水化产生结晶生长压。

Vm式中，Vm为晶体摩尔体积；αs和α0分别为过饱和溶液和饱和溶液的平均活度；R 为气体常数，J/（mol·K）；T 为绝对温度，K。

式（1）中，当浓度较低时，可视活度系数 γ＝1.0，此时 αS和α0可用浓度CS和C0代替，上式计算可不考虑活度系数影响，可得到简化。

当MgO遇水发生水解水化时，开始会形成可溶解的微小晶体，然后，这些可溶解微小晶体形成重结晶，并逐渐生长成大晶体从而产生了膨胀。研究认为，当αS/α0＝1.03时，MgO的这种水解水化反应过程就可以产生较为明显的膨胀效果。

影响结晶生长压ΔP的主要因素有：MgO水化反应所生成的Mg（OH）2的位置、溶解度、生长习性以及Mg2+的扩散特性。查特吉的这一理论所指出掺MgO水泥浆体产生膨胀变形的动力来源于MgO遇水后由于水解水化反应产生的结晶生长压ΔP，为其他学者的进一步深入研究提供了方向和参考。

图1 含氧化镁水泥浆体的膨胀模型图

邓敏等人研究认为，Mg（OH）2+晶体的生成和发育是MgO水泥浆体产生膨胀的起因，因此，MgO水泥浆体的膨胀量就取决于Mg（OH）2晶体的性态，包括其所处位置、尺寸以及形状等。而水化膨胀除了MgO水化产生的结晶生长压力ΔP，还有一部分来自 Mg（OH）2晶体的 Δσ，即吸水肿胀力；而且，MgO 水泥浆体早期的主要膨胀驱动力来自吸水肿胀力Δσ，后期则主要来自结晶生长压力ΔP。此外，邓敏等人还对不同水泥掺合料对MgO水泥浆体膨胀作用进行研究，重点对粉煤灰MgO水泥浆体以及矿渣MgO水泥浆体进行了研究，认为由于孔溶液的碱度低于硅酸盐水泥浆体孔溶液的碱度，粉煤灰水泥和矿渣水泥对MgO水泥浆体膨胀具有抑制作用，其膨胀效果有所减弱，这主要是如图1所示。

但事实上，MgO的品种、掺法及掺量、水泥的品种及掺量、含水量以及养护温度及湿度等因素均在一定程度上影响MgO水泥浆体的膨胀性能。此外，吸水肿胀理论和结晶生长压理论并不能很好的诠释新型镁质膨胀材料能够改善粉煤灰对MgO膨胀材料抑制作用的原因。以往认为MgO水泥浆体的体积变形是MgO水化产生的膨胀和水泥基材料的体积变形叠加的结果，且认为掺MgO膨胀剂水泥浆体的膨胀量即为水泥中MgO的水化膨胀量。但是，事实上，MgO颗粒的实际膨胀量还要考虑到其对MgO水泥浆体整体膨胀率的贡献问题，即存在一个有效膨胀量的概念，且MgO的膨胀量与MgO水泥浆体的膨胀量不一定相同，如粉煤灰水泥水化后的体积会收缩，因此，应区别掺MgO水泥的膨胀机理和水泥中MgO的膨胀机理两者之间的概念，才能进一步开展掺MgO膨胀剂膨胀机理的研究。

2.MgO混凝土的变形特性研究进展

一般认为，MgO混凝土的生成方法可有几种：一是共磨外掺MgO水泥，即配入一定量的MgO粗粒料与水泥熟料共同粉磨；二是共烧内含MgO，即水泥在水泥生料配制时，配入一定量的菱镁矿共同煅烧；三是共混外掺MgO水泥，即将磨细的MgO与水泥预先共混均匀；四是机口外掺MgO微膨胀混凝土，即将MgO膨胀剂直接在拌和混凝土时加入混凝土中拌和。其中第四种方法比较常用。

MgO对混凝土特性影响最为显著的就是自生体积变形，目前的研究也大多集中于此。根据文献的研究成果，总结如下：

2.1 MgO混凝土的自生体积膨胀随MgO掺量的线性增大，随着观测龄期的延长而单调增加并趋于稳定，不存在无限膨胀和回缩现象（图2）。这是因为MgO的水化反应是渐进的不可逆反应，其水化产物 Mg（OH）2是稳定的，溶解度不到 Ca（OH）2的 1/200。虽然MgO的水化反应过程可能需要很长的时间，但是一旦反应完毕，膨胀变形即结束，并长期保持稳定。

2.2 MgO混凝土中水化生成Mg（OH）2的速度和养护温度有关，温度越高生成Mg（OH）2的速度越快，同一时刻混凝土的膨胀变形量就越大，达到最终膨胀量的时间也越早，温度对氧化镁混凝土自生体积变形的影响如（图3）所示。但从MgO膨胀机理来讲，MgO混凝土的最终膨胀量只取决于其所掺MgO的含量，与养护温度无关。

2.3 MgO混凝土的自生体积膨胀变形主要在中期发生，大约有80%的膨胀量在20-1000d完成（图4），膨胀变形在后期具有一定的延迟性。但是最终膨胀完成需要较长的时间，但最终都会趋于稳定，没有无限膨胀的发展趋势。

3.氧化镁混凝土筑坝技术应用进展

图2 MgO含量与365天ε的关系图

图3 不同T时MgO混凝土自生体积变形图

图4 MgO混凝土自生体积长期变形特性图

自从20世纪70年代，MgO混凝土在白山大坝中得到了较好的应用，此后，MgO混凝土筑坝技术引起了国内专家的广泛关注，这其中就有我国水电专家张光斗院士。近年来，随着研究的不断深入，MgO混凝土筑坝技术得到越来越多的应用，先后被推广应用于我国许多大、中型的水利工程建设中。MgO混凝土的应用部位也已从碾压混凝土坝基础垫层、大坝基础垫层发展到导流洞封堵、重力坝基础约束区、高压管道外围回填，直到中型拱坝的全坝段。

MgO混凝土筑坝技术，是指在生产大坝混凝土时从调节混凝土自生体积变形的思路出发，利用MgO特有的延迟性膨胀性能，力求通过调节MgO的掺量、掺法及质量来控制混凝土膨胀变形性态，使其产生与混凝土降温阶段所产生的收缩变形相适用的膨胀变形，从而减小混凝土拉应力，提供抗裂性能。目前，对MgO混凝土膨胀性的控制主要根据其膨胀的发生时间、膨胀量、膨胀速率、稳定时间等方面进行，依然存在控制滞后性的问题。

事实上，这项技术原理非常简单，只是利用掺MgO混凝土自生体积膨胀变形这一固有特性来补偿甚至抵消温降产生收缩的变形，从而达到控制开裂的目的。由于这种技术目前在工程上已经获得了一定的应用效果，使得国内部分专家大胆认为：只要胶凝材料中含有3.5%～5.0%的MgO，它所产生的混凝土自生体积膨胀量完全可以补偿混凝土坝中由于温度变形产生过大拉应力而致裂的问题，可以“替代传统的预冷、加冰、内埋冷却水管及高温停工的旧温控方法”，应用于混凝土拱坝，可以取消横缝、冷却水管和预冷骨料，全年通仓浇筑，不受地区限制；不受坝高限制，既适用于中低拱坝，也适用于高拱坝；“即使在北方极端严酷的气温条件下”，同样可修建不分横缝的MgO混凝土拱坝，甚至100m以上的高拱坝。针对这种观点，朱伯芳院士指出了MgO混凝土在筑坝应用上存在有四大差别，即室内外差别，时间差别，地区差别，坝型差别。因此，建议在应用MgO混凝土进行筑坝工程时，应对其作用持较谨慎、实际的态度。显然，胶凝材料中掺入一定量的MgO，其产生的膨胀变形可以抵消一部分温度收缩变形，进而减小混凝土拉应力，因此，当采用掺MgO混凝土筑坝时，可以适当减小混凝土坝的温控力度，简化相应的温控措施，但在许多情况下，也不能因为用了MgO，就取消横缝和其他各种温控措施，MgO不能“包打天下”。从目前的应用情况来看，采用无缝通仓浇筑的拱坝，即使采用了MgO技术，也大多会产生较为严重的裂缝，可见，取消横缝弊大于利。除此之外，在应用MgO混凝土时还应特别重视表面保温的作用。根据这两种观点，文献还对MgO混凝土的温度补偿效果进行了分析，认为无论采取何种补偿方式，都会导致其他的一些问题，并不是完美无缺的。建议在具体应用时，采取谨慎的态度，将该项技术与其他温控措施相结合，以收到更好的温控防裂效果。

尽管目前MgO筑坝技术得到了大力的推广应用，但可以发现，在外掺氧化镁碾压混凝土的材料特性、防裂特性以及混凝土拌制工艺等方面涉及甚少；工程技术人员对MgO的长期安定性，仍心存疑虑；掺氧MgO混凝土的坝体补偿部位、补偿时间、补偿量以及补偿效果等仍未得到很好的解决，这些问题都需要进行深入的分析研究。

4.结语

目前，MgO膨胀混凝土在已有工程的应用情况来看，有成功的案例，同时也有失败的案例。这主要是近年来，尽管MgO膨胀混凝土有过大量的试验和理论方面研究，但由于混凝土这种材料本身的研究仍然不够完善，使得掺MgO混凝土研究受到较大阻碍，主要局限于在大坝混凝土中的应用。另外，近年来高强高性能混凝土的快速发展和应用，MgO技术是否能够在这种混凝土中得到很好的应用尚不可知，有待进一步的论证和研究。

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