氧化鎂膨脹劑及其在大體積混凝土申的應用

摘要: 現(xiàn)行的混凝土外加劑規(guī)范中，未列入MgO膨脹劑。試驗研究和工程實踐證明，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性能和延遲微膨脹特性。充分利用這種特性，可以補償混凝土的收縮變形，提高混凝土自身的抗裂能力，從而達到簡化大體積混凝土溫控措施、加快施工進度和節(jié)省工程投資的目的。為促進MgO膨脹劑的推廣應用，建議將MgO膨脹劑列入我國混凝土外加劑類規(guī)范中。

關鍵詞: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:T528.55 文獻標識碼:A 文章編號: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。當混凝土的收縮值大于極限變形值，收縮變形引起的拉應力大于混凝土的極限抗拉強度時，混凝土將產(chǎn)生裂縫，導致混凝土的整體性、耐久性下降。對于大體積混凝土，干縮與冷縮同時存在，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)外學者從利用混凝土的限制膨脹補償混凝土的限制收縮的立場出發(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]。對于氧化鎂(M四)膨脹劑，雖然在20世紀六七十年代就有報道[3-4]，但由于過去工程應用很少等原因，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?shù)貧夂蚝洌A溫差超過40℃，在蓄水前進行大壩檢查時，卻未發(fā)現(xiàn)基礎貫穿性裂縫，表面裂縫也很少，運行多年后也未發(fā)生裂縫漏水現(xiàn)象。從原型觀測資料中發(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MgO膨脹劑及其應用的研究一直持續(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、燒失量、細度和氧化鈣含量來評價。這些質(zhì)量指標又與原料的品質(zhì)、鍛燒設備、鍛燒制度、緞燒流程等密切相關。

MgO 膨脹劑的鍛燒設備常采用工業(yè)反射窯(立窯)和回轉(zhuǎn)窯。M沙的燒成溫度越高，高溫下的保溫時間越長，活性指標越大，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，燒成時間短(45一60min)，出窯的輕燒鎂砂粒度較細(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)整原料的鍛燒設備、鍛燒溫度、高溫下的保溫時間、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)設計要求的補償收縮量，通過調(diào)整MgO膨脹劑的緞燒設備、燒成溫度、高溫下的保溫時間、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，相對使用內(nèi)含MgO量較高的水泥而言，方便靈活，實際工程應用較多[9]。1994年，能源部、水利部水利水電規(guī)劃設計總院頒發(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膨脹劑的作用機理

南京工業(yè)大學鄧敏教授、崔雪華教授、唐明述院士等人通過多年研究后認為，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晶體很細小，晶體的吸水腫脹力是水泥結(jié)石膨脹的主要動力，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。

3氧化鎂膨脹劑的技術(shù)效應

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)、人工砂石料、海城MgO(理化性能指標見表2)。在實驗室拌制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數(shù)，控制坍落度為2－6cm。

將編號為MO、M1、M2的混凝土力學性能實驗試件脫模后放置于恒溫(20士2)℃、相對濕度不低于95%的環(huán)境中養(yǎng)護，變形試件放置于恒溫(20士2)℃、絕濕環(huán)境中養(yǎng)護，測得混凝土試件的力學性能、體積變形值G(t)及它們隨MgO摻量變化的相對結(jié)果和隨時間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標號均大于1.ZMPa。

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齡期的力學性能指標均比未摻的高，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度、抗拉強度、彈性模量和極限拉伸值均比未摻的提高6%-9%。

(2) 外摻 M go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。