关于氧化镁膨胀剂的评述

  【摘 要】本文根据有关专家的研究成果，对我国氧化镁膨胀剂的研制与开发进行评述，指出MgO膨胀剂不适合用于工民建结构大体积混凝上的理由，提出氧化镁膨胀剂的适用范围和研究方向。

  【关键词】氧化镁膨胀剂；延缓膨胀控制；适用范围

  1 前言

  在2010年第1期《膨胀剂与膨胀混凝土》杂志上，分别发表了莫立武、李家正、陈昌礼、杜兆金、张宋治、李延波、邓敏和刘立等专家学者关于我国氧化镁膨胀剂的研制、膨胀机理、掺MgO膨胀剂混凝土的物理力学性能，以及在坝工大体积混凝土的应用成果。笔者阅读以后，收获不少，了解到我国MgO膨胀剂的发展概况，和取得很大的成绩，为我国大坝建设作出了贡献，向他们表示衷心的祝贺!

  20世纪70年代初，我国专家对MgO混凝土筑坝技术进行了研究，利用MgO水化产生延迟膨胀，补偿大坝基础混凝土温降收缩，简化温控措施，降低温控费用，节约工程投资，加快施工进度，这一创新技术已在筑坝混凝土中大力推广，取得实质性成果。

  1981年，浙江大学开始进行双膨胀水泥的研究，采用提高MgO和石膏含量，获得水镁石和钙矾石两个膨胀源。

  针对MgO混凝土早期膨胀太小问题，1995年，游宝坤与王栋民等提出用氧化镁、天然明矾石和石膏研制大坝延迟膨胀剂，与中国水利电力科学研究院的颤永严、黄国兴等合作开发，并向水利电力部申报科研项目，但没有批准，因而终止继续研究。但笔者认为，氧化镁与延迟钙矾石双膨胀剂，其补偿收缩性能会比单独MgO好，有开发前景。

  MgO膨胀剂几乎都应用在筑坝混凝土上，能否应用于一般工业与民用建筑上?这涉及构筑物的安全性问题，希望引起学术界和工程界人士的关注。

  2 氧化镁膨胀剂及其应用

  在水泥熟料中的方镁石(MgO)为等轴品系，难溶于水，其水化十分缓慢，膨胀稳定期很长。国外个别桥梁混凝土开裂，查明是由于水泥中含有较多MgO，后期产生的体积膨胀所致。水泥中经高温煅烧的MgO被认为是有害成分，因而，标准规定水泥熟料中MgO一般不得大于5%。

  自1982年在吉林白山大坝偶然发现氧化镁水泥具有微膨胀性能改善开裂作用以来，经过30多年基础理论和实际应用研究，证明氧化镁并非是“有百害而无一利”。相反，利用它缓慢膨胀特性可以补偿大体积混凝土温降收缩和自收缩，减免裂缝出现。

  生产高氧化镁水泥受到国家标准的限制，并具有风险性。在20世纪90年代初，氧化镁膨胀剂应运而生，经研究表明，轻烧氧化镁的水化速度比1400℃～1450℃的方镁石的水化速度快，其膨胀稳定期有所缩短(见图1)。这是因为，用菱镁矿低温煅烧氧化镁晶粒之间存在较大的空隙和比表面积，它们与水反应的接触面积较大，反应速度就快。如果提高煅烧温度，氧化镁晶体的尺寸减少，结晶粒子密实，会大大延缓它们的水化反应，故膨胀稳定期延长。氧化镁膨胀剂的水化速度与温度高低有直接关系，从图2的试验结果可知，氧化镁掺量为6%，混凝土在40℃养护下，试件在养护龄期7d内收缩，7d之后开始膨胀，在21d～70d龄期内膨胀速率较快；84d之后膨胀速率变慢，1年后基本不产生膨胀。而在20℃养护下，先收缩后膨胀，但混凝土膨胀率速率小，其膨胀率低于30℃、40℃养护的试件，1年后仍继续膨胀。结果表明，氧化镁膨胀剂掺量相同下，养护温度越高，前期膨胀速率越大，后期膨胀速率越小，膨胀稳定期提前。

  对于大坝混凝土来说，由于水泥水化释放热量，一般在3d～5d可达30℃～50℃，且降温时间持续1年以上，在这样的水化环境中，MgO膨胀速率也加快，1年后基本不膨胀，对坝体是安全的。

  我国水利电力规划设计总院于1995年制定了《MgO微膨胀混凝土筑坝技术暂行规程及编制说明》，这对MgO膨胀剂在大坝混凝土的应用有指导意义。迄今MgO膨胀剂已经在全国三十几座水利工程中得到成功应用，应用部位主要有重力坝基础约束区、碾压混凝土坝垫层、大坝基础、导流洞、导流底孔和中型拱坝全坝段等，外掺MgO混凝土用量约100多万m3 , MgO掺量为2.0%～5.5% 。

  专家们认为，今后应在如下几个方面开展工作：

  （1）目前我国MgO膨胀剂生产工艺比较落后，无法满足大规模连续生产的要求，产品质量波动较大。因此，函待解决MgO选用何种窑型，何种生产工艺的问题。

  （2）进一步深入关于MgO膨胀剂膨胀机理与膨胀调控机制的研究，完善MgO膨胀剂膨胀性能调控与设计原理。

  （3）提出科学评估掺MgO膨胀剂混凝土安定性的方法和标准。

  （4）加快制定MgO膨胀剂产品标准。

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  然而，对于一般工民建结构，设计等级为C30～C40，厚度为1m～3m大体积混凝土。水泥用量较高，混凝土浇筑后2d～3d，内部温度达50℃～80℃，一般经7d～14d，温度降至常温。如果用MgO膨胀剂补偿冷缩，就可能出问题。为什么？如上述试验结果表明，混凝土浇筑14d后，其温度降至常温，MgO在20℃下水化十分缓慢，1年后仍产生膨胀，此间混凝土弹性模量不断增高，后期积累的膨胀量，就会产生很大的膨胀应力，可能导致混凝土结构开裂，这样的失败事例曾发生过。所以，国内外水泥标准中，大都规定MgO≤5%。由于工民建结构大体积混凝土在体量上、水化热温降速率与大坝混凝土有很大区别，笔者认为，MgO膨胀剂不适用于工民建结构大体积混凝土的裂缝控制，只适用于混凝土的筑坝工程。鉴于MgO膨胀剂的特殊性，因此，在《混凝土膨胀剂》国家标准中，没有把MgO膨胀剂列入其中。

  3 延迟型双膨胀剂的研究

  1975年，中国工程院吴中伟院士在他的《补偿收缩混凝土》专著中提出了冷缩和干缩联合补偿模型。他认为“采用水化热低又有一定膨胀性能的补偿收缩混凝土，同时加以适当的温度控制，有可能经济合理且有效地解决大体积混凝土的冷缩和干缩问题。”为此，1989年，中国建材院在UEA膨胀剂研究的基础上，与长江科学院联合研制，开发低热抗裂剂(LHEA)。其目标是研制一种生产工艺简单，成本较低，具有低热微膨胀的混凝土外加剂。它是由可延迟膨胀的明矾石、高岭土和石膏等原料配制而成。但是，由于研究经费等问题，该课题中途停止。

  我国著名大坝建筑专家吴来峰、储传英、张锡祥在1987年发表了《建坝新途径》专著，介绍了利用补偿收缩混凝土筑坝新技术。他们认为，在水工方面，根据大坝混凝土温降收缩的规律，应重点研究膨胀期后延的双膨胀混凝土，在7d～15d具有150×10-6左右的微应变和在30d～90d之间具有150×10-6微应变。这样，早期膨胀可以防止混凝土受温度冲击形成的表面裂缝、后期膨胀，可以防止大坝混凝土缓慢温降产生的温差裂缝。

  根据专家们的意见，1995年，我院与中国水利电力科学研究院签定也联合研制延迟型双膨胀型混凝土膨胀剂(DEA)，并向水电部申报科研基金。DEA膨胀剂由游宝坤、王栋民等负责研究，我们采用明矾石、石膏和轻烧氧化镁等原料配制，在实验室进行系统试验，基本达到了预期目标，天然明矾石和石膏形成钙矾石作为早期膨胀源，Mg (OH)2作为后期膨胀源，达到双膨胀的效果(见图3)。明矾石主要矿物是硫铝酸钾(钠)K2SO4· A12(SO4)3· 4A1(OH)3，其溶解速度较慢，在Ca(OH)2和CaSO4激发下，水化形成钙矾石。其反应式：

  图3 掺不同膨胀剂的混凝土的膨胀曲线

  经研究表明，在常温下，明矾石与石膏形成钙矾石的速率较慢，膨胀期稳定期达(5～6)月，但在30℃～50℃温度环境中，其水化速度加快，7d～28d是主要膨胀期，成为大坝混凝土的早期膨胀源。而轻烧MgO水化形成的Mg(OH)2，其水化速度延慢，在7d前基本不膨胀，在30℃～50℃水化环境中，膨胀逐渐增加，持续到3月至1年，补偿大坝混凝土的温降收缩。

  试验证明，以明矾石、石膏和MgO组成的双膨胀剂的混凝土的补偿收缩效果比单膨胀的MgO膨胀剂更好，由于DEA中MgO含量为20%～30%，以10%DEA掺入混凝土中，MgO含量为2%～3%，不存在MgO水化后期的安定性问题，而明矾石和石膏为天然原料，生产工艺简单，生产比MgO的低。

  遗憾的是，延迟型双膨胀混凝土膨胀剂(DEA)研发课题没有被水电部科技部批准，由于缺乏资金，终止了研究。但是，我们认为：DEA作为改进型的MgO膨胀剂，值得进一步研究和开发。

  4 结语

  现代混凝土坝设计理论与施工方法，它以“柱状法”为特点，分层分仓浇筑，降温措施复杂，施工周期长。1970年，在美国召开的大坝施工会议上，提出了采用具有膨胀性的混凝土解决大坝温度控制的新设想，但至今尚未见到国外研究成果或实例。1980年后，我国科研院校与水电工程界合作，先后研制成功低热微膨胀水泥，双膨胀水泥和MgO膨胀剂，开创了补偿收缩混凝土筑坝新技术，在国内推广应用。尤其MgO膨胀应用方兴未艾。本文的评述不一定全面，笔者提出MgO膨胀剂不适用于工民建结构大体积的理由，希望引起注意，同时，提出了延迟型双膨胀剂(DEA)的初步研究成果，值得进一步研究和开发。

  【参考文献】

  [1] 吴中伟.补偿收缩混凝上[M]. 北京:中国建筑工业出版社，1979.

  [2] 吴来峰，储传英，张锡祥.建坝新途径[M].北京:中国水利电力出版社，1987.

  [3] 莫立武，邓敏.氧化镁膨胀剂的研究现状[J].膨胀与膨胀混凝. 2010, 1.

  [4] 李家正，陈霞等.外掺氧化镁混凝上性能研究综述[J]. 膨胀与膨胀混凝. 2010, 1.

  [5] 陈昌礼，李承平.外掺MgO与水泥内含MgO在大体积混凝上中的膨胀效应[J].膨胀与膨胀混凝.2010, 1.

  [6] 刘立，赵顺增.碾压混凝上外掺MgO安定性试验研究[J]. 膨胀与膨胀混凝. 2010, 1.

  [7] 游宝坤，王栋民等.延迟性双膨胀型混凝上膨胀剂的研究[J]. 内部资料.1997年.