氧化镁膨胀剂及其在大体积混凝土申的应用

氧化镁膨胀剂及其在大体积混凝土申的应用现行的混混凝土外加剂剂规范中，未未列入MgO膨胀剂。试试验研究和工工程实践证明明，在大体积积混凝土中掺掺入适量的M四膨胀剂，混混凝土具有良良好的力学性性能和延迟微微膨胀特性。充充分利用这种种特性，可以以补偿混凝土土的收缩变形形，提高混凝凝土自身的抗抗裂能力，从从而达到简化化大体积混凝凝土温控措施施、加快施工工进度和节省省工程投资的的目的。为促促进MgO膨胀剂的推推广应用，建建议将MgO膨胀剂列入入我国混凝土土外加剂类规规范中。引言普通混凝土土在硬化过程程中均会发生生体积收缩，最最常见的体积积收缩是由于于混凝土水分分的散失或湿湿度下降引起起的干缩和由由于水泥水化化热的散失或或混凝土温度度下降引起的的冷缩。当混混凝土的收缩缩值大于极限限变形值，收收缩变形引起起的拉应力大大于混凝土的的极限抗拉强强度时，混凝凝土将产生裂裂缝，导致混混凝土的整体体性、耐久性性下降。对于于大体积混凝凝土，干缩与与冷缩同时存存在，但由于于水泥水化产产生的热量的的释放过程缓缓慢，混凝土土从最高温度度下降至稳定定温度的时间间往往需要几几年至几十年年[l]，因此冷缩缩比干缩更易易引起裂缝，危危害性也更大大。为防止混凝凝土产生裂缝缝，国内外学学者从利用混混凝土的限制制膨胀补偿混混凝土的限制制收缩的立场场出发，研究究了一系列膨膨胀水泥和膨膨胀剂。如美美国的K型、M型、5型膨胀水泥泥和日本的专专门用于砂浆浆和混凝土的的膨胀剂。我我国对膨胀剂剂的研究也有有30多年的历史史。目前列入入GB501119一2003混凝土外加加剂应用技术术规范》和JC476一2001《混凝土膨膨胀剂》的有有硫铝酸钙类类、氧化钙类类、硫铝酸钙钙一氧化钙类类3类膨胀剂[2]。对于氧化化镁(M四)膨胀剂，虽虽然在20世纪六七十十年代就有报报道[3-4]，但由于过过去工程应用用很少等原因因，我国未将将其列入规范范。1982年建成的吉吉林白山重力力拱坝，虽然然有60%以上的混凝凝土是在夏天天浇筑，但当当地气候寒冷冷，基础温差差超过40℃，在蓄水前前进行大坝检检查时，却未未发现基础贯贯穿性裂缝，表表面裂缝也很很少，运行多多年后也未发发生裂缝漏水水现象。从原原型观测资料料中发现，白白山拱坝混凝凝土在降温阶阶段产生了自自生体积膨胀胀，抵消了大大坝在降温过过程中产生的的体积收缩，抑抑制了大坝的的裂缝。后经经大量研究证证明，白山大大坝采用的内内含4.28%一4.38%氧化镁(MgO)的抚顺大坝坝水泥引起了了混凝土的膨膨胀，从而抑抑制了大坝混混凝土的裂缝缝[5]。白山拱坝坝混凝土出现现的这种现象象，使广大工工程技术人员员深受启发，再再次深思MgO这种“有害’物质的工程程利用价值，寄寄希望从解决决混凝土的“内因”着手，利用M扣膨胀剂的的延迟微膨胀胀特性，突破破传统的从控控制混凝土的的温度着手来来预防大体积积混凝土裂缝缝的理念，通通过调节混凝凝土的自生体体积变形来控控制混凝土的的裂缝。于是是，对MgO膨胀剂及其其应用的研究究一直持续至至今。1MgO膨胀胀剂的生产及及技术要求MgO膨胀胀剂是以富含含MgO的菱镁矿(MgC003)、白云岩或或石灰石为原原料，经适宜宜温度锻烧后后磨细而成，白白色粉末状，密密度2.9一3.3沙m3，其质量用用纯度(MgO含量)、活性指标标、烧失量、细细度和氧化钙钙含量来评价价。这些质量量指标又与原原料的品质、锻锻烧设备、锻锻烧制度、缎缎烧流程等密密切相关。MgO膨膨胀剂的锻烧烧设备常采用用工业反射窑窑(立窑)和回转窑。M沙的烧成温温度越高，高高温下的保温温时间越长，活活性指标越大大，则方镁石石(MgO晶体)的水化活性性越小，水化化越慢。利用用回转窑生产产MgO脚，窑内锻锻烧温度容易易控制，烧成成时间短(45一60minn)，出窑的轻轻烧镁砂粒度度较细(小于2mm的颗粒多于90%)，冷却快，烧烧失量小，烧烧成的M沙质量比较较均匀，纯度度大于90%，活性高。调调整原料的锻锻烧设备、锻锻烧温度、高高温下的保温温时间、入窑窑粒度等，即即可改变MgO膨胀剂的膨膨胀速率和膨膨胀量16)。若要生产产内含MgO量较高的水水泥，只需在在水泥生料中中掺入适量的的菱镁矿，稍稍许改变水泥泥的锻烧工艺艺和生产流程程即可。但是是，由于受料料源的限制，目目前只有极少少数的水泥厂厂家能够生产产内含M沙量较高的的水泥。长江江三峡水利枢枢纽二、三期期工程，贵州州构皮滩水电电站大坝等，均均使用了内含含MgO为3.5%一5.0%的微膨胀型型中热水泥，其其混凝土的自自生体积变形形均呈微膨胀胀型间。直接将粉状状MgO膨胀剂与混混凝土的其它它原材料(如水泥、碎碎石、砂子、粉粉煤灰等)一起搅拌而而成的混凝土土，可以根据据混凝土结构构设计要求的的补偿收缩量量，通过调整整MgO膨胀剂的缎缎烧设备、烧烧成温度、高高温下的保温温时间、掺量量、外掺混合合材的种类等等手段来调节节混凝土的膨膨胀速率和膨膨胀量。利用用这种方法配配制M沙微膨胀混混凝土，相对对使用内含MgO量较高的水水泥而言，方方便灵活，实实际工程应用用较多[9]。1994年，能源部部、水利部水水利水电规划划设计总院颁颁发了用于水水利水电工程程的轻烧M四膨胀剂的的技术要求—《水利水电电工程轻烧MgO材料品质技技术要求以行行)，见表1。2MgO膨胀胀剂的作用机机理南京工业大大学邓敏教授授、崔雪华教教授、唐明述述院士等人通通过多年研究究后认为，经经过高温锻烧烧的方镁石(MgO晶体)，水化作用用很缓慢，在在水化生成Mg(0HH)2过程中引起起的自生体积积膨胀出现得得较迟;由MgO水化而来的Mg(0HH):晶体的形成成和发展，是是水泥石产生生延迟性膨胀胀的源泉;MgO水泥结石的的膨胀能来自自于Mg(0HH):晶体的吸水水肿胀力和结结晶生长压力力，水化早期期的Mg(0HH)2晶体很细小小，晶体的吸吸水肿胀力是是水泥结石膨膨胀的主要动动力，随着Mg(0HH)2晶体的长大大，晶体的结结晶生长压力力转变为膨胀胀的主要动力力;MgO水泥结石的的膨胀量取决决于Mg(oHH)2晶体存在的的位置、形状状和尺寸。MgO水泥结石和和混凝土的膨膨胀性能主要要取决于MgO膨胀剂的质质量和掺量，其其次与环境温温度、混合材材的种类和掺掺量、水泥熟熟料的矿物组组成和游离CaO含量等因素素有关。3氧化镁膨胀剂剂的技术效应应利用贵州水水泥厂42.5硅酸盐水泥泥、清镇电厂厂分选粉煤灰灰(l级)、人工砂石石料、海城MgO(理化性能指指标见表2)。在实验室室拌制MgO混凝土配合合比见表3。配比中的MgO外掺量分别别为胶凝材料料总量百分数数，控制坍落落度为2－6cm。将编号为MMO、M1、M2的混凝土力力学性能实验验试件脱模后后放置于恒温温(20士2)℃、相对湿度度不低于95%的环境中养养护，变形试试件放置于恒恒温(20士2)℃、绝湿环境境中养护，测测得混凝土试试件的力学性性能、体积变变形值G(t)及它们随MgO掺量变化的的相对结果和和随时间t变化过程曲曲线分别见表表4、表5，图1。注:混凝土试试件28d龄期的抗渗渗标号均大于于1.ZMPPa。根据表4、表5分析，使用MgO膨胀剂后，混混凝土表现出出良好的力学学性能和延迟迟微膨胀特性性。(l)在在相同条件下下，外掺MgO膨胀剂的混混凝土各个龄龄期的力学性性能指标均比比未掺的高，并并随着MgO掺量的增加加而增大。以以90d龄期为例，外外掺MgO膨胀剂的混混凝土的抗压压强度、抗拉拉强度、弹性性模量和极限限拉伸值均比比未掺的提高高6%-9%。(2)外外掺Mgo膨胀剂的混混凝土膨胀量量随着龄期的的增长而增大大，主要的膨膨胀量发生在在龄期7一90d;膨胀速率则则是早期大，后后期小，在7一90d最大。以掺3.5%MMgO的混凝土为为例，在龄期期7d、90d、Za、3a、4.sa的膨胀量分分别是la龄期的0.21倍、0.73倍、1.03倍、1.06倍和1.07倍;在龄期28d以前的膨胀胀速率约为1.3×110-6/dd在龄期28d一la的膨胀速率率为(2-100)×100-630dd;在la以后，膨胀胀速率降至(1-3))×10--6/a。(3)MgO混混凝土的膨胀胀量随着MgO掺量的增加加而增大。在在龄期28d、90d、la和4.5a，掺3.5%MMgO的混凝土的的膨胀量约为为掺2.5%的1.犯倍、1.26倍、1.24倍和1.22倍，约为未未掺的2.93倍、2.39倍、1.90倍和1.69倍。(4)MMgO混凝土的长期期自生体积膨膨胀变形是稳稳定的(见图1)。从图1可见见，对掺MgO膨胀剂的混混凝土历时近近5a的测试值看看，膨胀量均均匀增长，膨膨胀过程曲线线无突变现象象，龄期la之后，膨胀胀曲线已基本本平稳，每年年的膨胀量仅仅增加(0.5--3)×110-6，且增长速速率逐渐趋于于零，没有回回缩和无限膨膨胀趋势。从从理论上讲，MgO的水化反应应是渐进的不不可逆反应，其其水化产物Mg(OHH)2的稳定性高高，溶解度不不足Ca(OHH)2的1/20，因此MgO的水化反应应一旦完毕，膨膨胀变形即告告结束，并长长期保持稳定定状态。工程实践表表明，大体积积混凝土浇筑筑后，由于水水泥的硬化，散散发大量的热热量，使混凝凝土的温度迅迅速上升。待待达到最高温温度后，随着着热量向外部部释放，混凝凝土温度将缓缓慢下降至一一个稳定温度度，最高温度度与稳定温度度之差在20℃左右，需要要的补偿收缩缩量约20×100-6。混凝土内内部温度开始始下降的时间间一般是从混混凝土浇筑后后的7d起，持续时时间可达几年年至几十年(因混凝土的的热传导性能能差)。而MgO混凝土的膨膨胀主要发生生在大体积混混凝土的降温温收缩阶段(即龄期7一90d)，之后，每每年的膨胀量量仅增加(0.5--3×10--6，并逐渐趋趋于稳定。因因此，利用好好MgO混凝土的延延迟微膨胀特特性，能够补补偿大体积混混凝土在降温温阶段产生的的体积收缩，提提高混凝土自自身的抗裂能能力。然而，使使用硫铝酸钙钙类、氧化钙钙类、硫铝酸酸钙一氧化钙钙类膨胀剂的的混凝土，其其在非水养护护环境中的膨膨胀变形主要要发生在早期期(一般为混凝凝土浇筑后的的1一7d内)，且之后大大多呈收缩状状态[2-3]，0]，难以满足足补偿大体积积混凝土冷缩缩的要求。另外，由图图1试样MO可见，42.5级硅酸盐水水泥本身具有有一定的延迟迟微膨胀性能能。这是因为为该硅酸盐水水泥的MgO含量高达2.25%，超过了水水泥熟料中矿矿物相的可固固容量。若水水泥熟料中MgO含量较高，在在高温锻烧时时，部分MgO固熔在熟料料的矿物相中中(可固熔量一一般不超过2%)，这部分MgO不会使水泥泥硬化浆体产产生膨胀，超超过可固熔量量的部分MgO则形成方镁镁石晶体，在在水化生成Mg(0HH):的过程中引起起延迟性膨胀胀。4MgO膨胀胀剂的应用实实例4.1贵州东东风水电站拱拱坝基础MgO膨胀胀剂率先应用用于1990年1月27日一3月27日浇筑的贵贵州省东风水水电站主体工工程的拱坝基基础，MgO掺量为3.5%，混凝土体体积为1.36××104m33。由于MgO一直被看作作有害物质，当当时在主体工工程中应用MgO在国内外属属于闯禁区的的举动，因此此，参建各方方非常慎重。除除在实验室反反复试验、进进行中间现场场试验和专家家咨询外，还还在混凝土内内部不同部位位埋设了10支无应力测测试计，以观观测混凝土的的长期变形情情况。东风水电站拱拱坝基础采用用MgO混凝土浇筑筑后，减少了了分缝分块，原原设计的5条横缝修改改为3条，并取消消了纵缝，深深槽混凝土由由原设计的36个浇筑块降降低为12个，并且省省去了水管冷冷却和加冰拌拌合等常规温温控措施。经经历了2个汛期的考考验后，在1991年浇筑坝体体混凝土之前前，经清渣全全面检查，未未发现裂缝，横横缝缝面和混混凝土与两侧侧基岩的接触触面结合紧密密[11]。因此后来来取消了接缝缝灌浆，共节节省温控费用用和灌浆费用用约25万元人民币币。而且，该该基础混凝土土比预计工期期提前45d浇完，两岸岸坝肩的开挖挖得以提前进进行，为在第第2年浇筑坝体体混凝土奠定定了坚实基础础，保证了坝坝体混凝土的的施工工期，避避免了1年的工期损损失，间接经经济效益非常常显著。另外，长达达10年的原型监监测成果再次次表明，MgO混凝土的主主要膨胀量(约75%)发生在龄期7一90d内，且早期期膨胀速率大大，后期小，至la后，膨胀速率降至(0.1一1.5)×10-6/a，且增长速率逐渐趋于零，长期膨胀变形总是趋于稳定，没有无限膨胀趋势[l2]。东风水电站已投产12年，大坝至今运行良好，达到了预期目的。4.2MgO膨膨胀剂的推广广应用简述自从东风拱拱坝基础成功功应用MgO混凝土以来来，中国己有有30多个水利水水电工程使用用MgO膨胀剂，包包括贵州省内内的普定、洪洪家渡、索风风营、鱼简河河、落脚河水水电站、沙老老河水库、三三江水库、广广东省内的青青溪、飞来峡峡、坝美、长长潭水电站等等，应用部位位从重力坝基基础约束区、碾碾压混凝土坝坝基础垫层、大大坝基础回填填、混凝土防防渗面板，到到中型拱坝全全坝段;既有常态混混凝土，也有有碾压混凝土土;坝型有重力力坝、拱坝、面面板堆石坝等等;MgO掺量为1.75%一5.75%，实测混凝凝土的自生体体积膨胀量多多在(50-2200)××10-6[[9]。正在建设中中的装机容量量为60MW的贵州黄花花寨水电站，将将于2007年上半年浇浇筑碾压混凝凝土拱坝，混混凝土体积量量为34万m3，计划于208年1月底全面浇浇筑完毕。该该工程将把MgO混凝土筑坝坝技术推向又又一个高峰，坝坝高突破10m，达到110m，坝体除设设诱导缝外，不不分横缝，全全坝段使用MgO膨胀剂。MgO膨胀胀剂除用于水水利水电工程程外，还可用用于工业与民民用建筑工程程、地下工程程、交通工程程等。工程实实践表明，凡凡是处于受约约束环境并对对混凝土或水水泥砂浆有抗抗裂或防渗要要求的工程部部位，均可使使用MgO膨胀剂。如如防水屋面、地地下停车场、地地下油罐、地地铁、隧道、人人防工程、水水池、机场跑跑道路面、预预应力混凝土土、预应力锚锚索及锚杆孔孔回填、探洞洞回填、喷锚锚灌浆、基础础与裂缝灌浆浆、大坝纵缝缝与横缝灌浆浆、井壁防渗渗层、管道抢抢修堵漏、工工程修补等。4.3应用MggO膨胀剂的注注意事项使用Mggo膨胀剂时，必必须结合具体体工程使用的的原材料和由由应力补偿分分析决定的膨膨胀量，通过过室内试验确确定