趙松海，魏麗穎，管學(xué)茂，汪瀾

（1.河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454003；2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院 綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024）

MgO混凝土研究現(xiàn)狀及應(yīng)用展望

趙松海1,2，魏麗穎2，管學(xué)茂1，汪瀾2

（1.河南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作454003；2.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院 綠色建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024）

文章簡(jiǎn)述了MgO混凝土的發(fā)展歷程和膨脹的影響因素，介紹并分析MgO混凝土主要性能的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀及前景，指出了目前研究應(yīng)用中存在的問(wèn)題及解決方向，為MgO混凝土深入研究和更好的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

MgO混凝土；膨脹機(jī)理；膨脹性能；應(yīng)用展望

0 引言

對(duì)水泥中MgO的研究最早起源于國(guó)外。Lea首次提出MgO含量過(guò)高會(huì)引起水泥安定性不良的問(wèn)題，另外，德國(guó)Cassel市政大樓也因水泥中MgO含量高達(dá)27%導(dǎo)致?lián)p壞，此后水泥中游離氧化鎂逐漸引起研究人員的注意。1980年，美國(guó)學(xué)者M(jìn)etha和Pirtez將MgO作為膨脹劑摻入大體積混凝土，研究了MgO的膨脹性能并做了混凝土試驗(yàn)，指出利用其水化產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力可以達(dá)到補(bǔ)償大體積混凝土溫降收縮的目的，但這一理論并沒(méi)有應(yīng)用于工程實(shí)踐。

我國(guó)應(yīng)用MgO微膨脹混凝土筑壩技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位。1975~1982年，中國(guó)吉林省建造的白山大壩在最大溫差超過(guò)40℃的情況下，并沒(méi)有產(chǎn)生基礎(chǔ)貫穿裂縫等安定性不良的問(wèn)題，這一現(xiàn)象引起了國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家的關(guān)注。唐明述等人對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了大量研究并提出，白山大壩混凝土產(chǎn)生自生體積膨脹的主要原因是由于制作混凝土的撫順?biāo)鄰S的水泥熟料中含有較多的具有延遲微膨脹特性的MgO (高達(dá)4.72%)。此后，利用MgO的延遲微膨脹性能來(lái)補(bǔ)償混凝土的溫降收縮引起了越來(lái)越多研究人員的注意，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，使MgO混凝土性能和施工工藝不斷成熟，并相繼在很多大型水電工程中得以成功應(yīng)用，逐漸實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化施工，收到了很好的效果。MgO微膨脹混凝土筑壩技術(shù)于1989年9月在貴陽(yáng)通過(guò)了能源部組織的部級(jí)技術(shù)鑒定，并于之后進(jìn)行推廣應(yīng)用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是在MgO混凝土發(fā)展過(guò)程中還存在很多問(wèn)題，如能順利解決，必將推進(jìn)MgO混凝土的持續(xù)發(fā)展。

1 MgO水化膨脹特點(diǎn)及機(jī)理

如果大體積混凝土內(nèi)部溫度降低引起的收縮拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，那么勢(shì)必引起混凝土的開(kāi)裂。MgO延遲微膨脹的特性可以有效補(bǔ)償大體積混凝土的溫降收縮，從而保證混凝土的整體性和完整性。為了弄清MgO水化膨脹特點(diǎn)和機(jī)理，有效控制其膨脹性能，使其膨脹與大體積混凝土的溫降收縮相匹配，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家做了大量的研究工作。

1.1 MgO水化膨脹特點(diǎn)

MgO混凝土中，MgO水化反應(yīng)生成六方柱狀Mg(OH)2晶體，晶體體積增大為原來(lái)的兩倍多，雖然反應(yīng)需水量少，但水化十分緩慢，對(duì)溫度十分敏感，具有延遲微膨脹特性，膨脹主要發(fā)生在后期。水泥中鈣礬石的水化膨脹在7 d之前已經(jīng)完成大部分，28 d之前基本結(jié)束，而MgO的水化則主要發(fā)生在14 d、28 d以后至幾年的時(shí)間內(nèi)。

MgO水化是不可逆的漸進(jìn)反應(yīng)，水化反應(yīng)是連續(xù)穩(wěn)定的。水化產(chǎn)物Mg(OH)2溶解度非常低，一旦生成便長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，不會(huì)發(fā)生二次膨脹。

1.2 MgO水化膨脹機(jī)理

1.2.1 MgO水化動(dòng)力學(xué)

在前人結(jié)晶學(xué)的研究基礎(chǔ)上，樓宗漢、翟學(xué)良、錢(qián)海燕等人對(duì)MgO的水化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究，得到了不同條件下MgO的水化擬合曲線，認(rèn)為MgO的水化反應(yīng)是通過(guò)產(chǎn)物層擴(kuò)散到達(dá)反應(yīng)界面所控制的原地固相反應(yīng)，符合簡(jiǎn)單的級(jí)數(shù)反應(yīng)，屬于一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，其動(dòng)力學(xué)方程應(yīng)為：

式中：α為氧化鎂的水化率；k為水化反應(yīng)速率常數(shù)；t為水化時(shí)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)求得的水化反應(yīng)速率常數(shù)k，并根據(jù)阿侖涅烏斯方程：

計(jì)算得到了活化能數(shù)據(jù)。雖然不同來(lái)源MgO晶格完善程度不同，其活化能不同，但實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的結(jié)果均遠(yuǎn)大于25.12 kJ/mol。根據(jù)Benson關(guān)于化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散控速的活化能判據(jù)：

判定MgO的水化反應(yīng)屬于化學(xué)反應(yīng)控速機(jī)理，而不是由擴(kuò)散控速的。這就合理地解釋了MgO水化反應(yīng)十分緩慢的問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)以上MgO水化動(dòng)力學(xué)的一系列研究計(jì)算，提出了其水化機(jī)理：MgO首先吸附周?chē)h(huán)境的水，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成氫氧化鎂表面層，表面層很快向周?chē)袛U(kuò)散，至溶液飽和后形成沉淀析出。水化過(guò)程中氧化鎂的粒徑不斷縮小，故可稱(chēng)為縮殼機(jī)理。

1.2.2 MgO的膨脹機(jī)理

對(duì)于MgO的膨脹機(jī)理，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家做了大量的研究工作，提出了很多理論假說(shuō)。目前還沒(méi)有一個(gè)確切的定論。比較有代表性的是吸水腫脹理論和結(jié)晶生長(zhǎng)壓理論。

Chatterji認(rèn)為，MgO影響水泥漿體膨脹的動(dòng)力源于MgO水化而產(chǎn)生的結(jié)晶生長(zhǎng)壓力△P，△P有其他幾個(gè)影響因素，表達(dá)式為：

圖1 含MgO水泥漿體的膨脹模型

式中：△P是指晶體生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生向外的壓力，即結(jié)晶生長(zhǎng)壓；Vm為晶體的摩爾體積；as為過(guò)飽和溶液的平均活度；a0為飽和溶液的平均活度；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。濃度較低時(shí)，可不考慮活度系數(shù)的影響。MgO水化時(shí)，首先形成微小晶體，這些微小晶體溶解并重結(jié)晶，晶體生長(zhǎng)變大產(chǎn)生膨脹。這剛好和MgO的水化動(dòng)力學(xué)機(jī)理相吻合。

影響晶體生長(zhǎng)壓的因素有Mg(OH)2的溶解度、生長(zhǎng)習(xí)性、存在位置以及Mg2+的擴(kuò)散特性。該理論指出MgO水泥漿體膨脹的動(dòng)力源于MgO水化產(chǎn)生的結(jié)晶生長(zhǎng)壓，這為后人進(jìn)一步深入研究提供了方向和依據(jù)。

Mehta在研究鈣礬石膨脹機(jī)理時(shí)提出，具有高比表面積和表面荷電的凝膠狀鈣礬石吸附大量的水分子，產(chǎn)生腫脹力，認(rèn)為鈣礬石凝膠的吸水腫脹使得水泥漿體發(fā)生了膨脹。

吸水腫脹理論最早的提出雖不是針對(duì)MgO膨脹，但對(duì)于MgO混凝土同樣適用。鄧敏、章清嬌等人對(duì)MgO結(jié)晶壓和腫脹壓進(jìn)行了估算，提出了MgO在水泥中的膨脹是結(jié)晶壓和吸水腫脹共同作用的結(jié)果，并據(jù)此建立了膨脹模型，如圖1所示。

研究結(jié)果表明，水泥中MgO的膨脹起因于Mg2+、OH-的遷移及Mg(OH)2晶體的生成和長(zhǎng)大。膨脹在很大程度上取決于生成的Mg(OH)2晶體所占據(jù)的位置，其次還取決于Mg(OH)2晶體的尺寸。細(xì)小的聚集在MgO顆粒表面附近的Mg(OH)2晶體能產(chǎn)生較大的膨脹，粗大的分散在MgO顆粒周?chē)^大區(qū)域內(nèi)的Mg(OH)2晶體引起的膨脹較小。漿體膨脹的直接推動(dòng)力為極細(xì)小的Mg(OH)2晶體的吸水腫脹力和Mg(OH)2晶體的結(jié)晶生長(zhǎng)壓力，早期膨脹的主要驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自吸水腫脹，后期則主要來(lái)自結(jié)晶生長(zhǎng)壓力。漿體的膨脹是兩者共同作用的結(jié)果，但結(jié)晶生長(zhǎng)壓力起主導(dǎo)作用。

2 影響MgO混凝土膨脹的因素

混凝土中MgO的形態(tài)和含量、熟料或鎂礦的煅燒制度以及拌合混凝土?xí)r的水灰比和集料級(jí)配等均對(duì)MgO混凝土的膨脹產(chǎn)生一定影響。

2.1 混凝土中MgO的形態(tài)和含量

混凝土中氧化鎂的加入方式主要有兩種，水泥熟料中內(nèi)含的MgO以及外摻的輕燒MgO。水泥熟料中的MgO水化速度緩慢，甚至需10年以上，而外摻輕燒MgO，早期便可基本水化，膨脹出現(xiàn)較早。因此水泥熟料中的MgO與外摻輕燒MgO有本質(zhì)的不同，在實(shí)際應(yīng)用中以外摻為主。鄧洋等研究表明：內(nèi)含4%~5%MgO的水泥漿體膨脹達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，膨脹量較??；輕燒MgO的水化速度較快，90 d后膨脹值基本趨于穩(wěn)定，膨脹量較大。

水泥熟料當(dāng)中的MgO有2%左右以固溶體形態(tài)存在，這部分MgO通常不產(chǎn)生膨脹，其余的MgO主要以方鎂石的的形態(tài)存在，方鎂石水化生成的水鎂石是混凝土后期膨脹的根源。陳胡星等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熟料中MgO含量很小時(shí)無(wú)方鎂石晶體；當(dāng)MgO含量稍高時(shí)，熟料中存在少量分布均勻的方鎂石晶體；當(dāng)MgO含量過(guò)高時(shí)，方鎂石含量較高且呈團(tuán)分布。水泥凈漿膨脹量隨方鎂石含量增加而增大，含量過(guò)高則導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)破壞。

MgO含量不同的熟料制成的水泥壓蒸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)熟料中MgO含量越高，水泥壓蒸膨脹率越大，含量過(guò)高時(shí)，試件膨脹彎曲。

表1 熟料中MgO含量不同時(shí)水泥壓蒸試驗(yàn)結(jié)果

鄧敏、陳昌禮等研究了輕燒MgO摻量對(duì)混凝土膨脹性能的影響，并分別提出了在不同條件下混凝土中MgO最大摻量的問(wèn)題，結(jié)果表明，MgO混凝土的體積膨脹隨著MgO含量的增加而增大，并可以通過(guò)調(diào)節(jié)輕燒 MgO的摻量來(lái)控制水泥漿體的膨脹量。也有資料表明MgO對(duì)混凝土膨脹時(shí)間也有一定影響，MgO摻量越高膨脹開(kāi)始時(shí)間越早，而MgO摻量越低膨脹開(kāi)始時(shí)間越晚。

2.2 煅燒(冷卻)制度

煅燒制度影響MgO活性，從而影響MgO混凝土的膨脹性能。MgO活性的實(shí)質(zhì)是晶體表面價(jià)鍵的不飽和性，晶格的畸變和缺陷加劇了這種鍵的不飽和性?；钚缘牟町愔饕从贛gO晶體的大小及其結(jié)構(gòu)的完整性等因素，若結(jié)構(gòu)疏松、晶格畸變、缺陷較多，則表面有一定數(shù)量的不飽和價(jià)鍵，易于進(jìn)行物理化學(xué)反應(yīng)，表現(xiàn)為MgO的活性高，反之則低。一般來(lái)說(shuō)，MgO的活性越大，越有利于水泥漿體的早期膨脹。晶體結(jié)構(gòu)完整，晶體缺陷較少，則延緩MgO的水化反應(yīng)速度，使得早期膨脹不明顯，后期膨脹量較大。

熟料的燒成溫度、在燒成帶的停留時(shí)間以及冷卻速度，都影響方鎂石的形態(tài)分布，從而影響水泥漿體的膨脹性能。水泥熟料中的MgO經(jīng)過(guò)高溫過(guò)燒，MgO顆粒被包裹在水泥熟料內(nèi)部，高溫停留時(shí)間越長(zhǎng)，晶體結(jié)構(gòu)越完整，MgO活性越低，水化也越緩慢。冷卻速度對(duì)熟料中方鎂石晶體尺寸也有影響，快冷時(shí)，方鎂石大多以水化速率相對(duì)較快的小晶體析出，反之，則以水化較慢的大尺寸晶體存在。

鄧敏等研究了煅燒制度對(duì)MgO活性的影響以及不同活性的MgO對(duì)水泥漿體膨脹性的影響：MgO的活性隨保溫時(shí)間延長(zhǎng)和煅燒溫度升高而變差；摻高活性MgO水泥漿體的早期膨脹比較明顯，后期膨脹增長(zhǎng)趨勢(shì)減??；摻低活性MgO水泥漿體的膨脹行為相反。這就解釋了水泥熟料中的MgO水化膨脹十分緩慢而輕燒MgO水化反應(yīng)卻較快的原因。

2.3 粉煤灰等摻合料

大量研究表明，粉煤灰對(duì)MgO混凝土膨脹有一定的抑制作用。鄧敏等認(rèn)為粉煤灰改變了膨脹源所處水泥漿體的堿度，從而影響了Mg(OH)2的結(jié)晶位置、尺寸和形貌等，另外還改變了水泥石的孔結(jié)構(gòu)，使其多孔化，堿度的降低和多孔化抑制了氧化鎂水泥膨脹。李承木也得出了相似的結(jié)論。

葉青、陳胡星等認(rèn)為，水泥石的內(nèi)部環(huán)境等因素對(duì)膨脹有很大影響。由于MgO所處的漿體環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜多變、多孔的粘彈性環(huán)境，其最終表現(xiàn)出來(lái)的膨脹肯定小于MgO水化所增加的固相體積。于是，在此基礎(chǔ)上提出了膨脹理論并得到了如下結(jié)論：①在早期，粉煤灰促進(jìn)了氧化鎂的水泥凈漿膨脹，但是后期明顯抑制了其膨脹，粉煤灰的作用效果都是隨著摻量的增加而增強(qiáng)。②粉煤灰的火山灰效應(yīng)降低了水泥漿體的晶膠比，使膨脹應(yīng)力和彈性模量減小，增大了粘性系數(shù)，從而抑制了氧化鎂的體積膨脹。③粉煤灰通過(guò)改變膨脹源所處環(huán)境的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，從而改變了氧化鎂的膨脹規(guī)律。

2.4 集料粒徑及級(jí)配

對(duì)集料粒徑及級(jí)配對(duì)MgO混凝土膨脹性能影響的研究，主要是為了找到一種合適的評(píng)價(jià)混凝土安定性的方法。方坤河等的研究結(jié)果表明，不同骨料級(jí)配混凝土砂漿的壓蒸膨脹率是不同的，其膨脹率與單位體積試件中MgO量的增加而增大。經(jīng)過(guò)濕篩去除大于40 mm的粗骨料獲得的混凝土試件的早期自生體積變形量大小的順序大致為：二級(jí)配混凝土>三級(jí)配混凝土>一級(jí)配混凝土，后期自生體積變形量大小的順序大致為：一級(jí)配混凝土>二級(jí)配混凝土>三級(jí)配混凝土。即一級(jí)配混凝土早期膨脹較小，后期膨脹加劇。

陳理達(dá)利用不同細(xì)度模數(shù)的砂做了壓蒸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明細(xì)度模數(shù)小，壓蒸膨脹率小。分析原因?yàn)椋荷凹?xì)度模數(shù)小，比表面積大，MgO分布更為分散，減弱了MgO膨脹能。

李承木等研究表明，集料粒徑越大，混凝土組成越不均勻，其測(cè)試結(jié)果就越不真實(shí)。經(jīng)過(guò)微觀結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為采用干篩法成型的一級(jí)配混凝土的壓蒸檢測(cè)最能體現(xiàn)混凝土真實(shí)的膨脹性能，試體的均質(zhì)與靈敏性高、力學(xué)強(qiáng)度可靠，科學(xué)合理，符合工程實(shí)際。

2.5 水灰比

李維維等的研究表明混凝土的自生體積變形隨著水灰比的增大而增大。主要是由于：①隨著水灰比的增大MgO混凝土的強(qiáng)度和彈性模量降低，相同的膨脹應(yīng)力作用下變形增大；②水灰比大的混凝土，骨料比例增大，引起混凝土收縮的水泥含量相對(duì)減少；③水灰比增大時(shí)，混凝土的孔隙率增大，有利于Mg(OH)2晶體的生成和結(jié)晶壓力的增長(zhǎng)。壓蒸膨脹率的研究表明MgO含量相同時(shí)，隨著水灰比的增大，水泥凈漿、砂漿、一級(jí)配混凝土、二級(jí)配混凝土的壓蒸膨脹率均減小。這與陳理達(dá)等的研究結(jié)果相反，可能由于粉煤灰的抑制作用，掩蓋了MgO混凝土真實(shí)的膨脹效果。

2.6 養(yǎng)護(hù)溫度

MgO混凝土的膨脹性能對(duì)養(yǎng)護(hù)溫度十分敏感，其膨脹速率取決于養(yǎng)護(hù)溫度。養(yǎng)護(hù)溫度較高則膨脹較快，反之則十分緩慢。樓宗漢等對(duì)水泥熟料中MgO的水化和膨脹性能做了研究，結(jié)果表明：熟料中MgO水化速度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高增快。

圖2為不同養(yǎng)護(hù)溫度下氧化鎂混凝土的典型膨脹量曲線。與低溫養(yǎng)護(hù)相比，高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)在較短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)明顯膨脹，達(dá)到最終膨脹量的時(shí)間也較早。

圖2 MgO混凝土在不同養(yǎng)護(hù)溫度下的自生體積變形

在變溫條件下，漿體在升溫養(yǎng)護(hù)時(shí)的膨脹量大于降溫養(yǎng)護(hù)時(shí)的膨脹量，漿體的變形具有單調(diào)遞增及不可逆特性。目前，很多文獻(xiàn)提出了模擬變溫條件下MgO混凝土膨脹過(guò)程的計(jì)算模型，如熱積模型、雙曲線模型、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型等。 這些模型考慮了溫度對(duì)膨脹速率的影響，但是模型提出的各種假設(shè)使得各種模型本身都具有一定的局限性，與實(shí)際結(jié)果還有一定出入。

3 MgO混凝土的主要性能

3.1 自生體積變形

水泥水化過(guò)程中的化學(xué)收縮、自收縮以及大體積混凝土內(nèi)部的溫降收縮均會(huì)引起混凝土的自生體積變形。內(nèi)含或外摻MgO對(duì)混凝土性能影響最為顯著的就是自生體積變形，目前研究大多亦集中于此。

陳文耀等對(duì)三峽大壩使用的高鎂中熱水泥的自生體積變形進(jìn)行了研究：內(nèi)含MgO水泥混凝土自生體積變形2年左右已基本穩(wěn)定，低水膠比混凝土變形穩(wěn)定時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)一些，但由于混凝土的徐變作用其影響很小。因此，內(nèi)含氧化鎂水泥不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)不斷的膨脹變形，自生體積變形是穩(wěn)定的。

李承木等人研究了MgO混凝土自生體積變形的長(zhǎng)齡期試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期水化，MgO混凝土的長(zhǎng)期變形曲線收斂，變形過(guò)程中既不會(huì)產(chǎn)生急劇或無(wú)限膨脹，又不會(huì)出現(xiàn)回縮現(xiàn)象，膨脹變形是穩(wěn)定的。陳昌禮針對(duì)MgO混凝土的膨脹特性，提出了MgO混凝土自生體積變形的反正切曲線模型，與實(shí)際變形一致，可用以推算MgO混凝土的長(zhǎng)期膨脹變形值。

3.2 力學(xué)性能

強(qiáng)度是衡量混凝土力學(xué)性能的一個(gè)重要依據(jù)。羅魁元在研究MgO對(duì)硅酸鹽熟料的影響時(shí)提出：熟料硅率和鐵率不變的情況下，高鎂熟料中多余的MgO替代了部分CaO和SiO2。這樣高鎂熟料的鋁酸鹽礦物并無(wú)變化，而硅酸鹽礦物將減少1%~2%。因此高鎂熟料早期強(qiáng)度有所降低。很多水泥廠的生產(chǎn)實(shí)際也證明了這一點(diǎn)，熟料中MgO含量越高，早期強(qiáng)度越低。

李延波等的研究表明：摻MgO混凝土在不同約束條件下力學(xué)性能都有不同程度的提高。約束條件下，混凝土基體的致密性得到提高，基體和集料界面的黏接能力較強(qiáng)，從而提高了混凝土的力學(xué)性能。溪洛渡水電站外摻MgO混凝土研究資料表明，MgO摻量在6%以?xún)?nèi)混凝土強(qiáng)度略有增長(zhǎng)，摻量超過(guò)7%時(shí)，混凝土強(qiáng)度約降低5%～8%。李承木將10年以上齡期MgO混凝土抗壓強(qiáng)度與短齡期相比較，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度降低不足5%，說(shuō)明MgO混凝土長(zhǎng)齡期的力學(xué)性質(zhì)是安定可靠的，MgO微膨脹對(duì)混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能的影響不大。

綜合前人的研究結(jié)果，水泥熟料內(nèi)含的MgO減少了一部分硅酸鹽礦物發(fā)揮強(qiáng)度而使混凝土早期強(qiáng)度有所降低；外摻少量MgO或者有約束條件下可以有效提高混凝土的密實(shí)度從而提高強(qiáng)度；外摻過(guò)量MgO則會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)破壞而使強(qiáng)度降低；MgO混凝土長(zhǎng)期的力學(xué)性能是穩(wěn)定的。

4 MgO混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

利用MgO水化所產(chǎn)生的體積膨脹來(lái)解決大壩溫控問(wèn)題，打破了人們的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。近年來(lái)隨著研究的不斷深入，MgO混凝土筑壩技術(shù)得到越來(lái)越多的應(yīng)用，MgO混凝土的應(yīng)用部位也已從碾壓混凝土壩基礎(chǔ)墊層、大壩基礎(chǔ)墊層發(fā)展到導(dǎo)流洞封堵、重力壩基礎(chǔ)約束區(qū)、高壓管道外圍回填、直到中型拱壩的全壩段。到目前為止，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)四川、貴州、廣東等10余個(gè)省包括三峽大壩在內(nèi)的50余個(gè)大中型水利水電工程的不同部位應(yīng)用并獲得成功。

全壩采用外摻MgO混凝土澆筑拱壩工程，在我國(guó)部分省份已成功建成多座常態(tài)混凝土拱壩。實(shí)踐證明，采用外摻MgO混凝土不分橫縫(或設(shè)誘導(dǎo)縫)快速澆筑混凝土拱壩技術(shù)值得推廣應(yīng)用。新技術(shù)徹底摒棄了傳統(tǒng)修建混凝土諸多制約筑壩速度的施工工藝，縮短工期，降低造價(jià)，加快了我國(guó)水力資源開(kāi)發(fā)和水利水電工程建設(shè)速度，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益更加顯著。如某高拱壩壩高292 m，發(fā)電裝機(jī)為420萬(wàn)kW，若在壩基36 m強(qiáng)約束區(qū)采用MgO混凝土快速施工，至少可提前1a發(fā)電，預(yù)計(jì)可獲得綜合經(jīng)濟(jì)效益近百億元。

我國(guó)有豐富的水能資源，理論蘊(yùn)藏量為6.94 億kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量達(dá)5.42億kW，今后會(huì)有更多特大型水電站大壩的工程建設(shè)。在大中型水利水電工程、工業(yè)與民用建筑工程、有抗裂和防滲要求的工程、凡有約束環(huán)境條件的工程等均可采用MgO混凝土施工。MgO混凝土筑壩技術(shù)在我國(guó)具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)和發(fā)展前景。

5 待解決的問(wèn)題

目前對(duì)MgO膨脹機(jī)理的研究還沒(méi)有一個(gè)確切的定論，應(yīng)進(jìn)一步研究MgO膨脹機(jī)理及膨脹特性，建立完善的符合實(shí)際的水化膨脹體系，從而更好地推廣MgO在大體積混凝土中的應(yīng)用。另外，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為熟料內(nèi)含MgO水化太慢，延遲膨脹作用不明顯，而對(duì)外摻MgO的性能等研究較多，但水泥熟料中的MgO具有分布均勻且可有效利用高鎂石灰石等不可替代的優(yōu)點(diǎn)，如果適當(dāng)提高水泥熟料中方鎂石的含量同樣可以達(dá)到補(bǔ)償收縮的目的。目前對(duì)氧化鎂混凝土耐久性方面的研究較少，且分歧較大，不能很好地評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣，指導(dǎo)工程實(shí)踐。所以應(yīng)加大投入力度，開(kāi)展深入研究。

MgO混凝土應(yīng)用已越來(lái)越廣泛，對(duì)水泥混凝土中MgO最高含量或者摻量的研究也舉不勝舉，大多數(shù)研究者認(rèn)為在中低熱硅酸鹽水泥領(lǐng)域，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于水泥熟料中MgO安定性含量不能高于5%~6%的規(guī)定過(guò)于苛刻，已有研究結(jié)果中，在混凝土高摻粉煤灰時(shí)，MgO安定性摻量甚至可以達(dá)到12%或更高。但是至今仍沒(méi)有新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水泥中的MgO最高含量或者摻量。所以應(yīng)組織制定新的標(biāo)準(zhǔn)，從而使這個(gè)領(lǐng)域的研究應(yīng)用更加合理規(guī)范，推動(dòng)MgO混凝土筑壩技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)于MgO混凝土的安定性檢測(cè)方法，目前仍沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)研究認(rèn)為以水泥砂漿試件的壓蒸膨脹率不超過(guò)0.5%來(lái)確定混凝土中MgO的安定摻量，雖然安全，但過(guò)于保守。工程應(yīng)用中，很多將大級(jí)配混凝土作為壓蒸試體，認(rèn)為比較能代表真實(shí)情況，而李承木等認(rèn)為集料粒徑越大，混凝土組成越不均勻，測(cè)試結(jié)果就越不真實(shí)。總之要盡快制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使工程應(yīng)用統(tǒng)一規(guī)范。

雖然MgO混凝土性能研究和施工技術(shù)已經(jīng)逐步完善，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然不能大意。只有當(dāng)混凝土的自生體積膨脹變形量達(dá)到一定值時(shí)，方可省去傳統(tǒng)措施實(shí)行快速施工。MgO混凝土的延遲微膨脹性能并不能解決所有問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用中，一些簡(jiǎn)單有效且成本較低的保證措施還應(yīng)得到應(yīng)用。

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The development process of MgO concrete is described.The factors affecting the expansion of MgO concrete is summarized.The study progress of the main properties of MgO concrete is introduced.The application status and prospect of MgO concrete are analyzed.The problems of current research and the solving direction are pointed out.This provides better references for in-depth study and practical applications of MgO concrete.

MgO concrete;expansion mechanism;expansion properties;application prospect

趙松海(1988-)，男，碩士，從事新型建筑材料研究。

燁）（

2013-11-3）