MgO膨胀剂工程应用.doc

1.MgO 膨胀剂的生产及技术要求MgO 膨胀剂是以富含 MgO 的菱镁矿（MgCO 3） 、白云岩或石灰石为原料，经适宜温度煅烧后磨细而成，白色粉末状，密度 2.9-3.3g/cm3，其质量用纯度（MgO 含量） 、活性指标、烧失量、细度和氧化钙含量来评价这些质量指标又与原料的品质、煅烧设备、煅烧制度、煅烧流程等密切相关MgO 膨胀剂的煅烧设备常采用工业反射窑（立窑）和回转窑MgO 的烧成温度越高，高温下的保温时间越长，活性指标越大，则方镁石（MgO 晶体）的水化活性越小，水化越慢利用回转窑生产 MgO，窑内煅烧温度容易控制，烧成时间短（45-60min） ，出窑的轻烧镁砂粒度较细（小于 2mm 的颗粒多于 90%） ，冷却快，烧失量小，烧成的 MgO 质量比较均匀，纯度大于 90%，活性高调整原料的煅烧设备，煅烧温度，高温下的保温时间，入窑粒度等，即可改变 MgO 膨胀剂的膨胀速率和膨胀量若要生产内含 MgO 量较高的水泥，只需在水泥生料中参入适量的菱镁矿，稍许改变睡你的煅烧工艺和生产流程即可但是，由于受料源的限制，目前只有极少数的水泥厂家能够生产内含 MgO 量较高的水泥长江三峡水利枢纽二、三期工程，贵州构皮滩水电站大坝等，均使用了内含 MgO 为 3.5%-5.0%的微膨胀型中热水泥，其混凝土的自生体积变形均呈微膨胀型。

直接将粉状 MgO 膨胀剂与混凝土的其他原材料（如水泥、碎石、砂子、粉煤灰等）一起搅拌而成的混凝土，可以根据混凝土结构设计要求的补偿收缩量，通过调整 MgO 膨胀剂的煅烧设备、烧成温度、高温下的保温时间、掺量、外掺混合材的种类等手段来调节混凝土的膨胀速率和膨胀量利用这种方法配置 MgO 微膨胀混凝土，相对使用内含 MgO量较高的水泥而言，方便灵活，实际工程应用较多1994 年，能源部、水利部水利水电规划设计总院颁发了用于水利水电工程的轻烧 MgO 膨胀剂的技术要求——《水利水电工程轻烧 MgO 材料品质技术要求（试行） 》 ，见表 1表 1 水利水电工程对轻烧 MgO 的技术要求MgO 含量/% 活性指标/sCaO 含量/% 细度/孔目 筛余量/% 烧失量 /%SiO2 含量/%≥90 240±40 <2 180 ≤3 ≤4 <42.MgO 膨胀剂的作用机理南京工业大学邓敏教授、崔雪华教授、唐明述院士等人通过多年研究后认为，经过高温煅烧的方镁石（MgO 晶体） ，水化作用很缓慢，在水化生成 Mg(OH)2 过程中引起的自生体积膨胀出现的较迟；由 MgO 水化而来的 Mg(OH)2 晶体的形成和发展，是水泥石产生延迟性膨胀的源泉；MgO 水泥结石的膨胀能来自于 Mg(OH)2 晶体的吸水肿胀力和结晶生长压力，水化早期的 Mg(OH)2 晶体很细小，晶体的吸水肿胀力是水泥结石膨胀的主要动力，随着 Mg(OH)2 晶体的长大，晶体的结晶生长压力转变为膨胀的主要动力；MgO 水泥结石的膨胀量取决于 Mg(OH)2 晶体存在的位置、形状和尺寸。

MgO 水泥结石和混凝土的膨胀性能主要取决于 MgO 膨胀剂的质量和掺量，其次与环境温度、混合材的种类和掺量、水泥熟料的矿物组成和游离 CaO 含量等因素有关3.氧化镁膨胀剂的技术效应利用贵州水泥厂 42.5 硅酸盐水泥、清镇电厂分选粉煤灰（Ⅱ级） 、人工砂石料、海城MgO（理化性能指标见表 2） 在实验室拌制 MgO 混凝土配合比见表 3配合比中的 MgO外掺量分别为胶凝材料总量百分数，控制坍落度为 2-6cm表 2 海城 MgO 的理化性能指标化学成分/%细度/目 活性 /s烧失量 SiO2 CaO MgO Fe2O3 Al2O3180 229 2.28 3.97 1.44 91.42 0.38 0.38表 3 混凝土配合比将编号为 M0、M1、M2 的混凝土力学性能实验试件脱模后放置于恒温（20±2）℃、相对湿度不低于 95%的环境中养护，变形试件放置于恒温（ 20±2）℃、绝湿环境中养护，测得混凝土试件的力学性能、体积变形值 G(t)及它们随 MgO 掺量变化的相对结果和随时间t 变化过程曲线分别见表 4、表 5，图 1表 4 混凝土的力学性能试验结果抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 弹性模量 /(×104MPa ) 极限拉伸值/( ×10-4)编号7d 28d 90d 180d 7d 28d 90d 180d 7d 28d 90d 7d 28d 90dM0 14.02 27.31 32.89 35.42 1.66 2.11 2.88 3.03 2.02 3.18 3.83 0.56 0.77 0.84M1 14.64 28.78 35.30 37.96 1.74 2.28 3.10 3.24 2.11 3.39 4.07 0.60 0.84 0.91M2 14.92 28.89 35.99 38.64 1.76 2.32 3.14 3.28 2.12 3.41 4.15 0.61 0.85 0.93注：混凝土试件 28d 龄期的抗渗标号均大于 1.2MPa。

表 5 外掺 MgO 对不同龄期混凝土自生体积变形值 G(t)的影响G(t)/×10-6试样MgO掺量/% 3d 7d 28d 90d 180d 1a 1.5a 2a 2.5a 3a 3.5a 4a 4.5aM0 0 1.2 4.2 12.7 28.2 39.4 48.7 50.5 52.2 53.8 55.3 57.0 57.8 58.7M1 2.5 2.2 11.2 28.2 53.4 64.9 74.6 76.9 77.9 78.8 79.9 80.6 81.1 81.6M2 3.5 3.8 19.4 37.2 67.3 81.2 92.6 93.2 95.4 96.8 97.7 98.5 99.0 99.4根据表 4、表 5 分析，使用 MgO 膨胀剂后，混凝土表现出良好的力学性能和延迟微膨胀特性1）在相同条件下，外掺 MgO 膨胀剂的混凝土各个龄期的力学性能指标均比未掺的高，并随着 MgO 掺量的增加而增大以 90d 龄期为例，外掺 MgO 膨胀剂的混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量和极限拉伸值均比未掺的提高 6%-9%2）外掺 MgO 膨胀剂的混凝土膨胀量随着龄期的增长而增大，主要的膨胀量发生在龄期 7-90d；膨胀速率则是早期大，后期小，在 7-90d 最大。

以掺 3.5%MgO 的混凝土为例，在龄期 7d、90d、2a、3a 、4.5a 的膨胀量分别是 1a 龄期的 0.21 倍、0.73 倍、1.03 倍、1.06倍和 1.07 倍；在龄期 28d 以前的膨胀速率约为 1.3×10-6/d；在龄期 28-1a 的膨胀速率为(2-原材料及用量胶凝材料/(kg/m 3) 骨料 外加剂掺量 /%编号水泥 粉煤灰 砂率 m(中石)：m(小石)水/(kg/m3) 木钙 DH48 DH9 MgOM0 171 73 32 60:40 122 0.25 0.50 0.003 0M1 171 73 32 60:40 122 0.25 0.50 0.003 2.5M2 171 73 32 60:40 122 0.25 0.50 0.003 3.510)×10-6/ 30d;在 1a 以后，膨胀速率降至 (1-3)×10-6/a3）MgO 混凝土的膨胀量随着 MgO 掺量的增加而增大在龄期 28d、90d、1a 和4.5a，掺量 3.5%MgO 的混凝土的膨胀量约为掺 2.5%的 1.32 倍、1.26 倍、1.24 倍和 1.22 倍，约为未掺的 2.93 倍、2.39 倍、1.90 倍和 1.69 倍。

4）MgO 混凝土的长期自生体积膨胀变形是稳定的（见图 1）：从图 1 可见，对掺 MgO 膨胀剂的混凝土历时近 5a 的测试值看，膨胀量均匀增长，膨胀过程曲线无突变现象，龄期 1a 之后，膨胀曲线已基本平稳，每年的膨胀量仅增加(0.5-3)×10-6,且增长速率逐渐趋于零，没有回缩和无限膨胀趋势从理论上讲，MgO 的水化反应应是渐进的不可逆反应，其水化产物 Mg(OH)2 的稳定性高，溶解度不足 Ca(OH)2 的1/200，因此，MgO 的水化反应一旦完毕，膨胀变形即告结束，并长期保持稳定状态工程实践表明，大体积混凝土浇筑后，由于水泥的硬化，散发大量的热量，使混凝土的温度迅速上升待达到最高温度后，随着热量向外部释放，混凝土温度将缓慢下降至一个稳定温度，最高温度与稳定温度之差在 20℃左右，需要的补偿收缩量约 200×10-6混凝土内部温度开始下降的时间一般是从混凝土浇筑后的 7d 起，持续时间可达几年至几十年（因混凝土的热传导性能差） 而 MgO 混凝土的膨胀主要发生在大体积混凝土的降温收缩阶段（即龄期 7-90d）之后，每年的膨胀量仅增加 (0.5-3)×10-6，并逐渐趋于稳定。

因此，利用好 MgO 混凝土的延迟微膨胀特性，能够补偿大体积混凝土在降温阶段产生的体积收缩，提高混凝土自身的抗裂能力然而，使用硫酸铝钙类、氧化钙类、硫铝酸钙—氧化钙类膨胀剂的混凝土，其在非水养护环境中的膨胀变形主要发生在早期（一般为混凝土浇筑后的1-7d 内） ，且之后大多呈收缩状态，难以满足补偿大体积混凝土冷缩的要求另外，由图 1 试验 M0 可见，42.5 级硅酸盐水泥本身具有一定的延迟微膨胀性能，这是因为硅酸盐水泥的 MgO 含量高达 2.25%，超过了水泥熟料中矿物相的可固熔量若水泥熟料中 MgO 含量较高，在高温煅烧时，部分 MgO 固熔在熟料的矿物相中（可固熔量一般不超过 2%） ，这部分 MgO 不会使水泥硬化浆体产生膨胀，超过可固溶量的部分 MgO 则形成方镁石晶体，在水化生成 Mg(OH)2 的过程中引起延迟性膨胀4.MgO 膨胀剂的应用实例4.1 贵州东风水电站拱坝基础MgO 膨胀剂率先应用于 1990 年 1 月 27 日-3 月 27 日浇筑的贵州省东风水电站主体工程的拱坝基础，MgO 掺量为 3.5%，混凝土体积为 1.36×104m3由于 MgO 一直被看作有害物质，当时在主体工程中应用 MgO 在国内外属于闯禁区的举动，因此，参建各方非常慎重。

除在实验室反复试验、进行中间现场试验和专家咨询外，还在混凝土内部不同部位埋设了 10 支无应力测试计，以观测混凝土的长期变形情况东风水电站拱坝基础采用 MgO 混凝土浇筑后，减少了分缝分块，原设计的 5 条横缝修改为 3 条，并取消了纵缝，深槽混凝土由原设计的 36 个浇筑块降低为 12 个，并且省去了水管冷却和加冰拌合等常规温控措施经历了 2 个汛期的考验后，在 1991 年浇筑坝体混凝土之前，经清渣全面检查，未发现裂缝，横缝缝面和混凝土与两侧基岩的接触面结合紧密因此，后来取消了接缝灌浆，共节省温控费用和灌浆费用约 25 万元人民币而且，该基础混凝土比预计工期提前 45d 浇完，两岸坝肩的开挖得以提前进行，为在第 2 年浇筑坝体混凝土奠定了坚实基础，保证了坝体混凝土的施工工期，避免了 1 年的工期损失，间接经济效益非常显著另外，长达 10 年的原型监测成果再次表明，MgO 混凝土的主要膨胀量（约 75%）发生在龄期 7-90d 内，且早期膨胀速率大，后期小，至 1a 后，膨胀速率降至 (0.1-1.5)×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。

4.2 MgO 膨胀剂的推广应用简述自从东风拱坝基础成功应用 MgO 混凝土以来，中国已有 30 多个水利水电工程使用MgO 膨胀剂，包括贵州省内的普定、洪家渡、索风营、鱼简河、落脚河水电站、沙老河水库、三江水库、广东省内的青溪、飞来峡、坝美、长潭水电站等，应用部位从重力坝基础约束区、碾压混凝土坝基础垫层、大坝基础回填、混凝土防渗面板，到中型拱坝全坝段；既有常态混凝土，也有碾压混凝。