1 前言

    大体积混凝土浇筑完成后，由于水泥水化释放热量，混凝土温度迅速上升，一般在3～5d可达30～50℃。待达到最高温度后，随着热量向外部释放，一般从混凝土浇筑后7d起，混凝土的温度缓慢下降，历经数年甚至更长时间才降至稳定温度，最高温度与稳定温度之差在20℃左右。随着温度下降，混凝土体积发生收缩。再伴随着干燥收缩和化学收缩，在混凝土内产生较大的收缩应力。一旦收缩应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土就会产生裂缝。这不但影响混凝土结构的美观，更使混凝土的强度和耐久性下降。为此，根据大体积混凝土的特点，经过三十多年的研究，提出采用氧化镁(MgO)混凝土技术。利用MgO混凝土自身的延迟微膨胀特性，使混凝土在温降过程中产生体积膨胀，补偿温降收缩，提高混凝土的抗裂能力，以实现全部或大部分取消大体积混凝土的传统温控措施(如预冷骨料、加冰拌合、预埋冷却水管、分缝分块等)，达到优质、快速、经济浇筑大体积混凝土的目的。

将MgO加入到混凝土中，主要有以下四种方法：

（1）在配制水泥生料时，掺入适量的菱镁矿或高镁石灰石或白云石，然后与其他生料共同磨细后煅烧，使水泥成品中高含MgO组分(一般为4％～6％)，简称共烧内含MgO水泥或高含MgO水泥

（2）在水泥熟料磨制成水泥成品时，加入适量的MgO熟料(即轻烧镁砂半成品)与水泥熟料共同粉磨，简称共磨外掺MgO水泥；

（3）在水泥厂将适量的粉状MgO膨胀剂与水泥成品事先混合均匀，简称共混外掺MgO水泥或厂掺MgO水泥；

（4）在混凝土拌和现场，将适量的MgO膨胀剂成品直接加入拌和机中，与水泥、砂子、石子、水等原材料一起拌制混凝土，简称机口外掺MgO混凝土。后三种使混凝土含有MgO的方法，均为外掺MgO。

    无论内含MgO，还是外掺MgO，如果MgO量过大，将会使混凝土过度膨胀而导致混凝土结构破坏。目前确定混凝土中MgO安全掺量的方法，是参照“水泥压蒸安定性试验方法(GB750-1992)”，以水泥砂浆试件的压蒸膨胀率不超过0.5％来确定MgO的允许含量，其值一般不超过5％～6％。但是，由于外掺的MgO膨胀剂和水泥内含的MgO组分的烧成条件不同，造成两者的质量稳定性和在大体积混凝土中膨胀效应不同，使大体积混凝土的温控措施不同。下面将对此进行分析。

2 MgO膨胀剂和高含MgO水泥的烧成条件、质量和掺量的控制标准、质量稳定性

2.1烧成条件

2.1.1 MgO膨胀剂的烧成条件

    MgO膨胀剂是以富含MgO的菱镁矿(MgCO3)或白云岩为原料，以反射窑(立窑)或回转窑为煅烧设备，经适宜温度煅烧后磨细而成的白色粉末状物质，密度约2.9～3.3g/cm3。其生产流程为：原料破碎→装窑→煅烧→出窑→冷却→粉磨→包装。煅烧温度、煅烧时间是决定MgO质量的关键因素。使用反射窑时，入窑矿粒粗(一般为50～150mm)，煅烧时间为60～90min，出窑的轻烧镁砂较粗，煅烧成本低；回转窑的入窑矿粒细(一般小于50mm)，煅烧温度较稳定且易调节，煅烧时间为45～60min，出窑的轻烧镁砂较细，但生产成本高。用于水利水电工程大体积混凝土的MgO膨胀剂的适宜煅烧温度为1050～1150℃，高温下保温时间为30min。目前，生产用于混凝土的MgO膨胀剂的原料，主要是菱镁矿。利用白云石煅烧MgO，还处于中试阶段。我国菱镁矿资源主要集中在辽宁海城、大石桥一带，约占全国储量的85％。当地大小镁矿，星罗棋布，仅大石桥市就有各类镁制品企业570多家。这些地方主要利用菱镁矿生产耐火材料，销量大，销路好，是当地的支柱产业和财政收入的主要来源。由于用于耐火材料的MgO的纯度比用于混凝土低，使用反射窑煅烧就能满足要求，而使用回转窑的煅烧成本远远高于反射窑，因此，直到目前，仍没有利用回转窑煅烧的用于混凝土的MgO产品。表1和表2中列出了生产MgO膨胀剂所用的菱镁矿及相应的MgO产品的化学成分。

2.1.2高含MgO水泥的烧成条件

    高含MgO水泥的生产流程与一般水泥的生产流程相同，即：原料配制→磨细成生料→入窑(回转窑或立窑)→煅烧成熟料→出窑→冷却→加入适量的混合材、石膏共同粉磨成水泥。不同的是，生产高含MgO水泥时，在配制石灰质原料、粘土质原料、辅助原料过程中，需掺入适量的菱镁矿或高镁石灰石或白云石原料。生料入窑后，即开始被加热。当温度从1300℃升至1450℃再降到1300℃，称为熟料的烧成阶段。这一过程是煅烧水泥的关键，必须达到足够的温度并停留适当时间。高含MgO水泥的MgO含量一般为4％～6％，比一般水泥的MgO含量高出3.5个百分点左右。现代大中型水泥厂的煅烧设备多为旋转窑，采用新型干法生产；采用立窑煅烧水泥的工艺，国家已明文要求逐渐淘汰，并禁止立窑水泥进入高速公路、机场、港口、桥梁、涵洞等重点工程和建筑物结构工程。由于受原料的限制，目前除辽宁抚顺水泥厂外，其他地区还没有专门以菱镁矿为原料来生产高含MgO水泥的厂家，只有极少数利用高镁石灰石或白云石原料生产高含MgO水泥的厂家，如湖南坝道特种水泥股份公司、湖北葛洲坝水泥厂、华新水泥股份公司等。www.tmgc8.com

2.2质量和掺量的控制标准

    MgO膨胀剂的质量用纯度(MgO含量)、活性指标、烧失量、细度和氧化钙含量等理化指标来评价。这些指标与原料的品质、煅烧设备、煅烧制度等密切相关。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。利用回转窑煅烧MgO，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，活性高。因此，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膨胀剂的质量。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，见表3。

    对于高含MgO成品水泥，其强度等级、技术要求等质量控制标准按照《通用硅酸盐水泥GBl75-2007)》执行。不论使用外掺MgO，还是使用高含MgO水泥生产混凝土，如果MgO含量过高，MgO水化后将产生过大膨胀，可能引起混凝土结构产生裂缝而破坏。所以，对混凝土中的MgO量必须严格控制，一般要求MgO量不超过5％。我国《通用硅酸盐水泥(GBl75-2007)》标准第7.1款规定，硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的MgO含量不超过5％，若水泥压蒸试验合格，允许放宽到6％；其他品种水泥的MgO含量不超过6％，若超过6％，需进行水泥压蒸安定性试验并合格。

    如何控制混凝土中外掺MgO的数量，能源部、水利部水利水电规划设计总院在1995年5月颁发的《MgO微膨胀混凝土筑坝技术暂行规定及编制说明》有明确规定。即：MgO的安定掺量，应根据各种MgO掺量(室内实验可取0％、2％、4％、6％、8％五级)与水泥(含混合材)压蒸膨胀率的关系曲线确定。水泥(含混合材)的安定性试验，应按照GB750《水泥压蒸安定性试验方法》的规定进行。水泥压蒸膨胀率，普通水泥以不超过0.5％、矿渣水泥不超过0.8％为合格，但须检验试件有无翘曲、弯曲、微裂缝。虽然采用水泥压蒸安定性试验来确定混凝土中MgO膨胀剂的安定掺量显得过于苛刻，目前已有工程探索性地利用水泥砂浆试件进行压蒸安定性试验来确定混凝土中MgO膨胀剂的掺量，但在新标准颁布前，仍以按照GB750《水泥压蒸安定性试验方法》的规定执行为宜。

2.3质量稳定性

    由于辽宁省海城市东方滑镁公司的菱镁矿储量大(约3000万吨)，品位高，生产历史长，公司信誉好，铁路、陆路运输方便，并为满足水利水电工程大体积混凝土用MgO的需要对煅烧制度进行了调整，有自己的质量控制与检测手段，因此，1994年8月，当时的能源部、水利部水利水电规划设计总院发文规定，水利水电工程大体积混凝土使用的MgO膨胀剂，由东方滑镁公司定点生产。该公司生产的MgO膨胀剂，已成功应用于贵州东风、普定、索风营、鱼简河、落脚河、沙老河、三江、马槽河、老江底、黄花寨、广东青溪、飞来峡、长沙、坝美、长潭、四川铜街子、二滩、沙牌、武都、浙江石塘、福建水口、新疆码纳斯等多个水利水电工程。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，也有碾压混凝土；坝型有重力坝、拱坝、面板堆石坝等，应用效果好[1.2]。该公司使用反射窑生产MgO。实际煅烧菱镁矿时，在距窑身炉口约1.2m处用光学测温器测量煅烧温度，煅烧温度很难严格控制。因此，相对于生产高含MgO水泥而言，产品质量的均匀性和长期稳定性还可进一步提高。若能在反射窑窑身安装测温仪表，准确控制窑内温度，则MgO产品的质量稳定性会更高，用户会更放心。从MgO膨胀剂的应用范围将越来越广，并将逐渐应用于大型水利水电工程的长远发展看，最好使用回转窑烧制MgO膨胀剂。对于高含MgO水泥，由于目前采用回转窑生产，质量控制指标按照严格的国家标准执行，厂家也有一套完整的、成熟的质量控制体系和自检系统，因此，水泥质量的波动小，长期稳定性高。不过，目前生产高含MgO水泥的厂家极少，业主的选择范围非常有限。

3 外掺的MgO膨胀剂和水泥内含的MgO组分在大体积混凝土中的膨胀效应

3.1水泥内含的MgO组分在大体积混凝土中的膨胀效应

    水泥熟料中的MgO在1400℃左右的高温煅烧过程中，一部分可与熟料矿物结合成为固溶体和熔于液相中，这部分一般不超过2％，且不会使水泥硬化浆体产生膨胀。超过固溶量部分的MgO成为游离状态的方镁石(结晶MgO)，分布于水泥熟料各矿物之间。经高温煅烧的水泥熟料中的方镁石水化以后生成水镁石[Mg(OH)2]，体积膨胀148％。这种水化反应在常温下非常缓慢，往往需要几个月甚至几年才能检测到水镁石，需要数年甚至数十年才能完全反应[3,4]。但温度对方镁石的水化速度影响较大。在常温下水化越慢的方镁石，温度对其加速水化反应的影响就越大[5]。试验研究表明，熟料中MgO含量在4.5％左右，在20℃养护温度下，60d才检测到水镁石，至300d才大约有30％～40％的方镁石转化为水镁石。在50℃养护下,28d有30％左右的方镁石转化为水镁石，90d的水镁石形成率有60％左右；300d大部分转变[4,6]。www.tmgc8.com

    对于大体积混凝土，补偿温降收缩所需的膨胀变形，理想的发生时间是在混凝土水化热最高温升之后，在混凝土显著温降之前。现代水利水电工程的大体积混凝土，多采用低水胶比、低坍落度、高掺粉煤灰、添加高效外加剂、优选原材料和骨料级配等综合技术，使得混凝土的最高温度很难达到50℃。例如，长江三峡二期工程(包含泄洪坝段、左岸电站厂房及坝段、非溢流坝段等)，即使在当地气温最高的6～8月，根据不同部位，设计允许混凝土的最高温度也仅有31～38℃[7]。在这种情况下，高温死烧的MgO的膨胀期显得过长且难以控制，对混凝土温降收缩的补偿作用小，甚至混凝土的自生体积变形仍表现为收缩状态，不能达到全部或大部分取消大体积混凝土传统温控措施的目的。长江三峡二期工程施工时，使用了内含MgO量为3.5％～5.0％的湖南坝道525中热水泥、湖北葛洲坝525中热水泥、华新525中热水泥生产大体积混凝土，采用了全过程综合温控措施(包含二次风冷骨料、加冰拌和、通水冷却、分缝分块等)[8]。根据无应力计的观测资料分析，三峡二期工程混凝土从1998年陆续埋入仪器以来，直至2000年11月，86.4％(并非100％)的仪器反映出混凝土的变形为微膨胀或无收缩，膨胀量为0～55×10-6，一般为30×10-6～50×10-6［9］。3.2外掺MgO膨胀剂在大体积混凝土中的膨胀效应根据统计资料，截至目前，使用MgO混凝土技术的水利水电工程有40多个。其中，除吉林白山、红石、长江三峡、贵州构皮滩、鱼简河等极少数工程使用高含MgO水泥外，其他绝大多数工程均使用外掺MgO(特别是机口外掺MgO)方式生产MgO微膨胀混凝土。这说明，外掺MgO(特别是机口外掺MgO)方式，已成为利用MgO混凝土建造大体积混凝土挡水坝时最多的MgO掺入方式。大量的试验研究和工程实践表明[10,11]，外掺MgO混凝土呈现出良好的延迟微膨胀特性，混凝土的膨胀量随着MgO掺量的增加和龄期的增长而增大，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，龄期7～90d之间最大；之后，每年的膨胀量增加甚微，膨胀速率逐渐趋于零，长期膨胀变形总是趋于稳定，没有无限膨胀趋势。贵州东风水电站拱坝基础外掺MgO混凝土，是最早将MgO混凝土技术应用于大坝主体的工程。该工程浇筑MgO混凝土1.36×104m3,采用机口外掺方式掺入MgO 3.5％，共埋设10支无应力计观测混凝土的自生体积变形。长达10年的原型监测成果表明：混凝土的膨胀变形规律同室内研究结果一致；主要的膨胀量(约75％)发生在龄期7～90d内，1年龄期时的膨胀量为52.2×10-6～112.5×10-6,平均值为79.5×10-6；早期膨胀速率大，后期小，至1年后，膨胀速率降至(0.1～1.5)×10-6／年，并逐渐趋于零。东风拱坝基础采用外掺MgO混凝土浇筑后，加大了混凝土浇筑块体的尺寸，混凝土由原设计的36个浇筑块降低为12个，并省去了加冰拌合、水管冷却等常规温控措施，后来还取消了接缝灌浆，工期比原计划提前45天，取得了明显的经济效益和技术效益[10]。东风水电站已投产15年，大坝至今运行良好。

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