改善水泥混凝土本征特性的補(bǔ)償收縮技術(shù)研究進(jìn)展

師海霞，紀(jì)憲坤，廉慧珍，王海龍

（1.中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)，北京中聯(lián)新航建材有限公司，北京 1000831；2武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000；3.清華大學(xué) 土木工程系，北京 100062）

1 硅酸鹽水泥的本征特性和混凝土工程耐久性的癥結(jié)

水硬性無(wú)疑是硅酸鹽水泥最重要的本征特性（inherent characteristic），但是熱脹冷縮、濕漲干縮的變形卻是硅酸鹽水泥混凝土另一不受歡迎的本征特性。水硬性的來(lái)源主要是硅酸鹽水泥水化生成具有不同聚集密度的、巨大比表面積的、顆粒尺寸多樣的凝膠[1]，影響硬化水泥混凝土性能的變形主要是和水密切相關(guān)的干縮。拌和水每減少6 kg/m3，約可減小干縮30 με[2]。其他如化學(xué)收縮、自收縮和冷縮（降溫引起的）也都與水有關(guān)。

1.1 主要和水有關(guān)的收縮特性

水泥水化必須在有水的條件下，通過(guò)溶液，在顆粒表面由表及里進(jìn)行。根據(jù)Powers[3]對(duì)20世紀(jì)50年代前后的硅酸鹽水泥計(jì)算，水泥完全水化的理論需水量為水泥質(zhì)量的22.7%，這是理論上無(wú)孔的情況。Powers進(jìn)一步計(jì)算，能提供22.7%的水可達(dá)到完全水化而孔隙率最小的需水量是38.4%，而攪拌成均勻的水泥漿體必須有足以分散水泥顆粒的拌和水，能攪拌均勻而完全水化、孔隙率最小的需水量則為43.8%。同時(shí)，混凝土的生產(chǎn)和成型工藝必須使用比上述理論計(jì)算值過(guò)量的水。但是，由于水泥漿體分散性所限，即使使用比上述理論值更大的水膠比，也不可能完全水化，除非是大于1∶1的水膠比。這就注定混凝土必然是一種多孔材料?；炷林斜厝淮嬖诘目滓徊糠质敲?xì)孔，即直徑小于1 mm而大于100 nm的孔；另一部分是凝膠孔（Powers計(jì)算占凝膠體積的28%，并與水灰比和齡期無(wú)關(guān)）。水泥漿體中的孔實(shí)際上是除固體外所占據(jù)的空間，孔壁即固體表面，水泥漿體中的孔沒(méi)有光滑的表面和規(guī)則的形狀（見(jiàn)圖1）。有時(shí)出現(xiàn)一些球形孔則是引入的氣體形成的，或攪拌、振搗時(shí)攜入而不應(yīng)該存在的，不在本文中討論。

圖1 硬化水泥漿體中的孔隙形貌

毛細(xì)孔在相對(duì)濕度低于100%時(shí)就會(huì)開(kāi)始失水，直到與環(huán)境相對(duì)濕度相平衡。圖2為硬化水泥漿體在不同相對(duì)濕度環(huán)境中干縮和失水的關(guān)系示意[3]。

圖2 水泥漿體干燥時(shí)失水-收縮關(guān)系示意

由圖2可見(jiàn)，失水程度隨環(huán)境相對(duì)濕度的下降而增大。其中①區(qū)為大毛細(xì)孔（宏觀孔）失水；②區(qū)為細(xì)微毛細(xì)孔失水，其中當(dāng)相對(duì)濕度≤45%包括C-S-H在內(nèi)的所有固體開(kāi)始失去其表面吸附水直到③區(qū)，失去所有固體表面吸附水；④區(qū)失去凝膠的層間水；⑤區(qū)是高溫烘烤下發(fā)生的收縮，④區(qū)和⑤區(qū)為長(zhǎng)期暴露于火中。

另一個(gè)與水有關(guān)的水泥混凝土收縮變形是自收縮（autogenous shrinkage），即當(dāng)與外界無(wú)水分交換時(shí)，水泥繼續(xù)水化消耗毛細(xì)孔中的水，毛細(xì)孔中蒸氣壓下降而凝縮，使體系整體體積收縮。自收縮產(chǎn)生的原因是水泥的水化，但是不等同于化學(xué)收縮。自收縮在初凝后就開(kāi)始發(fā)生，水膠比0.4的混凝土2個(gè)月自收縮約為200 με，大部分發(fā)生于早期。

水泥水化過(guò)程產(chǎn)生的化學(xué)收縮和自由收縮是導(dǎo)致體系體積減小的原因，各階段發(fā)展的過(guò)程示意如圖3所示，此過(guò)程可分為3個(gè)階段：第1階段是初凝前水泥水化產(chǎn)生的化學(xué)收縮是導(dǎo)致體積收縮的主要原因；第2階段是初凝后水泥水化的化學(xué)收縮導(dǎo)致體系產(chǎn)生孔隙；第3階段為初凝后在體系與外界無(wú)水分交換的條件下，自干燥收縮是導(dǎo)致體系體積收縮的根本。

圖3 水泥的化學(xué)收縮和自收縮

混凝土常用骨料比硬化水泥漿體有更高的彈性模量和低變形系數(shù)，故在一定水膠比范圍內(nèi)，混凝土的收縮變形會(huì)隨漿骨比的減小而減??；在漿骨比不變時(shí)，干縮隨水膠比的增大而增大，而自收縮隨水膠比的增大而減小。由圖4可見(jiàn)，這樣的規(guī)律在水膠比大于0.3時(shí)，收縮總量與水膠比無(wú)關(guān)；而當(dāng)水膠比小于0.3時(shí)，自收縮會(huì)隨水膠比的減小而顯著增大，其與干縮的差距增大，使總收縮值不再與水膠比無(wú)關(guān)，而是隨水膠比的減小而增大。這個(gè)規(guī)律可以指導(dǎo)混凝土成型工藝施工中的養(yǎng)護(hù)措施和制定補(bǔ)償收縮技術(shù)方案，根據(jù)混凝土與構(gòu)件特點(diǎn)和環(huán)境進(jìn)行有效的選擇。

圖4 漿骨比一定時(shí)水膠比對(duì)自收縮和干縮的影響

1.2 主要與溫度有關(guān)的本征特性

從本征特性來(lái)說(shuō)，水泥混凝土的熱脹冷縮變形也和水有關(guān)。硬化水泥漿和混凝土不同于其他單質(zhì)或化合物，實(shí)際上是一種在遠(yuǎn)程上以范德華力為主的多相混合物，各組成部分中只有膠凝材料水化生成遠(yuǎn)程無(wú)序、近程有序的凝膠存在少量化學(xué)鍵?；炷涟韬衔镉赡z凝材料、水和砂石等組成，盡管硬化后其中的水除被膠凝材料消納和在大氣中蒸發(fā)以外，總還存在與大氣相對(duì)濕度相平衡的水?；炷粮鹘M分中，水和水泥凈漿的線(xiàn)脹系數(shù)分別為208×10-6、18×10-6/℃；常用骨料母巖的線(xiàn)脹系數(shù)見(jiàn)表1[4]，表1為從0℃加熱到60℃測(cè)試得到的線(xiàn)脹系數(shù)。

表1 常用骨料母巖的線(xiàn)脹系數(shù)（×10-6/℃）

在混凝土體系中，骨料的線(xiàn)脹系數(shù)最小，體積最穩(wěn)定；水的線(xiàn)脹系數(shù)比水泥凈漿的約大1個(gè)數(shù)量級(jí)；比骨料的大2個(gè)數(shù)量級(jí)。也就是說(shuō)，因?yàn)橛兴膮⑴c，混凝土溫度升降對(duì)體積脹縮變形影響越大；早期溫度越高，降溫后在混凝土中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也會(huì)越大。拌和水量減少5.9 kg/m3，收縮可減小30 με[2]。

當(dāng)然，硅酸鹽水泥混凝土和溫度有關(guān)的本征特性主要來(lái)源于硅酸鹽水泥。水泥水化釋放出熱量是混凝土拌合物澆筑后溫度升高的主要來(lái)源。水泥用量減少100 kg/m3，混凝土溫升可降低約10℃，溫度下降時(shí)產(chǎn)生的收縮，平均為9.9 με/℃[2]。當(dāng)混凝土內(nèi)外存在溫度梯度時(shí)，收縮不一致而產(chǎn)生溫差應(yīng)力，例如溫度每下降15℃，收縮約150 με，在約束下，彈性模量為30 GPa，則溫度下降15℃時(shí)產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力為4.5 MPa?；炷羶?nèi)部與環(huán)境溫差越大，降溫速率就會(huì)越快，降低混凝土入模溫度對(duì)降低混凝土溫升就很重要。入模溫度降低10℃時(shí)，可相應(yīng)地減小集聚的拉應(yīng)變約70 με，占混凝土總應(yīng)變相當(dāng)大的部分。

近年來(lái)水泥中細(xì)顆粒增多，總體細(xì)度更細(xì)，發(fā)熱更早、更大?；炷猎缙谑湛s一般約60%來(lái)自溫度應(yīng)力[2]。尤其是高強(qiáng)度、低水膠比的較大體積混凝土，甚至最小斷面尺寸超過(guò)30 cm[5]早期收縮主要是溫度收縮、自收縮和拆模后的干燥收縮。

1.3 混凝土耐久性的癥結(jié)

雖然收縮是硅酸鹽水泥混凝土的本征特性，但是并不是收縮就必然開(kāi)裂；收縮時(shí)粒子趨向于相向移動(dòng)，無(wú)約束的收縮會(huì)使粒子相互靠近而產(chǎn)生整體體積縮小而并不開(kāi)裂，在約束條件下，粒子間就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土必然處于不同程度約束的條件下，即使是單個(gè)自由構(gòu)件或部件，當(dāng)尺寸足夠大時(shí)，混凝土內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)也會(huì)相互受到鄰位的約束。因?yàn)榘礃?biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)的混凝土強(qiáng)度只是平均值，實(shí)際破壞發(fā)生在極限應(yīng)力最低之處，即最薄弱的環(huán)節(jié)，而這個(gè)最薄弱的環(huán)節(jié)是不確知甚至不確定的，所以一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)拉應(yīng)力在達(dá)到標(biāo)稱(chēng)抗拉強(qiáng)度（極限拉應(yīng)力標(biāo)稱(chēng)值）以前（60%～70%）就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。標(biāo)稱(chēng)抗拉強(qiáng)度比標(biāo)稱(chēng)抗壓強(qiáng)度值低1個(gè)數(shù)量級(jí)。參照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 50010—2015《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BSEN 1992-1-1-2004，計(jì)算得到不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土直接抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同強(qiáng)度混凝土的抗拉壓強(qiáng)度比

在傳統(tǒng)上，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是以強(qiáng)度為第一目標(biāo)。鑒于具有至今尚無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)，鋼筋混凝土仍是結(jié)構(gòu)工程中的主角。鋼和混凝土取長(zhǎng)補(bǔ)短、分工合作的模式是由鋼筋承受拉力，而混凝土盡管被“分工”為“受壓”，但其實(shí)混凝土的主要任務(wù)是保護(hù)鋼筋?；炷两Y(jié)構(gòu)的劣化失效主要表現(xiàn)為鋼筋銹蝕，則承擔(dān)保護(hù)鋼筋任務(wù)的混凝土以抗?jié)B性、抗凍性、抗化學(xué)腐蝕性和抗碳化性等表征耐久性試驗(yàn)指標(biāo)成為當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)所要求的指標(biāo)。然而，事實(shí)是當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員大多并不清楚，即使這些指標(biāo)在混凝土試配時(shí)都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，也未必就能實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久。一旦出現(xiàn)裂縫，尤其是早期裂縫，就存在一切環(huán)境因素侵入的通道，而威脅鋼筋的安全，因此應(yīng)當(dāng)說(shuō)控制裂縫才是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的保證。

2 控制混凝土裂縫的技術(shù)路線(xiàn)和膨脹劑技術(shù)的發(fā)展

人們?cè)?9世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)鈣礬石是造成硅酸鹽水泥混凝土在含硫酸鹽的水中（例如海水）產(chǎn)生膨脹而破壞的原因，把鈣礬石叫做“水泥桿菌”。1930年代中期法國(guó)學(xué)者羅塞爾利用鈣礬石的膨脹在混凝土中產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力而補(bǔ)償收縮。膨脹劑的發(fā)明是一次辯證法的勝利──改變鈣礬石生成的環(huán)境條件，化害為利。我國(guó)自20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)混凝土用膨脹劑，在扎實(shí)的研究基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了幾乎涵蓋世界上所研究過(guò)的品種，其中硫鋁酸鹽系列的膨脹水泥、自應(yīng)力水泥是我國(guó)較早發(fā)明并用于生產(chǎn)的。20世紀(jì)90年代初中國(guó)建材研究總院推廣應(yīng)用鈣礬石類(lèi)和明礬石類(lèi)膨脹劑，對(duì)減少混凝土開(kāi)裂具有明顯效果。然而，隨著工程和技術(shù)的發(fā)展，混凝土材料的組分、性能以及應(yīng)用條件和要求發(fā)生了很大的變化，而膨脹劑在現(xiàn)代混凝土中應(yīng)用的基礎(chǔ)研究沒(méi)有跟得上。

過(guò)去膨脹劑主要用于管襯、水平構(gòu)件面層等薄層構(gòu)件，鈣礬石的生成需要大量的水，并且本身也產(chǎn)生水化熱，使用不當(dāng)時(shí)會(huì)適得其反。有人用不同煅燒溫度燒制出不同程度過(guò)燒的石灰，可以得到不同的膨脹期和膨脹速率，又開(kāi)發(fā)出氧化鈣-硫鋁酸鹽類(lèi)“雙膨脹源”的膨脹劑，其中的CaO水化的膨脹可產(chǎn)生更大的膨脹能，并緩解鈣礬石對(duì)高需水量的需求，但是其反應(yīng)對(duì)環(huán)境溫度敏感，膨脹的時(shí)機(jī)不好控制。在炎熱氣候下，混凝土拌合物溫度驟升，會(huì)致使大量膨脹能在混凝土產(chǎn)生足夠約束力前之被消耗掉，而損害其補(bǔ)償收縮的功效。因此GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》在2019年出具的1號(hào)修改單明確要求“氧化鈣類(lèi)混凝土膨脹劑適用于混凝土澆筑過(guò)程中，膠凝材料水化溫升導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度不超過(guò)40℃的環(huán)境”。

3 以氧化鎂為主要成分的膨脹劑

3.1 硅酸鹽水泥中氧化鎂成分的化害為利

水泥原料石灰?guī)r中可能含有少量MgO的礦物成分，在煅燒過(guò)程分解成MgO，在水泥燒成溫度（1450℃）下生成致密的產(chǎn)物，俗稱(chēng)死燒MgO。MgO與水反應(yīng)生成Mg（OH）2，體積膨脹，而死燒MgO遇水反應(yīng)很慢。過(guò)量的死燒MgO在結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)期使用過(guò)程中因接觸水會(huì)緩慢生成Mg（OH）2，理論上體積膨脹1.48倍，在硬化混凝土內(nèi)部約束下產(chǎn)生很大破壞性的壓力。例如據(jù)報(bào)道，1884年，法國(guó)有許多橋梁建筑物因使用了MgO含量高達(dá)16%～30%的水泥，在建成后2年就出現(xiàn)了破壞[6]；德國(guó)Cassel市政大樓也因?yàn)樗嘀蠱gO含量（達(dá)27%）過(guò)高而出現(xiàn)了安定性破壞[6]。

但是也有實(shí)例證明，當(dāng)水泥中含極限量氧化鎂時(shí)，其所產(chǎn)生的膨脹能補(bǔ)償混凝土的收縮。例如劉家峽、恒仁2座大壩當(dāng)?shù)貧夂驉毫?，年溫差達(dá)70℃以上而裂縫很少，實(shí)測(cè)壩體內(nèi)部均有微膨脹（分別為60×10-6和100×10-6），分析原因是所用水泥中含MgO量較大（如本溪水泥MgO含量為水泥熟料的4.5%～6.0%）。據(jù)此，吉林白山水電站混凝土重力拱壩（高149.5 m），使用較高M(jìn)gO含量的撫順?biāo)?，由于某些原因，原設(shè)計(jì)的降溫措施均未實(shí)施，60%以上基礎(chǔ)混凝土在夏天澆筑，基礎(chǔ)溫差超過(guò)40℃，1982年蓄水前檢查基礎(chǔ)無(wú)貫穿性裂縫，應(yīng)變計(jì)均顯示壓應(yīng)變，表面裂縫也很少，運(yùn)行至今近30年，無(wú)裂縫漏水現(xiàn)象[7]。膨脹混凝土的溫降補(bǔ)償作用得以證實(shí)，開(kāi)創(chuàng)了MgO混凝土筑壩技術(shù)研究應(yīng)用的先河[7]。

我國(guó)水利工程專(zhuān)家、工程院院士潘家錚指出[8]：“合適地在混凝土中加入氧化鎂就可以化害為利，問(wèn)題是要確切掌握它的變化機(jī)制并能?chē)?yán)格地加以控制。我國(guó)在這方面的研究走在世界前列，有關(guān)科研人員進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究工作，總結(jié)了規(guī)律，提出了措施，并陸續(xù)在工程上進(jìn)行實(shí)踐，取得很好效果，在一座國(guó)際招標(biāo)施工的大水電站上，因?yàn)橐獡尰毓て冢荒茉诳崾罴竟?jié)大規(guī)模高速度澆筑基礎(chǔ)混凝土，筆者經(jīng)反復(fù)研究后決定在混凝土中摻加氧化鎂來(lái)解決開(kāi)裂頑癥，大壩未出現(xiàn)有害裂縫，至今運(yùn)行正常。時(shí)至今日，在水工中使用外摻MgO控制開(kāi)裂已有成熟的技術(shù)和成果，相關(guān)單位已經(jīng)制定出了氧化鎂膨脹劑的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用技術(shù)規(guī)范。

按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)壓蒸法檢驗(yàn)含過(guò)量CaO和/或過(guò)量MgO的水泥凈漿安定性會(huì)不合格。然而，因條件不同（壓蒸法試驗(yàn)為100℃以上高溫、無(wú)約束，使用水泥凈漿的小試件），在混凝土中未必會(huì)有同樣后果。膨脹變形是粒子向背的運(yùn)動(dòng)，趨向于增大粒子之間距離。無(wú)約束的自由膨脹，當(dāng)變形超過(guò)極限后，可導(dǎo)致出現(xiàn)開(kāi)裂；在約束條件下，膨脹會(huì)受到約束而粒子相互擠緊，所產(chǎn)生的膨脹力轉(zhuǎn)化成內(nèi)能而被儲(chǔ)存下來(lái)。所儲(chǔ)存的膨脹能可補(bǔ)償當(dāng)混凝土發(fā)生收縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力（見(jiàn)圖6）。在實(shí)驗(yàn)室用壓蒸法檢測(cè)水泥安定性的目的是加速過(guò)燒氧化鈣或氧化鎂與水反應(yīng)而膨脹的速率，以便快速檢驗(yàn)，同時(shí)使用的是無(wú)約束的凈漿小試餅，當(dāng)然會(huì)在5%含量下就出現(xiàn)表面龜裂，甚至崩潰，而實(shí)際工程完全不是這種條件。在工程中有利還是有害，最重要的是在什么條件下，用在什么地方和怎樣用；當(dāng)然重要的還要有合適的摻量：摻量不夠時(shí)不足以產(chǎn)生足夠的膨脹能；摻量過(guò)大時(shí)，還有可能變成“無(wú)聲爆破劑”。

圖6 有或無(wú)約束時(shí)膨脹和收縮應(yīng)力和變形行為的差別

3.2 以氧化鎂為主要成分的膨脹劑特點(diǎn)

不同組分膨脹劑有不同的膨脹機(jī)理和特性，在不同條件下使用時(shí)也會(huì)有不同效果。與之前主要品種的膨脹劑相比，氧化鎂膨脹劑具有兩方面突出的特點(diǎn)。

3.2.1 膨脹性能的可調(diào)性

膨脹劑開(kāi)始膨脹的時(shí)間和發(fā)展歷程必須和混凝土中水泥水化硬化過(guò)程相匹配。只有在混凝土硬化足以對(duì)膨脹產(chǎn)生一定的約束時(shí)，膨脹劑產(chǎn)生的膨脹能才會(huì)被儲(chǔ)存，若在混凝土拌合物塑性階段膨脹劑就產(chǎn)生膨脹，則膨脹能會(huì)被提前消耗；如果約束太強(qiáng)，則膨脹產(chǎn)生的壓應(yīng)力又會(huì)發(fā)生松弛。調(diào)節(jié)組分和工藝可得到不同活性的氧化鎂膨脹劑，則可根據(jù)使用的環(huán)境條件和混凝土放熱規(guī)律予以選擇，控制其混凝土合適的膨脹速率與膨脹率。

圖7[9]為調(diào)節(jié)組分和活性制成的不同型號(hào)氧化鎂膨脹劑在相同條件下的膨脹變形行為。

圖7 調(diào)節(jié)組分和活性制成的不同型號(hào)氧化鎂膨脹劑在相同條件下的膨脹變形行為[9]

由圖7可見(jiàn)，在氧化鎂活性較高時(shí)（MEA-46反應(yīng)時(shí)間46 s和MEA-115反應(yīng)時(shí)間115 s），膨脹率隨齡期而增長(zhǎng)至一定齡期后穩(wěn)定；活性越低（MEA-325反應(yīng)時(shí)間325 s），增長(zhǎng)期越長(zhǎng)，而且此后1年內(nèi)在穩(wěn)定中仍有很緩慢的增長(zhǎng)。對(duì)于更低活性的產(chǎn)品（MEA-1266和MEA-1966反應(yīng)時(shí)間超過(guò)1000 s），早期增長(zhǎng)很緩慢，約在2個(gè)月后增速大大加快，至一定齡期后增速減慢，然后進(jìn)入穩(wěn)定期?；钚栽降?，快速反應(yīng)期越長(zhǎng)，整個(gè)增長(zhǎng)期也較長(zhǎng)，最終進(jìn)入穩(wěn)定。這種膨脹性能的可調(diào)控，對(duì)于工程應(yīng)用非常有利。除品種外，再加上摻量的調(diào)節(jié)，則具有更廣的工程適應(yīng)性，更有望于改善大宗使用硅酸鹽為主的混凝土本征特性，這也是目前氧化鎂膨脹劑在工程應(yīng)用時(shí)需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2.2 膨脹性能的長(zhǎng)效性

Mg（OH）2的溶解度非常低，純樣在20℃條件下的溶解度為9.628×10-4g/100 g水，比Ca（OH）2在20℃條件下的溶解度（0.168 g/100 g水）約低2個(gè)數(shù)量級(jí)，具有較好的水穩(wěn)性。使用MgO膨脹劑在常溫下不會(huì)因失水而膨脹率倒縮，Mg（OH）2在加熱至340℃時(shí)開(kāi)始分解，到490℃才完成分解反應(yīng)，生成耐高溫的固體MgO，反而具有阻燃作用。

據(jù)水利工程的應(yīng)用研究，MgO的膨脹變形具有膨脹齡期晚，不會(huì)倒縮，膨脹隨溫度升高而增大，長(zhǎng)期穩(wěn)定等特點(diǎn)[7]，對(duì)白山大壩近20年的觀測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 實(shí)測(cè)用氧化鎂含量較大的白山大壩自生體積變形

由圖8可見(jiàn)，混凝土的體積變形呈單調(diào)膨脹，膨脹過(guò)程緩慢，基礎(chǔ)混凝土養(yǎng)護(hù)近20年，仍在緩慢膨脹。白山大壩混凝土所用水泥中氧化鎂含量只是原水泥中所含，并未超過(guò)現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)，即使稍有超過(guò)，最多1個(gè)百分點(diǎn)，但已顯示出補(bǔ)償收縮長(zhǎng)效的特點(diǎn)。

李承木[10]研究了氧化鎂膨脹混凝土長(zhǎng)期變溫養(yǎng)護(hù)的發(fā)展規(guī)律，結(jié)果表明，在20℃水中養(yǎng)護(hù)6年，混凝土的MgO仍未完全水化為Mg（OH）2，當(dāng)環(huán)境溫度升高后，剩余的MgO加速反應(yīng)，使膨脹量增長(zhǎng)。環(huán)境溫度再由40℃變回20℃后，MgO的化學(xué)反應(yīng)變緩，變形曲線(xiàn)平緩。扣除溫度變形后，未因溫度降低而產(chǎn)生收縮，試件的變形穩(wěn)定。

張國(guó)新和張翼[7]外摻水泥用量10%的MgO后，監(jiān)測(cè)混凝土在40℃和20℃兩種養(yǎng)護(hù)溫度條件下長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)的自生體積變形，見(jiàn)圖9。其與溫度相關(guān)的規(guī)律與常態(tài)混凝土的相近，研究認(rèn)為，由于碾壓混凝土（RCC）的水泥用量少，相應(yīng)單位體積的MgO摻量較少，總的膨脹量小于常態(tài)混凝土的。同時(shí)，摻用粉煤灰對(duì)MgO的膨脹量也有一定的抑制作用，2種養(yǎng)護(hù)溫度下1年后膨脹量基本不再增長(zhǎng)。

圖9 外摻水泥用量10%的MgO后在40℃和20℃養(yǎng)護(hù)溫度條件下長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)的自生體積變形

武漢三源特種建材有限公司對(duì)某工程使用氧化鎂膨脹劑的C30和C50混凝土構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)變進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10為至今觀測(cè)1年多的實(shí)例，經(jīng)過(guò)冬季，仍在繼續(xù)觀測(cè)之中。僅由圖10可見(jiàn)，無(wú)論不摻或摻氧化鎂膨脹劑，在混凝土澆筑的初期都會(huì)因內(nèi)部溫升而膨脹，混凝土溫度下降后，膨脹值隨之回落，直到與環(huán)境溫度一致。摻膨脹劑的混凝土的膨脹落差遠(yuǎn)小于不摻膨脹劑混凝土的落差；在約28 d以后各落差開(kāi)始恢復(fù)，雖然變形隨環(huán)境溫度而有起伏，但總的趨勢(shì)是摻膨脹劑的混凝土在觀測(cè)期間變形仍有緩慢增長(zhǎng)。一般硬化混凝土的極限收縮值為100～200 μm，而摻入適量合適品種氧化鎂膨脹劑的混凝土，其變形可長(zhǎng)期處于正值以上。

圖10 自然環(huán)境下不摻與摻不同膨脹劑混凝土的應(yīng)變

以上2個(gè)特點(diǎn)是迄今為止各類(lèi)膨脹劑中最突出之處。和CaO相同之處，MgO也是只要有少量水就能反應(yīng)，不像生成鈣礬石那樣需要大量的水；不同之處是，水化不像CaO那樣迅速而激烈地放熱，可控性和安全性更強(qiáng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）收縮是水泥基材料的本征特性，在約束條件下，當(dāng)構(gòu)件中混凝土收縮變形超過(guò)極限變形時(shí)就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂?，F(xiàn)代使用混凝土必須由鋼筋來(lái)承受拉力，混凝土的主要作用是保護(hù)鋼筋，當(dāng)有裂縫的混凝土受到大氣中不可避免存在的氧氣和與相對(duì)濕度有關(guān)的水侵入后，就可能使鋼筋銹蝕，因此，不開(kāi)裂的混凝土是保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要防線(xiàn)。只有補(bǔ)償收縮才能從根本上保證混凝土的耐久性。

（2）目前我國(guó)膨脹劑還只用于有防裂要求的工程中。需要進(jìn)行膨脹混凝土、微膨脹混凝土或無(wú)收縮混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究，以便更新鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。

（3）通過(guò)膨脹劑改善水泥基材料的本征特征，可使混凝土有更廣闊的用途，因此需進(jìn)一步深化對(duì)不同膨脹劑機(jī)理、不同環(huán)境和工程的實(shí)用性研究，使用能與混凝土同壽命的長(zhǎng)效膨脹劑；對(duì)目前較好的氧化鎂膨脹劑需加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究，進(jìn)行可調(diào)控性預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究，同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行長(zhǎng)期性能的監(jiān)測(cè)與分析。