氧化镁膨胀剂对混凝土的长期体积变化的影响

在混凝土的凝结硬化和使用过程中，由于胶凝材料的水化、温度变化以及失水干燥等原因，常常会产生体积收缩。在实际结构中，这种体积收缩往往受到外界约束的限制，并产生收缩应力。
由于混凝土的抗拉强度很低，这种收缩应力可能超过其抗拉强度，导致混凝土结构开裂。控制混凝土中裂缝的产生和扩展一直是结构施工，尤其是大体积混凝土结构施工质量控制的重要组成部分。在混凝土制备时掺加混凝土膨胀剂是一种常见的控制裂缝产生的手段。膨胀剂与水和其它水泥组分反应的产物，可以在混凝土凝结硬化过程中产生一定的体积膨胀，补偿混凝土的收缩，甚至在外界约束条件下形成一定的预应力，避免裂缝的产生。
传统的硫铝酸钙型及氧化钙型膨胀剂在实际应用中存在一些不足。硫铝酸钙型膨胀剂存在膨胀可调性差、长期体积稳定性不良的问题。氧化钙型膨胀剂也存在膨胀过快，膨胀速度无法调节的缺点，而且其膨胀产物氢氧化钙对混凝土的强度发展不利。与这两种膨胀剂相比，氧化镁型膨胀剂具有水化产物稳定、膨胀性能可调节、可补偿混凝土后期收缩等优势，因而逐渐受到越来越多的研究者和施工技术人员的关注。
氧化镁膨胀剂通过在水泥浆体中水化生成氢氧化镁产生膨胀：
MgO+H2O→Mg(OH)2(1)
氧化镁遇水溶解，Mg2+进入孔隙溶液中，随后在氧化镁颗粒表面，或扩散一段距离后在氧化镁周边孔隙壁表面结晶生成氢氧化镁晶体。氢氧化镁晶体相互挤压，推开孔隙，并形成宏观膨胀。氢氧化镁的分解温度高达350℃，基本不与水泥浆体中的其它组分发生反应。因此，掺加氧化镁膨胀剂的混凝土一旦产生膨胀便不易发生倒缩，体积稳定性较好。
从20世纪70年代初，中国专家最早开始了对MgO混凝土筑坝技术的研究。氧化镁作为混凝土膨胀剂第1次在工程中被成功应用，是在1975年，中国吉林省的白山水坝建设中使用了氧化镁含量5%的高镁水泥，取得了非常好的效果，有效地补偿了大坝的收缩，没有产生裂缝，在后期也没有产生体积回缩或超膨胀的现象。自此，国内的许多水工结构都采用了高镁水泥来补偿大坝基础混凝土温降收缩，简化温控措施，降低温控费用，加快施工进程[14]。李承木[12]对使用时间长达10a及20a的外掺轻烧MgO和内含MgO水泥混凝土进行了试验研究，并结合大量使用氧化镁作为抗裂剂的水工建筑物的工程实际情况，阐明了MgO混凝土的长期力学性质是安定的，长期体积稳定性是良好的。
氧化镁膨胀剂通常是通过煅烧菱镁矿制得的：
MgCO3→MgO+CO2(2)
将菱镁矿在700～1300℃煅烧，制得轻烧氧化镁，即氧化镁膨胀剂。轻烧氧化镁的活性由煅烧温度和时间决定。煅烧温度越高，留存时间越久，氧化镁的晶格缺陷越小，晶粒越大，水化活性越低，水化速率越慢，相同掺量下引发的最终膨胀量越大。因此，可以通过控制氧化镁的煅烧条件来调节氧化镁的活性，进而针对实际工程中需要的膨胀速率和膨胀量来选择适宜的氧化镁膨胀剂活性及掺量。《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》DL/T5296-2013将1.700g氧化镁与200mL浓度为1.3%的柠檬酸溶液反应至酸性消失所需要的秒数作为氧化镁的活性指标，秒数越大，活性越低。
现阶段人们在使用氧化镁作为混凝土膨胀剂时还有许多顾虑。在1450℃烧成的水泥熟料中的游离氧化镁的活性很低，水化很慢。这种氧化镁含量过高，可能在混凝土使用过程中产生过大的膨胀，引起混凝土结构破坏。在历史上曾经有许多这样的案例[17]。因此水泥中的氧化镁被视作一种有害成分，各国的水泥标准均限制水泥中氧化镁的含量在5%～6%以下。
在工程实践中，常有因为错误地选择了氧化镁膨胀剂的活性和掺量，不能很好地补偿混凝土的收缩、无法有效控制结构裂缝的情况出现，这使得许多人对于氧化镁膨胀剂的有效性存在怀疑。再伴随着对于氧化镁膨胀剂可能造成混凝土后期安定性不良的隐忧，氧化镁膨胀剂的推广因而受到阻碍。
目前，氧化镁膨胀剂的研究还主要集中在一般规律层面，对于掺加氧化镁的混凝土变形性能的研究还比较少，可供工程人员参考的结果不多，这也制约了氧化镁膨胀剂的合理使用。曹丰泽等研究了氧化镁膨胀剂的掺量和活性对其在浆体中水化速率影响的一般规律，结果表明，在水泥浆体中，氧化镁含量越低，活性越低，则水化速率越慢。且对于相同掺量的氧化镁水化活性越高，膨胀总量越低。但文献中的研究主要侧重于氧化镁水化的一般规律，对于含氧化镁混凝土的膨胀性能并未涉及。本研究通过向混凝土中外掺不同活性、剂量的氧化镁膨胀剂，测定所制备的补偿收缩混凝土在不同养护条件下的限制膨胀率，并结合混凝土强度发展和绝热温升曲线，胶砂试件的限制及自由膨胀率，研究氧化镁膨胀剂对于混凝土变形性能，尤其是中长期变形性能的影响。