第2章 氧化镁混凝土材料特性及微观机理分析
2.1 氧化镁膨胀剂的制备
氧化镁膨胀剂是以富含氧化镁的菱镁矿（MgCO3）、白云岩、高镁石灰石为原料，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。氧化镁膨胀剂的煅烧设备常采用工业反射窑（立窑）和回转窑。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、煅烧时间是决定氧化镁质量的关键因素。使用反射窑时，入窑矿粒粗（一般为50～150mm），料块在窑内不易均匀煅烧，会产生欠烧或过烧，熟料需人工挑选，煅烧时间为60～90min，烧失量较大，产品质量和膨胀性能不够稳定，出窑的轻烧镁砂较粗，煅烧成本低。回转窑的入窑矿粒细（一般为10～25mm），料粒在窑内不断翻滚并逐渐被击碎成小颗粒，煅烧温度较稳定且易调节，煅烧时间为45～60min，烧失量小，冷却极快，活性高，熟料质量均匀，膨胀性能稳定，出窑的轻烧镁砂较细（小于2mm 的颗粒大于90%），但生产成本较高。用于水利水电工程大体积混凝土的氧化镁膨胀剂的适宜煅烧温度为1100～1150℃，高温下保温时间为30min。目前，生产用于水工混凝土的氧化镁膨胀剂的原料，主要是菱镁矿。利用白云石煅烧氧化镁，还处于试验研究阶段。
另外，原南京化工学院袁美栖教授曾用碱式碳酸镁分解后所得的无定形氧化镁煅烧成方镁石。在相同试验条件下，这种方镁石的水化速率和水泥净浆试件的膨胀变形率都比采用菱镁矿生产的氧化镁快数倍。若果真如此，该方法很值得开发研究，它是拓宽生产氧化镁的原材料和获得较大膨胀量的新途径。
氧化镁膨胀剂的质量用纯度（MgO含量）、活性指标、烧失量、细度和氧化钙含量来评价。大量的试验研究和工程实践表明，外掺氧化镁的水泥和混凝土的膨胀性能主要取决于氧化镁膨胀剂的质量。而氧化镁膨胀剂的质量与生产条件（矿源、窑型、粒径）、煅烧制度（煅烧温度、保温时间、冷却速度）、结晶体形态、粉磨细度及粒径分布、产品的均匀性和稳定性、保管环境等因素密切相关。使用回转窑生产的氧化镁的质量、稳定性、膨胀量均优于反射窑产品。氧化镁的烧成温度越高，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。研究表明，调节煅烧温度可控制晶体的尺寸。高温下保温长，晶体尺寸则大，高温下的水化速率快、膨胀大，常温时水化慢、膨胀小。冷却速度影响结晶形态。急冷形成的方镁石结晶体多，水化膨胀量大；慢冷形成的结晶体少，对膨胀不利。还有，氧化镁颗粒越粗，常温下水化慢，高温时水化快，膨胀量大；氧化镁颗粒越细，分布越均匀，膨胀量越小，且较早趋于稳定。另外，氧化镁中的f-CaO含量会影响氧化镁的早期膨胀速率，对压蒸膨胀率也有影响（使压蒸膨胀率偏大）；氧化镁膨胀剂容易受潮，受潮后膨胀效果大大下降，所以必须做好包装、运输、储存期间的防潮工作。
质量均匀、稳定的氧化镁膨胀剂是发展和推广应用氧化镁混凝土筑坝技术的关键，它直接影响混凝土的自生体积变形、应力补偿效果和温控措施。因此，在氧化镁生产、运输、保管过程中，应高度重视影响氧化镁质量及其稳定性的各个技术环节。
1994年，水规总院颁发了用于水利水电工程的轻烧氧化镁膨胀剂的技术要求，见表2.1-1。
表2.1-1 水利水电工程轻烧MgO的技术要求
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。因为用于耐火材料的氧化镁的纯度比用于混凝土的低，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。所以，直到目前，仍没有利用回转窑煅烧的用于水工混凝土的氧化镁产品。
位于辽宁省海城市的东方滑镁公司的菱镁矿储量大（约3000万t），品位高，生产历史长，公司信誉好，铁路、陆路运输方便，并根据水利水电工程大体积混凝土用氧化镁的要求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，水规总院发文规定，水利水电工程大体积混凝土使用的氧化镁膨胀剂，由东方滑镁公司定点生产。该公司生产的氧化镁膨胀剂，已成功应用于贵州省东风、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，广东省青溪、飞来峡、长沙、坝美、长潭，四川省铜街子、二滩、沙牌、武都，浙江石塘、福建水口、新疆码纳斯等数十个水利水电工程，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、压力钢管外围回填、导流洞封堵，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。该公司使用反射窑生产氧化镁。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。若能在反射窑窑身安装测温仪表，准确控制窑内温度，则氧化镁产品的质量稳定性会更高，用户会更放心。从氧化镁膨胀剂的应用范围越来越广，并将逐渐应用于大型水利水电工程的长远发展看，最好能使用旋转窑烧制氧化镁膨胀剂。