混凝土，作為人類使用最大宗的建筑材料，在這個(gè)地球上幾乎無(wú)處不在。從高樓大廈，到地鐵、飛機(jī)跑道，再到核電站外殼，無(wú)論看起來(lái)多么高端的場(chǎng)合，只要有需要，工程師們都可以按要求澆筑出適用的混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)?？梢哉f(shuō)，人類對(duì)于混凝土的利用已經(jīng)到了“爐火純青”的地步。
然而一旦涉及到混凝土大壩，工程師們卻往往頭疼了起來(lái)。這看起來(lái)頗為呆笨的混凝土大壩，究竟難在了哪里呢？
大壩的厚度動(dòng)輒數(shù)十米，為變形控制提出了很高的要求。
答案就是裂縫控制。
大壩不同于普通建筑結(jié)構(gòu)，“太厚了”！
我們平時(shí)看到的高樓大廈雖然高大，但實(shí)際上是由無(wú)數(shù)個(gè)小構(gòu)件組成的。柱子再粗，不過(guò)一兩米；樓板的厚度不過(guò)幾十厘米。個(gè)別構(gòu)件發(fā)生變形不要緊，只要妥善處理，在設(shè)計(jì)中留出冗余，就不會(huì)危害到整體安全。
至于難度頗高的核電站外殼、基礎(chǔ)底板等大體積構(gòu)件，再厚也不過(guò)幾米，通過(guò)分層澆筑、設(shè)置預(yù)應(yīng)力等方法也可以妥善解決。
可大壩的厚度動(dòng)輒幾十米，長(zhǎng)度動(dòng)輒幾百米，要澆筑成一個(gè)整體。這么大的一塊“巨石”，處處緊密相連，一旦發(fā)生了變形，缺乏足夠鋼筋約束的大壩就會(huì)產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而“千里之堤，毀于蟻穴”，后果不堪設(shè)想。
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大壩開裂：外部堅(jiān)不可破，但架不住內(nèi)部的拉應(yīng)力
好好的一個(gè)大壩，看起來(lái)那么堅(jiān)硬，怎么說(shuō)變形就變形、說(shuō)開裂就開裂呢？這還要從混凝土本身的性能說(shuō)起。
混凝土這種材料，在受壓時(shí)可以堅(jiān)如磐石，但受到拉力時(shí)則非常脆弱。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，工程師們通過(guò)精巧布置，使得混凝土材料盡可能承受壓力，對(duì)于大壩也是如此。
可惜人算往往不如天算，大壩自己總是“想辦法”搞一點(diǎn)拉力出來(lái)?；炷磷陨碓谟不倪^(guò)程中就會(huì)收縮，收縮一被限制，就會(huì)有拉力產(chǎn)生；混凝土硬化還會(huì)放熱，當(dāng)它重新冷卻下來(lái)的時(shí)候，就又有了拉力產(chǎn)生。
由于大壩的體積巨大，不可能像普通結(jié)構(gòu)那樣配上足夠的鋼筋來(lái)約束。因此，盡管敦實(shí)的大壩很難從外部攻破，可是被內(nèi)部的拉應(yīng)力輕輕一拉，就會(huì)像酥脆的餅干一樣斷開。外界的水、空氣、有害離子源源不斷地進(jìn)入大壩內(nèi)部，堅(jiān)固的大壩很快就破碎了。大壩的開裂，已經(jīng)成為了制約大壩正常使用、危害下游安全的最重要因素之一。
由于體積大，大壩產(chǎn)生的裂縫往往尺寸大，看起來(lái)觸目驚心。
不要裂縫，就要控制大壩的熱脹冷縮
要想治療裂縫，就要想辦法控制大壩的變形。
大壩的變形，說(shuō)白了，就是收縮。為了不讓大壩“冷縮”，就要首先不讓它“熱脹”。為此，工程師想出了幾個(gè)辦法。
首先，工程師們想到用碎冰塊代替水來(lái)制作混凝土。冰塊的熔化和升溫吸收了混凝土凝結(jié)放出的熱量，大壩的溫度正好可以在硬化結(jié)束后恢復(fù)到常溫。
工程師們又想到，可以在大壩內(nèi)部布置冷卻水管。在大壩硬化的過(guò)程中向水管中通入冷卻水，源源不斷地將大壩產(chǎn)生的熱量帶走，維持大壩內(nèi)部溫度不變。
可是，這些辦法都有一個(gè)問(wèn)題：造價(jià)過(guò)于高昂。制冰的費(fèi)用極高，而且消耗大量的電能；布置冷卻水管不僅昂貴，而且技術(shù)要求高。一旦里面壞了哪一處，總不可能拆開大壩去維修它?；舜髢r(jià)錢安裝的冷卻措施很容易就失效了。更何況除了溫度收縮外，大壩混凝土本身在硬化的過(guò)程中也會(huì)收縮，而這些溫度控制措施對(duì)于大壩的自收縮一籌莫展。
那么，能不能在大壩的混凝土中摻些東西，干脆讓它不收縮呢？
白山大壩讓混凝土膨脹劑氧化鎂“一戰(zhàn)成名”
1973年，一次偶然的機(jī)會(huì)讓中國(guó)工程師們發(fā)現(xiàn)，使用了高鎂水泥的白山水壩居然安穩(wěn)如山，檢查不到一點(diǎn)裂縫。這讓工程師們既欣喜又詫異。
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要知道，“氧化鎂”這種東西，在建筑領(lǐng)域可沒有什么好名聲。在水泥中加入氧化鎂，在接下來(lái)的幾個(gè)月甚至幾年的時(shí)間里，混凝土?xí)掷m(xù)地產(chǎn)生膨脹。19世紀(jì)末，歐洲多國(guó)發(fā)生了建筑破壞、倒塌的事故，原因就是使用了高鎂水泥，在混凝土硬化了幾年后發(fā)生過(guò)度膨脹，破壞結(jié)構(gòu)。因此，各國(guó)規(guī)范都嚴(yán)格限制了水泥中的氧化鎂含量不得過(guò)高，直到八十年后白山大壩讓氧化鎂“一戰(zhàn)成名”，也讓中國(guó)的筑壩技術(shù)著實(shí)轟動(dòng)了一把。
有了白山大壩的經(jīng)驗(yàn)在前，工程師們開始逐漸嘗試著在大壩中使用高鎂水泥，或者在水泥中外摻一定的氧化鎂來(lái)控制開裂。這些摻入混凝土中用以補(bǔ)償收縮的氧化鎂，就是混凝土膨脹劑。
隨著成功的經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)逐漸積累，工程師們發(fā)現(xiàn)，氧化鎂不是混凝土的毒藥，但也不能濫用。用得好了，混凝土產(chǎn)生輕微的膨脹，可以恰好補(bǔ)償因?yàn)闇囟群妥陨碓虍a(chǎn)生的收縮，起到抗裂的作用；要是用得不當(dāng)，就會(huì)膨脹過(guò)度。到那時(shí)可不是簡(jiǎn)單出兩個(gè)裂縫，而是會(huì)將整個(gè)大壩脹裂。
大壩抗裂技術(shù)上，中國(guó)工程師們遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先了世界
膨脹劑是一把雙刃劍，用得好壞全靠工程師們的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。中國(guó)并不是首先使用膨脹劑的國(guó)家。
氧化鎂（化學(xué)式：MgO），常溫下為一種白色固體。氧化鎂以方鎂石形式存在于自然界中，是冶鎂的原料。
1950年代，日本就已經(jīng)開始使用硫鋁酸鈣型膨脹劑來(lái)試圖解決大壩和普通建筑中的裂縫問(wèn)題。然而在日本和其他發(fā)達(dá)國(guó)家，膨脹劑始終沒有得到大面積的推廣，原因就在于它的質(zhì)量難以控制。
直到現(xiàn)在，膨脹劑在國(guó)外的使用仍然陷入兩難：要么質(zhì)量差，對(duì)結(jié)構(gòu)造成危害；要么價(jià)格極其高昂，以至于根本不具有實(shí)用價(jià)值。為此，膨脹劑的使用在業(yè)內(nèi)飽受詬病。
但是，隨著中國(guó)工程師和科學(xué)家們對(duì)氧化鎂研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了它的好處。
人們可以通過(guò)控制氧化鎂的煅燒條件來(lái)控制它的活性：如果要用在比較小巧的結(jié)構(gòu)中，就選用活性高些的氧化鎂，早期快快膨脹，后期不要添亂，那么只要控制煅燒溫度低些就好；如果要用在大壩中，希望采用低活性的氧化鎂來(lái)補(bǔ)償大壩的長(zhǎng)期收縮，那就用高溫來(lái)燒制。可以說(shuō)，在幾乎每一個(gè)需要控制裂縫的場(chǎng)合，氧化鎂都有用武之地。
三峽大壩工程泄洪全景
工程師要做的，就是針對(duì)特定的工程，精細(xì)地控制氧化鎂的摻量和活性。在這一點(diǎn)上，中國(guó)巨大的工程量為工程師們積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。所謂“不怕慢，就怕站”，隨著越來(lái)越多的大壩采用氧化鎂膨脹劑進(jìn)行抗裂，在大壩抗裂技術(shù)上，中國(guó)的工程師們遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先了世界。
科學(xué)家們巧妙利用廢礦物生產(chǎn)膨脹劑
中國(guó)的氧化鎂膨脹劑如此成功，一方面是因?yàn)楣こ塘烤薮?，另一方面也是占了資源的便宜。遼寧省大石橋市是世界著名的鎂都，盛產(chǎn)菱鎂礦。一般的氧化鎂膨脹劑就是由菱鎂礦燒制而成的。
菱鎂礦
然而，資源再豐富，也畢竟有限。鎂是一種非常寶貴的資源。耐火材料、飛機(jī)蒙皮、機(jī)械制造……鎂的用途非常廣泛，好鎂當(dāng)然要用在刀刃上。膨脹劑作為一種大宗商品，如此“揮霍”菱鎂礦，不僅價(jià)格高昂，對(duì)于資源也是一種浪費(fèi)。
鎂的用途極其廣泛，尤其是在尖端機(jī)械制造領(lǐng)域，膨脹劑只是冰山一角。
同時(shí)，許多的工業(yè)廢礦中也含有大量的鎂質(zhì)。例如，白云石是鎂和鈣的復(fù)合礦物，而蛇紋石是鎂和硅的復(fù)合礦物。由于這些雜質(zhì)的存在，單純煅燒白云石或者蛇紋石是不能利用起其中的鎂的。那么，能不能想想辦法，將它們利用起來(lái)，用這些廢礦來(lái)生產(chǎn)氧化鎂膨脹劑呢？
白云石
蛇紋石
果然，有中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將這兩種無(wú)用的廢礦物共同煅燒，白云石中的鈣和蛇紋石中的硅會(huì)互相結(jié)合，將其中的鎂置換出來(lái)形成氧化鎂，變廢為寶。這種煅燒產(chǎn)物中可以直接用作氧化鎂膨脹劑。
這種技術(shù)一旦成熟并推廣，在大幅度降低膨脹劑價(jià)格的同時(shí)還處理了大量的工業(yè)廢礦。不僅盛產(chǎn)鎂礦的中國(guó)可以推廣使用膨脹劑，那些缺乏菱鎂礦的國(guó)家也可以使用這種廉價(jià)而有效的抗裂手段。
如此一來(lái)，膨脹劑的使用必將得到進(jìn)一步的擴(kuò)大。不僅在大壩中，在普通建筑、隧道、路面工程中，即使是造價(jià)低廉的普通工程，也可以科學(xué)地使用膨脹劑來(lái)進(jìn)行抗裂。每年因耐久性破壞而造成的數(shù)百億元的經(jīng)濟(jì)損失也可以得到很大程度上的彌補(bǔ)。膨脹劑未來(lái)的使用前景廣闊得很呢！
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