混凝土，作為人類使用最大宗的建筑材料，在這個(gè)地球上幾乎無處不在。從高樓大廈，到地鐵、飛機(jī)跑道，再到核電站外殼，無論看起來多么高端的場合，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。可以說，人類對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。這看起來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)際上是由無數(shù)個(gè)小構(gòu)件組成的。柱子再粗，不過一兩米；樓板的厚度不過幾十厘米。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，再厚也不過幾米，通過分層澆筑、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，看起來那么堅(jiān)硬，怎么說變形就變形、說開裂就開裂呢？這還要從混凝土本身的性能說起。
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)，工程師們通過精巧布置，使得混凝土材料盡可能承受壓力，對于大壩也是如此。
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。混凝土自身在硬化的過程中就會(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)問題：造價(jià)過于高昂。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程中也會(huì)收縮，而這些溫度控制措施對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)生過度膨脹，破壞結(jié)構(gòu)。因此，各國規(guī)范都嚴(yán)格限制了水泥中的氧化鎂含量不得過高，直到八十年后白山大壩讓氧化鎂“一戰(zhàn)成名”，也讓中國的筑壩技術(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)膨脹過度。到那時(shí)可不是簡單出兩個(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)。中國并不是首先使用膨脹劑的國家。
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試圖解決大壩和普通建筑中的裂縫問題。然而在日本和其他發(fā)達(dá)國家，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，膨脹劑在國外的使用仍然陷入兩難：要么質(zhì)量差，對結(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，隨著中國工程師和科學(xué)家們對氧化鎂研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了它的好處。
人們可以通過控制氧化鎂的煅燒條件來控制它的活性：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補(bǔ)償大壩的長期收縮，那就用高溫來燒制。可以說，在幾乎每一個(gè)需要控制裂縫的場合，氧化鎂都有用武之地。
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工程師要做的，就是針對特定的工程，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，用這些廢礦來生產(chǎn)氧化鎂膨脹劑呢？
白云石
蛇紋石
果然，有中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，將這兩種無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)鎂礦的中國可以推廣使用膨脹劑，那些缺乏菱鎂礦的國家也可以使用這種廉價(jià)而有效的抗裂手段。
如此一來，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)。膨脹劑未來的使用前景廣闊得很呢！
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