三峽大壩們如何抗裂？有一種神奇的東西叫膨脹劑！

導語

在水泥中加入膨脹劑氧化鎂，運用得當可以使混凝土產生輕微的膨脹，恰好補償因為溫度和自身原因產生的收縮，起到抗裂的作用；要是用得不當，就會膨脹過度，致使整個大壩脹裂。

出品 網易新聞學院

作者 須臾千秋，清華大學土木系建築材料專業博士

混凝土，作為人類使用最大宗的建築材料，在這個地球上幾乎無處不在。從高樓大廈，到地鐵、飛機跑道，再到核電站外殼，無論看起來多麼高端的場合，只要有需要，工程師們都可以按要求澆築出適用的混凝土結構來。可以說，人類對於混凝土的利用已經到了「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，究竟難在了哪裡呢？

大壩的厚度動輒數十米，為變形控制提出了很高的要求。圖為三峽大壩，來自網路

答案就是裂縫控制。

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大壩不同於普通建築結構，「太厚了」！

我們平時看到的高樓大廈雖然高大，但實際上是由無數個小構件組成的。柱子再粗，不過一兩米；樓板的厚度不過幾十厘米。個別構件發生變形不要緊，只要妥善處理，在設計中留出冗餘，就不會危害到整體安全。

至於難度頗高的核電站外殼、基礎底板等大體積構件，再厚也不過幾米，通過分層澆築、設置預應力等方法也可以妥善解決。

可大壩的厚度動輒幾十米，長度動輒幾百米，要澆築成一個整體。這麼大的一塊「巨石」，處處緊密相連，一旦發生了變形，缺乏足夠鋼筋約束的大壩就會產生裂縫，進而「千里之堤，毀於蟻穴」，後果不堪設想。

龍灘水電站，僅次於三峽電站的全國第二大水電站

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大壩開裂：外部堅不可破，但架不住內部的拉應力

好好的一個大壩，看起來那麼堅硬，怎麼說變形就變形、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，在受壓時可以堅如磐石，但受到拉力時則非常脆弱。因此在結構設計時，工程師們通過精巧布置，使得混凝土材料儘可能承受壓力，對於大壩也是如此。

可惜人算往往不如天算，大壩自己總是「想辦法」搞一點拉力出來。混凝土自身在硬化的過程中就會收縮，收縮一被限制，就會有拉力產生；混凝土硬化還會放熱，當它重新冷卻下來的時候，就又有了拉力產生。

由於大壩的體積巨大，不可能像普通結構那樣配上足夠的鋼筋來約束。因此，儘管敦實的大壩很難從外部攻破，可是被內部的拉應力輕輕一拉，就會像酥脆的餅乾一樣斷開。外界的水、空氣、有害離子源源不斷地進入大壩內部，堅固的大壩很快就破碎了。大壩的開裂，已經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。

由於體積大，大壩產生的裂縫往往尺寸大，看起來觸目驚心。圖片來自網路

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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，工程師想出了幾個辦法。

首先，工程師們想到用碎冰塊代替水來製作混凝土。冰塊的熔化和升溫吸收了混凝土凝結放出的熱量，大壩的溫度正好可以在硬化結束後恢復到常溫。

工程師們又想到，可以在大壩內部布置冷卻水管。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生的熱量帶走，維持大壩內部溫度不變。

可是，這些辦法都有一個問題：造價過於高昂。製冰的費用極高，而且消耗大量的電能；布置冷卻水管不僅昂貴，而且技術要求高。一旦裡面壞了哪一處，總不可能拆開大壩去維修它。花了大價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收縮，而這些溫度控制措施對於大壩的自收縮一籌莫展。

那麼，能不能在大壩的混凝土中摻些東西，乾脆讓它不收縮呢？

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白山大壩讓混凝土膨脹劑氧化鎂「一戰成名」

1973年，一次偶然的機會讓中國工程師們發現，使用了高鎂水泥的白山水壩居然安穩如山，檢查不到一點裂縫。這讓工程師們既欣喜又詫異。

白山水電站，東北地區最大的電站之一

要知道，「氧化鎂」這種東西，在建築領域可沒有什麼好名聲。在水泥中加入氧化鎂，在接下來的幾個月甚至幾年的時間裡，混凝土會持續地產生膨脹。19世紀末，歐洲多國發生了建築破壞、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後發生過度膨脹，破壞結構。因此，各國規範都嚴格限制了水泥中的氧化鎂含量不得過高，直到八十年後白山大壩讓氧化鎂「一戰成名」，也讓中國的築壩技術著實轟動了一把。

有了白山大壩的經驗在前，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償收縮的氧化鎂，就是混凝土膨脹劑。

隨著成功的經驗和失敗的教訓逐漸積累，工程師們發現，氧化鎂不是混凝土的毒藥，但也不能濫用。用得好了，混凝土產生輕微的膨脹，可以恰好補償因為溫度和自身原因產生的收縮，起到抗裂的作用；要是用得不當，就會膨脹過度。到那時可不是簡單出兩個裂縫，而是會將整個大壩脹裂。

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大壩抗裂技術上，中國工程師們遠遠領先了世界

膨脹劑是一把雙刃劍，用得好壞全靠工程師們的技術和經驗。中國並不是首先使用膨脹劑的國家。

氧化鎂（化學式：MgO），常溫下為一種白色固體。氧化鎂以方鎂石形式存在於自然界中，是冶鎂的原料。

1950年代，日本就已經開始使用硫鋁酸鈣型膨脹劑來試圖解決大壩和普通建築中的裂縫問題。然而在日本和其他發達國家，膨脹劑始終沒有得到大面積的推廣，原因就在於它的質量難以控制。

直到現在，膨脹劑在國外的使用仍然陷入兩難：要麼質量差，對結構造成危害；要麼價格極其高昂，以至於根本不具有實用價值。為此，膨脹劑的使用在業內飽受詬病。

但是，隨著中國工程師和科學家們對氧化鎂研究的深入，人們逐漸發現了它的好處。

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構中，就選用活性高些的氧化鎂，早期快快膨脹，後期不要添亂，那麼只要控制煅燒溫度低些就好；如果要用在大壩中，希望採用低活性的氧化鎂來補償大壩的長期收縮，那就用高溫來燒制。可以說，在幾乎每一個需要控制裂縫的場合，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，就是針對特定的工程，精細地控制氧化鎂的摻量和活性。在這一點上，中國巨大的工程量為工程師們積累了大量的經驗。所謂「不怕慢，就怕站」，隨著越來越多的大壩採用氧化鎂膨脹劑進行抗裂，在大壩抗裂技術上，中國的工程師們遠遠領先了世界。

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科學家們巧妙利用廢礦物生產膨脹劑

中國的氧化鎂膨脹劑如此成功，一方面是因為工程量巨大，另一方面也是佔了資源的便宜。遼寧省大石橋市是世界著名的鎂都，盛產菱鎂礦。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、飛機蒙皮、機械製造……鎂的用途非常廣泛，好鎂當然要用在刀刃上。膨脹劑作為一種大宗商品，如此「揮霍」菱鎂礦，不僅價格高昂，對於資源也是一種浪費。

鎂的用途極其廣泛，尤其是在尖端機械製造領域，膨脹劑只是冰山一角。圖片來自網路

同時，許多的工業廢礦中也含有大量的鎂質。例如，白雲石是鎂和鈣的複合礦物，而蛇紋石是鎂和硅的複合礦物。由於這些雜質的存在，單純煅燒白雲石或者蛇紋石是不能利用起其中的鎂的。那麼，能不能想想辦法，將它們利用起來，用這些廢礦來生產氧化鎂膨脹劑呢？

白雲石

蛇紋石

果然，有中國科學家發現，將這兩種無用的廢礦物共同煅燒，白雲石中的鈣和蛇紋石中的硅會互相結合，將其中的鎂置換出來形成氧化鎂，變廢為寶。這種煅燒產物中可以直接用作氧化鎂膨脹劑。

這種技術一旦成熟並推廣，在大幅度降低膨脹劑價格的同時還處理了大量的工業廢礦。不僅盛產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而有效的抗裂手段。

如此一來，膨脹劑的使用必將得到進一步的擴大。不僅在大壩中，在普通建築、隧道、路面工程中，即使是造價低廉的普通工程，也可以科學地使用膨脹劑來進行抗裂。每年因耐久性破壞而造成的數百億元的經濟損失也可以得到很大程度上的彌補。膨脹劑未來的使用前景廣闊得很呢！

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