外摻MgO混凝土性能及筑壩技術(shù)淺析

文明貢

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴陽(yáng)550002)

傳統(tǒng)混凝土拱壩采用分縫分塊柱狀澆筑的模式，存在溫控過(guò)程繁雜、抗裂控制及封拱灌漿時(shí)機(jī)掌握困難等問(wèn)題，且工程投資較高，嚴(yán)重影響了工程的建設(shè)周期。為此，探索新的混凝土拱壩的施工方法勢(shì)在必行。經(jīng)過(guò)近30年來(lái)的不斷探索，新的混凝土拱壩筑壩技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，目前采用外摻MgO 微膨脹混凝土快速筑拱壩技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了混凝土澆筑的溫控措施，在科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益方面意義重大。

1 混凝土壩技術(shù)研究進(jìn)展

現(xiàn)代混凝土拱壩技術(shù)始于20 世紀(jì)30年代，在此以前世界上建成的混凝土拱壩很少，且都是低壩，在施工過(guò)程中對(duì)混凝土沒(méi)有任何控制，1930年后國(guó)內(nèi)外開(kāi)始注意混凝土拱壩的裂縫問(wèn)題，并對(duì)大體積混凝土進(jìn)行了全面的研究，主要有以下方面:在大體積混凝土中摻用混合材料、引氣劑、減水劑等;對(duì)混凝土改性提高其耐久性;采用不分縱縫的通倉(cāng)澆筑法、發(fā)展強(qiáng)力的平倉(cāng)振搗設(shè)備、發(fā)展碾壓混凝土及特種混凝土等。同時(shí)大體積混凝土技術(shù)也在不斷革新，主要表現(xiàn)在:采用噴灑緩凝劑、高壓水沖毛等處理施工縫;采用水化熱較低的中熱水泥、大壩水泥和低熱膨脹水泥;廣泛使用混凝土摻和劑和外加劑;采用大容量的運(yùn)輸機(jī)械和澆筑設(shè)備等。但這些革新還沒(méi)有徹底擺脫傳統(tǒng)的混凝土壩工技術(shù)模式，在縮短工期和降低造價(jià)方面難有更大的發(fā)展。70年代混凝土壩工技術(shù)發(fā)生了一次革命性的變化:采用碾壓混凝土壩工技術(shù)，壩體斷面尺寸與常規(guī)混凝土壩相似，但其水泥用量少，不設(shè)縱縫，不以模板形成橫縫，使用機(jī)械化施工，節(jié)約模板工程量，減少縫面的處理范圍，加快了建壩速度。

近年來(lái)我國(guó)嘗試外摻MgO 微膨脹混凝土快速筑壩技術(shù)，也是對(duì)傳統(tǒng)大體積混凝土壩工技術(shù)的革命。從20 世紀(jì)70年代白山拱壩采用內(nèi)含MgO 水泥的混凝土進(jìn)行筑壩以來(lái)，該筑壩技術(shù)己經(jīng)歷了30 a的發(fā)展。外摻MgO 混凝土筑壩技術(shù)在貴州省發(fā)展較快，現(xiàn)已建成7 座大壩。貴州省水利院牽頭承擔(dān)水利部“948”計(jì)劃創(chuàng)新項(xiàng)目“全壩外摻氧化鎂微膨脹混凝土快速建壩技術(shù)應(yīng)用研究”，并于2011年制訂了貴州省地方標(biāo)準(zhǔn)《全壩外摻氧化鎂混凝土拱壩技術(shù)規(guī)范》(DB 52/T 720—2010)，基本形成了全壩外摻氧化鎂混凝土拱壩的理論及技術(shù)體系，為該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［1］。

2 摻MgO 微膨脹混凝土的研究歷程

我國(guó)較早就開(kāi)始摻MgO 混凝土的性能試驗(yàn)，20世紀(jì)70年代中期長(zhǎng)江科學(xué)院劉崇熙等研制了鈣礬石型低熱微膨脹水泥，這種混凝土的彈性模量小、徐變度大，產(chǎn)生的補(bǔ)償效果很小，故沒(méi)有多大的實(shí)用價(jià)值，但引起了對(duì)微膨脹混凝土的重視。在“八五”攻關(guān)項(xiàng)目中，成勘院等單位先后對(duì)內(nèi)含MgO 和外摻MgO 兩類混凝土進(jìn)行了長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究，取得了較為全面的數(shù)據(jù)成果，包括摻MgO 混凝土的物理力學(xué)、熱學(xué)、安定性和耐久性等。數(shù)據(jù)表明:常溫條件下?lián)組gO 混凝土的力學(xué)和變形性能比普通混凝土略有提高，但其基本規(guī)律沒(méi)有發(fā)生明顯變化;摻MgO 混凝土的徐變和極限拉伸值比普通混凝土大;MgO 對(duì)水泥水化熱影響不大，對(duì)混凝土的絕熱溫升、導(dǎo)溫、導(dǎo)熱、比熱容和熱膨脹系數(shù)均無(wú)明顯影響;摻MgO 混凝土的抗凍、抗?jié)B和耐久性能優(yōu)于普通混凝土;摻MgO 混凝土的自生體積變形與MgO 摻量、溫度和齡期高度相關(guān);MgO 混凝土長(zhǎng)齡期的力學(xué)性質(zhì)是安定的，微膨脹對(duì)混凝土長(zhǎng)期力學(xué)性能的影響不大。

外摻MgO 混凝土的性能試驗(yàn)大多在室內(nèi)，從試驗(yàn)結(jié)果看MgO 的摻量及品質(zhì)、水泥型號(hào)、骨料大小、溫度、約束條件等因素，對(duì)其自身體積變形有較大的影響，因此必須結(jié)合實(shí)際對(duì)摻MgO 混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為實(shí)施提供可靠的參數(shù)。

3 外摻MgO 混凝土性能研究

3.1 熱學(xué)性能

外摻MgO 混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱與普通混凝土基本一致，這是因?yàn)閷?dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱主要取決于混凝土的骨料，MgO 僅為添加劑，它的加入對(duì)混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱影響不大。

根據(jù)水化生成熱試驗(yàn)和溫升測(cè)試結(jié)果表明:外摻MgO 混凝土的水化生成熱略有增加，其規(guī)律是隨MgO 的摻量的增加而增大，且水化生成熱的峰值出現(xiàn)的時(shí)間推遲，表明MgO 對(duì)水泥的凝結(jié)有一定的延緩作用。MgO 的摻量在5%以下時(shí)，外摻MgO 混凝土的水化生成熱增長(zhǎng)在3% ～5%以內(nèi)，這主要是摻MgO 增加了膠材用量所致。摻MgO 混凝土的水化熱隨齡期增長(zhǎng)而增大，前7 天增長(zhǎng)速度較快，最終達(dá)到一定值，一般水化熱與齡期可以用雙曲線關(guān)系描述。

3.2 力學(xué)性能

外摻MgO 混凝土的強(qiáng)度比普通混凝土的強(qiáng)度有所提高，一般抗壓強(qiáng)度可提高3% ～6%，90 天齡期的抗拉強(qiáng)度可提高10%左右。這主要是MgO 的膨脹作用使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，外摻MgO 使單位膠材的用量增加，減少水灰比的結(jié)果。外摻MgO 混凝土的抗拉壓強(qiáng)度隨混凝土的試驗(yàn)齡期增加而增大，隨MgO 的摻量增加而增大，外摻MgO 混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅值后期比前期大，如360 天齡期的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)量約為28 天的1.6 倍。

外摻MgO 混凝土膨脹變形過(guò)程中受到外部約束，使混凝土結(jié)構(gòu)本身的密實(shí)度增加，從而在一定程度上改善了混凝土的抗拉壓強(qiáng)度，且強(qiáng)度的增長(zhǎng)率隨MgO 的摻量而變化。溫度對(duì)外摻MgO 混凝土的抗拉壓強(qiáng)度影響較大，隨溫度的升高抗拉壓強(qiáng)度增大，特別是對(duì)有約束混凝土強(qiáng)度的影響更大。

外摻MgO 混凝土的彈性模量隨齡期的延長(zhǎng)而增加，隨MgO 摻量的增加稍有提高，也隨溫度升高略有增加。為簡(jiǎn)化計(jì)算，一般可忽略MgO 摻量與溫度對(duì)彈模的影響，認(rèn)為外摻MgO 混凝土的彈模僅與混凝土的齡期相關(guān)。

3.3 自身體積變形

自身體積變形是指膠凝材料的水化作用引起混凝土的體積變形。外摻MgO 混凝土的自身體積變形是隨MgO 摻量的增加而增大，隨混凝土的齡期延長(zhǎng)而增加。溫度對(duì)膨脹速率及膨脹量的影響較大，其規(guī)律是隨著溫度的增高而自身體積變形增大，高溫要比常溫大幾倍。通過(guò)試驗(yàn):外摻MgO 混凝土的自身體積變形是穩(wěn)定的，它既不會(huì)產(chǎn)生無(wú)限膨脹，又不會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，其長(zhǎng)期膨脹變形總能趨于穩(wěn)定，且膨脹變形對(duì)外摻MgO 混凝土長(zhǎng)齡期的力學(xué)性能和熱學(xué)性能影響不大。一般外摻MgO 混凝土的自身體積變形穩(wěn)定時(shí)間為0.5 ～1 a。另外摻Mg0 混凝土的徐變度比普通混凝土的大，但其徐變規(guī)律與普通混凝土是一致的。

由于MgO 摻量的限制，自身體積變形值還不能完全滿足混凝土的溫度補(bǔ)償要求，其安定摻量成為關(guān)注的課題。根據(jù)壓蒸試驗(yàn)及自由膨脹等研究成果，MgO 的安定摻量可由現(xiàn)在的4%(安定性合格)適當(dāng)提高到5% ～6%。

4 外摻MgO 微膨脹混凝土筑壩技術(shù)研究

外摻MgO 混凝土筑壩技術(shù)是利用MgO 混凝土產(chǎn)生的延遲性體積微膨脹補(bǔ)償混凝土在溫降過(guò)程中產(chǎn)生的收縮變形，以防止或減少混凝土由于溫降產(chǎn)生的裂縫，可以取代或部份取代傳統(tǒng)的溫控措施，簡(jiǎn)化混凝土施工，加快了工程進(jìn)度。通過(guò)對(duì)大壩設(shè)置誘導(dǎo)縫或少量橫縫，結(jié)合MgO 的合理?yè)搅浚猛鈸組gO 混凝土自生體積的變形影響，達(dá)到混凝土大壩快速施工的目的。

采用該筑壩技術(shù)的拱壩樞紐布置應(yīng)盡量減少施工干擾，便于混凝土連續(xù)快速施工。壩體不設(shè)縱縫，僅設(shè)置少量橫縫或誘導(dǎo)縫。當(dāng)壩體混凝土澆筑在一個(gè)低溫季節(jié)完成時(shí)，宜分析全壩不設(shè)縫整體澆筑的可行性。中、高壩應(yīng)對(duì)施工、蓄水過(guò)程進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬仿真分析，合理確定分縫方案和溫控措施。橫縫或誘導(dǎo)縫結(jié)構(gòu)采用預(yù)制混凝土塊成對(duì)組裝形成，以適應(yīng)壩體混凝土的快速澆筑。大壩澆筑完成后，根據(jù)誘導(dǎo)縫的變形和溫度場(chǎng)變化情況，對(duì)其進(jìn)行接縫灌漿。采用外摻MgO 混凝土，不宜完全取消傳統(tǒng)溫控措施，應(yīng)根據(jù)各地區(qū)氣溫情況，采用必要的表面保溫保濕措施或其他溫控措施。

大壩混凝土中MgO 的摻量應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)需要的膨脹量和混凝土安定性合理確定，進(jìn)行必要的混凝土配合比試驗(yàn)研究。當(dāng)混凝土膠凝材料中氧化鎂摻量超過(guò)5%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行壓蒸安定性試驗(yàn)。根據(jù)拱壩壩體不同部位的應(yīng)力特性，MgO 摻量應(yīng)有不同的分區(qū)，一般來(lái)說(shuō)拱壩上部混凝土MgO 的摻量應(yīng)大于下部。

外摻氧化鎂必須拌合均勻，否則會(huì)導(dǎo)致膨脹不均勻破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低混凝土質(zhì)量。氧化鎂的摻入形式有現(xiàn)場(chǎng)外摻和水泥廠共磨兩種。氧化鎂在現(xiàn)場(chǎng)外摻時(shí)，需延長(zhǎng)拌和時(shí)間，應(yīng)采用可以調(diào)節(jié)攪拌時(shí)間的攪拌機(jī)。當(dāng)氧化鎂在預(yù)定的水泥廠與水泥共磨時(shí)，可采用連續(xù)式攪拌機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)外摻氧化鎂拌和混凝土?xí)r，其均勻性應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè);對(duì)在水泥廠共磨摻和時(shí)，可不進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

5 結(jié) 語(yǔ)

混凝土拱壩作為極具競(jìng)爭(zhēng)力的壩型在水電工程中應(yīng)用廣泛，全壩外摻氧化鎂混凝土拱壩將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)材料、施工控制、安全監(jiān)測(cè)等有機(jī)結(jié)合，其適應(yīng)性強(qiáng)，溫控措施簡(jiǎn)單，施工簡(jiǎn)便，建壩速度快，可使工程提前投入運(yùn)行，因此在今后的工程建設(shè)中，應(yīng)進(jìn)行更深入的外摻MgO 混凝土筑壩材料試驗(yàn)研究，使這項(xiàng)技術(shù)更加完善，必然有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

［1］朱伯芳. 論微膨脹混凝土筑壩技術(shù)［J］. 水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2000(03):4－16.