大體積混凝土的溫度控制與防裂新途徑

李萬軍　李曉勇　李承木

【摘要】扼要敘述了溫控設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)、混凝土的特性對溫度應(yīng)力設(shè)計(jì)的影響。概述了提高大體積混凝土抗裂能力的主要因素，并提出從體積變形出發(fā)來研究溫控問題。著重介紹了氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)、防裂補(bǔ)償原理、基本特征、筑壩理論體糸，并用實(shí)例說明了施工特點(diǎn)和方法、應(yīng)用概況和效果。

【關(guān)鍵詞】溫度應(yīng)力；溫控設(shè)計(jì)；MgO混凝土；防裂新途徑；大體積混凝土

【Abstract】This paper gives a brief presentation of temperature control basic main points and effects of concrete properties on temperature stress.In the paper main factors for improving anti-cracking capability of concrete dams are described，temperature control problem is studied from volumetric changes of dam concrete，in particular MgO concrete dam constmction technology，the anti-cracking principle，basic characteristics，darn construction theory system are presented and examples are given to illustrate effectiveness of its application.

【Key words】Theromal stress；temperature control；MgO expansive concrete；crack control measure；mass concrete

大體積混凝土的裂縫及其防治一直是工程界高度關(guān)注的重大技術(shù)問題。工程界的科技人員經(jīng)過長期不懈的實(shí)驗(yàn)研究，提出了諸多有效的溫控防裂措施，并起了很好的作用。其中對Mgo新技術(shù)的研究，打破了人們的傳統(tǒng)認(rèn)識，開辟了新的防裂途徑。MgO技術(shù)經(jīng)過近30年來的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用研究，已形成了一套完整的筑壩理論體系，并在我國貴州、廣東、四川等10余個(gè)省近50個(gè)大中型水利水電工程中成功應(yīng)用，其中有12座拱壩不分橫縫全壩采用外摻MgO混凝土快速施工，均取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)和社會效益。對MgO筑壩技術(shù)的研究，最有效的途徑是從組成混凝土原材料和混凝土的變形特性出發(fā)來研究其抗裂問題。經(jīng)大量的試驗(yàn)研究、工程應(yīng)用實(shí)踐及10多年的原體觀測資料再次表明，外摻Mg0膨脹材料是最根本、最有效的溫控防裂新途徑，值得廣泛推廣應(yīng)用。

1. 溫控設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)及要求

1.1大體積混凝土的溫度控制問題，是混凝土壩設(shè)計(jì)中的重要問題，對于保證混凝土壩工程的質(zhì)量、加快工程施工進(jìn)度等方面，起著關(guān)鍵性的作用，所以一直為工程界所重視。在混凝土壩溫度控制設(shè)計(jì)中，一般以基礎(chǔ)溫差的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，以單獨(dú)澆筑塊的溫度應(yīng)力為理論基礎(chǔ)，在限制應(yīng)力或應(yīng)變的條件下估算允許溫差。實(shí)踐表明，澆筑塊的分塊尺寸越小，應(yīng)力越小，基礎(chǔ)允許溫差就越大。在施工期內(nèi)，各國多根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂顥l件控制最高澆筑溫度。如美國墾務(wù)局規(guī)定混凝土澆筑溫度應(yīng)小于10℃；巴西伊泰普規(guī)定為7℃；我國二灘拱壩混凝土澆筑溫度為10℃等。對大壩混凝土的溫度控制，最關(guān)鍵的是要掌握混凝土的溫度變化規(guī)律和將溫度應(yīng)力控制在混凝土的允許范圍以內(nèi)。在施工過程中，混凝土溫度場及應(yīng)力場的變化過程是相當(dāng)復(fù)雜的。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，需要模擬實(shí)際施工過程，考慮各種復(fù)雜因素，如混凝土的彈性模量、線脹系數(shù)、徐變、抗拉強(qiáng)度、極限拉伸值、熱力學(xué)指標(biāo)、溫度、荷載、自生體積變形（應(yīng)考慮溫度影響）等。

1.2溫度應(yīng)力與彈性模量和線膨脹系數(shù)成正比。考慮混凝土徐變可使溫度應(yīng)力減小一半左右。實(shí)踐表明，膨脹型的自生體積變形對溫度應(yīng)力或溫度變形的影響會更大，因?yàn)檫@種體積變形與大體積混凝土溫度變形規(guī)律相適應(yīng)。對于不同工程在各種溫度荷載下產(chǎn)生的應(yīng)力，應(yīng)選擇符合工程實(shí)際的合理、準(zhǔn)確的（試驗(yàn)）參數(shù)，并視工程規(guī)模，再根據(jù)有關(guān)規(guī)范進(jìn)行（考慮動態(tài)因素的）仿真設(shè)計(jì)計(jì)算。我國在溫度應(yīng)力計(jì)算分析技術(shù)方面，在朱伯芳、丁寶瑛等的長期研究[1～2]以及大量工程實(shí)踐積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，形成了一套完整的防裂溫控設(shè)計(jì)理論，它對我國的工程設(shè)計(jì)起到了積極的指導(dǎo)作用。

1.3大量研究表明，在仿真分析設(shè)計(jì)中，混凝土的基本性能對溫度應(yīng)力大小和實(shí)施溫控措施的影響較大。因此，要想提高混凝土的抗裂能力，實(shí)現(xiàn)溫控設(shè)計(jì)目標(biāo)，對材料性能就要求做到：

（1）優(yōu)選水泥品種，應(yīng)首選具有微膨脹性能的中、低熱水泥，外摻氧化鎂水泥，使混凝土能夠產(chǎn)生膨脹型的自生體積變形。

（2）優(yōu)選混合材（如礦渣或粉煤灰），優(yōu)選復(fù)合、引氣、高效減水型的外加劑，盡量選擇收縮小的原材料和混凝土配合比。

（3）首選線膨脹系數(shù)低的巖石作為混凝土的粗、細(xì)骨料（硅酸質(zhì)骨料混凝土的線膨脹系數(shù)最大，火成巖質(zhì)的次之，石灰?guī)r質(zhì)的最?。?/p>

（4）增強(qiáng)混凝土的變形能力，即提高混凝土的極限拉伸值和徐變變形。

（5）盡量降低混凝土的彈性模量，設(shè)法制作出低彈高強(qiáng)混凝土。

（6）提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，現(xiàn)行設(shè)計(jì)中采用小試件的軸拉強(qiáng)度控制，實(shí)際上是采用了相當(dāng)于原級配大試件的彎拉強(qiáng)度，比較符合壩體的實(shí)際受力狀態(tài)。研究表明，混凝土材料的抗拉能力實(shí)際上已包括了試件尺寸、級配及受力狀態(tài)的仿真性。

（7）降低混凝土的絕熱溫升值，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)，摻優(yōu)質(zhì)混合材可大大降低絕熱溫升值。實(shí)踐表明，只要全面認(rèn)真做到了以上各項(xiàng)要求，再加以精心設(shè)計(jì)，精心施工，就能確保大壩混凝土的質(zhì)量，避免危害性裂縫的發(fā)生和發(fā)展，甚至有可能做到使大體積混凝土不裂。endprint

2. 最有效的溫控防裂新途徑

2.1過去人們多從結(jié)構(gòu)物的形態(tài)和施工方法來研究溫控問題，并提出了許多防裂措施，也起到了比較好的作用，但大多由于施工原因，往往很難全面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而從組成混凝土原材料及混凝土自身的變形特性出發(fā)來研究混凝土的防裂問題卻比較少。近30年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，人們已經(jīng)認(rèn)識到應(yīng)該通過多種途徑，采取綜合性措施來解決大壩混凝土的抗裂問題。其中氧化鎂新材料和MgO混凝土筑壩新技術(shù)的出現(xiàn)，打破了人們的傳統(tǒng)認(rèn)識，提出了筑壩新理論和筑壩新技術(shù)。據(jù)此，既可實(shí)現(xiàn)快速施工又大大拓寬和完善了水工混凝土筑壩防裂技術(shù)。實(shí)踐證明，MgO混凝土筑壩技術(shù)是大體積混凝土施工的革命，是國內(nèi)外筑壩技術(shù)的重大創(chuàng)新和突破。

2.2采用MgO混凝土筑壩防裂原理是：在混凝土中摻入適量的特制的輕燒MgO，利用MgO水化所釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，使混凝土產(chǎn)生自生體積膨脹，抵消其在溫降過程中的體積收縮；也就是利用其獨(dú)特的具有延遲性的、不可逆變形及長期穩(wěn)定的微膨脹性能來補(bǔ)償大壩混凝土在溫降時(shí)的體積收縮和溫度變形。更確切地說，就是利用MgO混凝土的限制膨脹來補(bǔ)償混凝土的限制收縮，達(dá)到防裂目的。若輔以其它適當(dāng)?shù)木C合性措施，可以取代傳統(tǒng)的溫控措施，如混凝土拱壩需分橫縫，柱狀、薄層、長間歇澆筑，預(yù)埋冷卻水管冷卻，封縫灌漿等施工工藝，實(shí)施通倉連續(xù)施工，大大加快了筑壩速度，從而實(shí)現(xiàn)了工程界長期希望達(dá)到的快速施工的目標(biāo)。其防裂理論的基本特征是：把傳統(tǒng)的通過預(yù)冷來降低和控制混凝土筑壩溫度的辦法，改為調(diào)節(jié)和控制大壩混凝土的體積變形，達(dá)到大壩防裂的目的。

2.3利用MgO水化所釋放的化學(xué)能來解決大壩溫控問題，打破了人們的傳統(tǒng)認(rèn)識。MgO既是有害的物質(zhì)，又是有利的物質(zhì)，關(guān)鍵是掌握其規(guī)律性，興利除弊。我國組織多學(xué)科共同攻關(guān)，在唐明述等以及相關(guān)單位大量開發(fā)性的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上[3]，廣東省水利廳完成了外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩新技術(shù)的應(yīng)用研究并順利通過了成果鑒定[4]，更加完善和豐富并發(fā)展了MgO混凝土筑壩技術(shù)。總之，經(jīng)過近30年的全面、系統(tǒng)、深入的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用研究，我國已掌握了MgO的特性和規(guī)律，在MgO水泥的膨脹機(jī)理、變形性能、應(yīng)力補(bǔ)償、施工工藝、均勻性控制、安定性試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)、仿真設(shè)計(jì)程序、MgO材料品質(zhì)質(zhì)量、表面絕熱保溫及養(yǎng)護(hù)等方面，形成了一套完整的成熟的筑壩理論體系。至此，這項(xiàng)筑壩防裂新技術(shù)從1990年初開始，已陸續(xù)在我國10余個(gè)省近50個(gè)大中型水利水電工程中得到成功應(yīng)用[5]，其中包括常規(guī)混凝土和碾壓混凝土重力壩（拱壩），碾壓混凝土壩周邊及上游防滲體、基礎(chǔ)墊層墊座、基礎(chǔ)深槽、填塘堵洞、導(dǎo)流洞封堵、閘壩工程、廠壩連接及導(dǎo)流底孔、壓力鋼管外圍回填等不同工程部位都應(yīng)用了外摻MgO混凝土筑壩防裂新技術(shù)，并且都取得了成功也達(dá)到了預(yù)期效果。

3. 采用MgO混凝土筑壩的工程實(shí)例

3.1飛來峽水利樞紐工程。工程位于廣東省清遠(yuǎn)市境內(nèi)，該樞紐工程由廠房壩段、溢流壩段、船閘、土壩和副壩組成，主壩總長2358m，其中溢流壩段為重力壩，最大壩高52.3m，壩長285m。電站裝機(jī)14萬KW，水庫總庫容19億m3。本工程于1995年11月～1997年10月在重力壩基礎(chǔ)約束區(qū)全面采用外摻MgO混凝土，在基礎(chǔ)約束區(qū)9m以內(nèi)摻3.5%MgO，在9～12m過渡層內(nèi)摻1.75%MgO。采用英德32.5號和廣州金羊42.5號水泥在機(jī)口外摻MgO，在擋水壩、溢流壩、廠房壩段和船閘等基礎(chǔ)約束部位共計(jì)澆筑外摻MgO混凝土16萬m3，施工中取消了傳統(tǒng)溫控措施，加快了施工進(jìn)度。原體觀測結(jié)果表明，混凝土的最高溫度達(dá)到50.1℃，無應(yīng)力計(jì)觀測的自生體積膨脹變形一般在（110～130）×10-6之間，其中多數(shù)是在120×10-6左右。其齡期為7-10年的自生體積膨脹變形的平均值長期穩(wěn)定在130×10-6。采用MgO膨脹混凝土施工，取代了傳統(tǒng)的大體積混凝土溫控措施，成功地解決了大壩基礎(chǔ)塊的開裂問題，并使工程縮短了1年工期，取得十分顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在全壩全斷面采用外摻MgO微膨脹混凝土筑壩技術(shù)，不分橫縫快速澆筑混凝土拱壩，這在國內(nèi)外尚屬首例。長沙壩的成功實(shí)踐，為這項(xiàng)新技術(shù)在混凝土拱壩全面推廣應(yīng)用積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。采用MgO混凝土筑拱壩的突出特點(diǎn)是：不分橫縫、分層通倉、連續(xù)快速全天候澆混凝土，以坯層臺階方式連續(xù)滾動推進(jìn)，不埋冷卻水管，不需封拱灌漿的全新施工技術(shù)。徹底改變了傳統(tǒng)修建混凝土拱壩需分橫縫、柱狀、跳塊、薄層、長間隙、需封拱灌漿等諸多制約筑壩速度的繁難施工工序，這就極大地加快了施工速度。大壩澆筑方案，多采用垂直與水平運(yùn)輸兩者合二為一的施工方案。其后陸續(xù)采用同樣技術(shù)施工，貴州省水電院和貴州中水建設(shè)項(xiàng)目管理公司以總承包模式，在貴州省內(nèi)成功修建了沙老河、三江、落腳河等7座拱壩，各工程的基本情況可參見表1。

4. 工程經(jīng)濟(jì)效益淺析

4.1采用MgO混凝土，輔以其他適當(dāng)?shù)拇胧┤绫砻姹睾宛B(yǎng)護(hù)（水套法及雨淋法）等，可以全部或部分取代傳統(tǒng)的混凝土壩溫控措施，不僅有利于解決混凝土壩的開裂問題，而且可以實(shí)現(xiàn)長塊、厚層、通倉連續(xù)（或短間歇）澆筑，可以全天候施工（夏季也是一個(gè)很好的施工季節(jié)），從而大大降低工程造價(jià)，簡化施工工藝，縮短工期，加快施工速度，因此，具有重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和應(yīng)用前景。據(jù)小水電站實(shí)例統(tǒng)計(jì)，工程提早發(fā)揮的效益，可獲得相當(dāng)于壩體投資30%以上的經(jīng)濟(jì)效益。

5. 結(jié)束語

（1）掌握溫度及溫度應(yīng)力的變化規(guī)律，對于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、簡化溫控措施、保證工程質(zhì)量意義重大?；炷恋牟牧咸匦允欠勒鏈乜卦O(shè)計(jì)及確定工程溫控措施不可缺少的依據(jù)，而且材料性能又直接影響到工程質(zhì)量，因此應(yīng)重視材料優(yōu)化及其性能研究。MgO混凝土筑壩技術(shù)和外摻MgO膨脹材料是最根本、最有效的溫控防裂新途徑及新材料，在我國水電工程建設(shè)中，值得大力推廣應(yīng)用。

（2）外摻氧化鎂技術(shù)可用于有抗裂和防滲要求的地下工程、高層建筑基礎(chǔ)、凡是有約束（鋼筋就是很好的約束）條件的工程都可采用MgO混凝土施工。采用復(fù)合型MgO材料對耐腐蝕、耐酸性、耐高溫能力更強(qiáng)，這種新材料可大大提高混凝土的耐久性能。如果推動使用內(nèi)含MgO水泥還可充分利用高鎂礦山資源。所以我們呼吁新型MgO膨脹材料應(yīng)該在我國各系統(tǒng)得到廣泛宣傳推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1]朱伯芳、丁寶填，等.水工混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力與溫度控制.水利電力出版社，1976年9月.

[2]丁寶瑛，大體積混凝土裂縫的防上[J].混凝土壩技術(shù)，1988，（4）.

[3]電力工業(yè)部、水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)文集[C]，1994.

[4]廣東省水利廳，等.外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩新技術(shù)應(yīng)用研究成果總報(bào)告[R].2005.

[5]李承木，袁明道.外摻MgO微膨脹混凝土筑壩技術(shù)應(yīng)用綜述[J].水利水電科技進(jìn)展，2003，（6）.

[文章編號]1619-2737（2014）03-27-141

[作者簡介] 李萬軍（1969-），男，籍貫：重慶墊江人，學(xué)歷：工程碩士，職稱：高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)及技術(shù)管理工作。endprint