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設(shè)計研究院，貴陽550002)

傳統(tǒng)混凝土拱壩采用分縫分塊柱狀澆筑的模式，存在溫控過程繁雜、抗裂控制及封拱灌漿時機掌握困難等問題，且工程投資較高，嚴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在必行。經(jīng)過近30年來的不斷探索，新的混凝土拱壩筑壩技術(shù)應(yīng)運而生，目前采用外摻MgO 微膨脹混凝土快速筑拱壩技術(shù)，大大簡化了混凝土澆筑的溫控措施，在科技進步和經(jīng)濟效益方面意義重大。

1 混凝土壩技術(shù)研究進展

現(xiàn)代混凝土拱壩技術(shù)始于20 世紀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，在施工過程中對混凝土沒有任何控制，1930年后國內(nèi)外開始注意混凝土拱壩的裂縫問題，并對大體積混凝土進行了全面的研究，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;對混凝土改性提高其耐久性;采用不分縱縫的通倉澆筑法、發(fā)展強力的平倉振搗設(shè)備、發(fā)展碾壓混凝土及特種混凝土等。同時大體積混凝土技術(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;采用大容量的運輸機械和澆筑設(shè)備等。但這些革新還沒有徹底擺脫傳統(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。

近年來我國嘗試外摻MgO 微膨脹混凝土快速筑壩技術(shù)，也是對傳統(tǒng)大體積混凝土壩工技術(shù)的革命。從20 世紀70年代白山拱壩采用內(nèi)含MgO 水泥的混凝土進行筑壩以來，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水利部“948”計劃創(chuàng)新項目“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準《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

我國較早就開始摻MgO 混凝土的性能試驗，20世紀70年代中期長江科學(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)生的補償效果很小，故沒有多大的實用價值，但引起了對微膨脹混凝土的重視。在“八五”攻關(guān)項目中，成勘院等單位先后對內(nèi)含MgO 和外摻MgO 兩類混凝土進行了長期的試驗研究，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 對水泥水化熱影響不大，對混凝土的絕熱溫升、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 混凝土長齡期的力學(xué)性質(zhì)是安定的，微膨脹對混凝土長期力學(xué)性能的影響不大。

外摻MgO 混凝土的性能試驗大多在室內(nèi)，從試驗結(jié)果看MgO 的摻量及品質(zhì)、水泥型號、骨料大小、溫度、約束條件等因素，對其自身體積變形有較大的影響，因此必須結(jié)合實際對摻MgO 混凝土進行現(xiàn)場試驗，為實施提供可靠的參數(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，這是因為導(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)水化生成熱試驗和溫升測試結(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)的時間推遲，表明MgO 對水泥的凝結(jié)有一定的延緩作用。MgO 的摻量在5%以下時，外摻MgO 混凝土的水化生成熱增長在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而增大，前7 天增長速度較快，最終達到一定值，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 混凝土的強度比普通混凝土的強度有所提高，一般抗壓強度可提高3% ～6%，90 天齡期的抗拉強度可提高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，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 混凝土的抗拉壓強度隨混凝土的試驗齡期增加而增大，隨MgO 的摻量增加而增大，外摻MgO 混凝土強度的增長幅值后期比前期大，如360 天齡期的抗壓強度增長量約為28 天的1.6 倍。

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

外摻MgO 混凝土的彈性模量隨齡期的延長而增加，隨MgO 摻量的增加稍有提高，也隨溫度升高略有增加。為簡化計算，一般可忽略MgO 摻量與溫度對彈模的影響，認為外摻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而增加。溫度對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。通過試驗:外摻MgO 混凝土的自身體積變形是穩(wěn)定的，它既不會產(chǎn)生無限膨脹，又不會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，其長期膨脹變形總能趨于穩(wěn)定，且膨脹變形對外摻MgO 混凝土長齡期的力學(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償要求，其安定摻量成為關(guān)注的課題。根據(jù)壓蒸試驗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償混凝土在溫降過程中產(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，簡化混凝土施工，加快了工程進度。通過對大壩設(shè)置誘導(dǎo)縫或少量橫縫，結(jié)合MgO 的合理摻量，利用外摻MgO 混凝土自生體積的變形影響，達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。當壩體混凝土澆筑在一個低溫季節(jié)完成時，宜分析全壩不設(shè)縫整體澆筑的可行性。中、高壩應(yīng)對施工、蓄水過程進行溫度場和應(yīng)力場的模擬仿真分析，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)縫的變形和溫度場變化情況，對其進行接縫灌漿。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)計需要的膨脹量和混凝土安定性合理確定，進行必要的混凝土配合比試驗研究。當混凝土膠凝材料中氧化鎂摻量超過5%時，應(yīng)進行壓蒸安定性試驗。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)，一般來說拱壩上部混凝土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)場外摻和水泥廠共磨兩種。氧化鎂在現(xiàn)場外摻時，需延長拌和時間，應(yīng)采用可以調(diào)節(jié)攪拌時間的攪拌機。當氧化鎂在預(yù)定的水泥廠與水泥共磨時，可采用連續(xù)式攪拌機。現(xiàn)場外摻氧化鎂拌和混凝土?xí)r，其均勻性應(yīng)進行現(xiàn)場檢測;對在水泥廠共磨摻和時，可不進行現(xiàn)場檢測。

5 結(jié) 語

混凝土拱壩作為極具競爭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、結(jié)構(gòu)材料、施工控制、安全監(jiān)測等有機結(jié)合，其適應(yīng)性強，溫控措施簡單，施工簡便，建壩速度快，可使工程提前投入運行，因此在今后的工程建設(shè)中，應(yīng)進行更深入的外摻MgO 混凝土筑壩材料試驗研究，使這項技術(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，2000(03):4－16.