高摻氧化鎂混凝土在大河水庫工程中的應(yīng)用

李 成，丁訪濤，秦 謝，梅亞斌

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

混凝土拱壩的裂縫是工程界非常關(guān)心的問題，也是長期以來沒有解決的問題。拱壩的裂縫會破壞壩體的整體性，對壩的安全性造成不利影響。一般拱壩的裂縫多數(shù)是由于壩體混凝土水化升溫后的溫降收縮受到約束而產(chǎn)生。

大河水庫工程是壩高超過100 m的外摻MgO混凝土拱壩，壩體總澆筑方量約38萬m3，工程存在任務(wù)重、工期緊、技術(shù)復(fù)雜等特點(diǎn)。若溫控措施不到位，則極大影響著施工質(zhì)量，使大壩在自身溫度應(yīng)力和外部環(huán)境的影響下隨之產(chǎn)生裂紋，甚至產(chǎn)生貫穿性裂縫，導(dǎo)致混凝土壩滲水，破壞結(jié)構(gòu)的整體性，進(jìn)而影響工程的耐久性，甚至危及壩身或整個樞紐工程的安全。若溫控措施太復(fù)雜，則極大影響著工程施工速度，不能發(fā)揮出碾壓混凝土快速筑壩的特點(diǎn)。

大河水庫工程若采用傳統(tǒng)的解決拱壩裂縫的方法，即采取降低混凝土澆筑溫度（降低料倉骨料溫度、加冰拌和、降低運(yùn)輸過程中的溫度），通水冷卻、降低壩體內(nèi)外溫差等措施，則存在施工復(fù)雜、工期長的問題，不利于工程盡早發(fā)揮效益。

若采用MgO混凝土筑壩技術(shù)，該技術(shù)主要是通過利用MgO混凝土的延遲微膨脹變形補(bǔ)償混凝土溫降收縮變形，從而達(dá)到控制混凝土開裂的目的。該技術(shù)可以使傳統(tǒng)混凝土壩的溫控措施大部分甚至全部取消，大幅減少大河水庫拱壩分縫，促使碾壓混凝土的施工倉面更大，橫縫預(yù)制模板、灌漿管、接觸灌漿工程量等顯著減少，顯著提高施工速度，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、快速的筑壩效果[1-2]。

氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)主要起源于國內(nèi)工程實踐，是國內(nèi)外筑壩技術(shù)的重大創(chuàng)新和突破。

1 工程概況

都勻大河水庫工程正常蓄水位891.5 m，總庫容4 376萬m3，年設(shè)計供水量6 438.2萬m3，工程規(guī)模3等中型。大壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，最大壩高105 m，壩頂高程898.00 m，壩頂中心弧長323.33 m，拱冠梁處頂厚6 m，底厚26 m。壩體采用“金包銀”式防滲結(jié)構(gòu)，主體為C9020三級配碾壓混凝土，壩體材料分區(qū)從上游到下游依次為：C9020二級配變態(tài)混凝土（0.5 m）、C9020二級配碾壓混凝土（2.0～5.5 m）、C9020三級配碾壓混凝土、C9020三級配變態(tài)混凝土（0.5 m），大壩碾壓混凝土及變態(tài)混凝土方量共約40萬m3。壩體溫控借鑒黃花寨碾壓混凝土雙曲拱壩（最大壩高108 m）成功的溫控經(jīng)驗，采用全壩外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)，并輔以分縫措施，以簡化溫控措施。

圖1 大河水庫碾壓混凝土大壩BIM設(shè)計圖

2 MgO混凝土作用機(jī)理

2.1 MgO混凝土的膨脹機(jī)理

MgO混凝土的膨脹是由于高溫煅燒的方鎂石（MgO晶體）水化生成的Mg(OH)2晶體膨脹，水化反應(yīng)方程式如下：

MgO水泥結(jié)石的膨脹量取決于Mg(OH)2晶體的位置、尺寸和形貌，細(xì)小的、聚集在MgO顆粒表面附近的方鎂石晶體能產(chǎn)生較大的膨脹，粗大的、分散在MgO顆粒周圍較大區(qū)域內(nèi)的方鎂石晶體引起的膨脹較小。因此，MgO膨脹劑的質(zhì)量與摻量對MgO水泥結(jié)石和混凝土的膨脹性能起著較大的作用[3]。

2.2 MgO混凝土自生體積變形

外摻MgO混凝土能在水利水電工程得以推廣應(yīng)用，主要在于它的自生體積膨脹變形可以有效補(bǔ)償水工大體積混凝土的溫降收縮。根據(jù)已有的試驗研究和工程實踐，外摻MgO混凝土的自生體積變形呈現(xiàn)良好的延遲微膨脹特性，其主要的膨脹量發(fā)生在7～180 d齡期之間，早期膨脹速率大，后期小，延遲膨脹變形過程與大體積混凝土溫降收縮過程基本同步，后期的膨脹變形逐漸趨于穩(wěn)定，混凝土的膨脹量可以部分甚至全部補(bǔ)償溫降收縮量[4]。

3 MgO混凝土筑壩的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 選用比立窯更加先進(jìn)的旋窯工藝生產(chǎn)的氧化鎂膨脹劑材料

質(zhì)量均勻、穩(wěn)定的MgO膨脹劑是發(fā)展和推廣應(yīng)用MgO混凝土筑壩技術(shù)的關(guān)鍵，它直接影響混凝土的自生體積變形、應(yīng)力補(bǔ)償效果和溫控措施。

相較立窯工藝，旋窯的入窯礦粒細(xì)，料粒在窯內(nèi)不斷翻滾并逐漸被擊碎成小顆粒，煅燒溫度較穩(wěn)定且易調(diào)節(jié)，燒失量小，冷卻極快，活性高，熟料質(zhì)量均勻，膨脹性能更穩(wěn)定。

3.2 100 m級高壩應(yīng)用高摻MgO首例工程

MgO混凝土的膨脹量隨著MgO摻量的增加而增大，且長期膨脹變形是穩(wěn)定的。MgO混凝土筑壩要控制好MgO摻量，若摻量不足，則補(bǔ)償收縮效果達(dá)不到要求；若摻量過大或不均勻，則會引起混凝土過度或不均勻膨脹，混凝土整體結(jié)構(gòu)破壞[5]。

基于壓蒸原理，按照既能適當(dāng)提高碾壓混凝土的MgO摻量、又能保障混凝土的性能不降低的原則，提出了一種確定碾壓混凝土中MgO安定摻量的方法。大河拱壩從底部到頂面，壩體碾壓混凝土中MgO外摻量為6.5%，突破了MgO摻量6.0%的限制，這是100 m級高壩應(yīng)用高摻MgO首例工程。

根據(jù)DB 52/T 720—2010《全壩外摻氧化鎂混凝土拱壩技術(shù)規(guī)范》，采用一級配混凝土試件壓蒸法，在標(biāo)準(zhǔn)壓蒸條件下，測定試件的壓蒸膨脹率，以確定MgO極限摻量。壓蒸試件的水膠比為0.5、灰砂比0.25、膠凝材料用量為200 kg/m3、粉煤灰摻量分別取55%、60%、65%，所用的砂、小石均為大河工地砂石料系統(tǒng)生產(chǎn)的合格品，水泥、粉煤灰、MgO膨脹劑分別為上述公司所生產(chǎn)，壓蒸試驗的結(jié)果如圖2（F—粉煤灰）。

圖2 一級配混凝土試件壓蒸膨脹率變化曲線

由圖2可以看出，試件的壓蒸膨脹率隨著粉煤灰摻量的增加而降低，即證實了粉煤灰對試件的壓蒸膨脹變形具有明顯的抑制作用。同時，以壓蒸膨脹率為0.5%對應(yīng)的MgO摻量為極限摻量，可以得出：一級配混凝土試件粉煤灰摻量為55%、60%、65%分別對應(yīng)的MgO極限摻量為12.52%、12.95%、13.56%（采用拉格朗日插值法求得），由此說明試件的MgO極限摻量隨著粉煤灰摻量的增加而升高。或者，以壓蒸膨脹率變化曲線的拐點(diǎn)對應(yīng)的MgO摻量作為混凝土中MgO的安定摻量，可以得出：一級配混凝土試件粉煤灰摻量為55%、60%、65%分別對應(yīng)的MgO安定摻量為10%、11%、12%。綜上，基于大河水庫拱壩所使用的水泥、粉煤灰、砂、小石、MgO，在碾壓混凝土中外摻5.5%～7.5%的MgO膨脹劑，是安定的。

在不同MgO摻量下，利用水泥、粉煤灰、砂、石、MgO、外加劑等成型的碾壓混凝土的自生體積膨脹量在90 d齡期的自生體積變形值基本要達(dá)到50×10-6。

表1 DH系列碾壓混凝土典型齡期的自生體積變形 /10-6

根據(jù)自生體積變形的要求，大河水庫工程符合要求的二級配、三級配碾壓混凝土現(xiàn)場試驗推薦配合比，對應(yīng)的MgO摻量都為6.5%。工程實踐中達(dá)到了設(shè)計實驗研究的摻量水平，混凝土的收縮補(bǔ)償能力達(dá)到了設(shè)計期望。

3.3 加強(qiáng)混凝土生產(chǎn)各環(huán)節(jié)工藝流程施工技術(shù)控制

（1）高摻MgO碾壓混凝土創(chuàng)新施工工法應(yīng)用，保障MgO混凝土均勻性

與普通碾壓混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)相比，大河拱壩混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)增加MgO儲存、輸送、計量與投料系統(tǒng)，并事先讓MgO與水泥、粉煤灰的混合料在專門配置的高速攪拌桶中充分預(yù)拌10 s，再將MgO、水泥、粉煤灰的混合料與外加劑、水同時投至混凝土攪拌機(jī)中，與砂石骨料共同攪拌，以保障MgO在碾壓混凝土中的均勻分布。稱量采用全自動電子稱量系統(tǒng)，稱量誤差小于1%，每拌和配料量顯示在中控室的監(jiān)視器上，實施監(jiān)控，確保了MgO添加計量準(zhǔn)確。

（2）采用多方案MgO混凝土運(yùn)輸及入倉方式，保證混凝土施工強(qiáng)度及碾壓質(zhì)量

1）793～830 m高程，采用自卸汽車直接運(yùn)輸入倉。在壩體底部高程，具備混凝土直接運(yùn)輸入倉條件。由自卸汽車在混凝土拌和樓接料后，自施工便道直接運(yùn)輸入倉。

2）830～898 m高程，非溢流壩段采用倉外自卸汽車+負(fù)壓溜管+倉內(nèi)自卸汽車運(yùn)輸。自卸汽車完成倉外運(yùn)輸并卸入設(shè)置于左壩肩的集料斗，然后由負(fù)壓溜管完成垂直運(yùn)輸，再由自卸汽車在倉內(nèi)接料并運(yùn)至指定澆筑點(diǎn)卸料澆筑。負(fù)壓溜管利用密閉的管狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓通過柔性蓋板調(diào)控混凝土下降速度，使混凝土拌和物安全緩慢下泄。此方案成功地解決了汽車入倉澆筑存在的入倉道路填筑頻繁、沖洗輪胎費(fèi)工費(fèi)時、車輪帶泥水污染倉面等問題。

圖3 某高程負(fù)壓溜管布置

3）884.27～898 m高程，溢流壩段采用自卸汽車+塔吊運(yùn)輸混凝土+倉內(nèi)自卸汽車運(yùn)輸。自卸汽車在拌和樓接料后，完成壩體混凝土的倉外水平運(yùn)輸，再由塔吊垂直吊運(yùn)入倉。適應(yīng)垂直及水平變幅較大的壩體施工。

(3）大幅度減少拱壩橫縫數(shù)量

根據(jù)貴州的幾座MgO混凝土拱壩的實踐，不能完全依靠MgO的自生體積變形來解決因溫降產(chǎn)生的混凝土拉應(yīng)力。相較壩體混凝土不摻MgO，大河水庫拱壩大幅度減少拱壩橫縫數(shù)量，實際僅設(shè)置了1條橫縫及4條誘導(dǎo)縫。施工采用混凝土預(yù)制板成縫，既可埋設(shè)灌漿系統(tǒng)，也不影響快速筑壩。

4 結(jié)語

本工程是高摻MgO混凝土應(yīng)用于100 m級拱壩的首例。在研究高摻MgO混凝土拱壩應(yīng)力分布和高摻MgO混凝土性能的基礎(chǔ)上，采用了高摻MgO混凝土配合比，MgO外摻量突破了6%的限制，實際摻量為6.5%。全壩僅分縫5條（含4條誘導(dǎo)縫、1條橫縫），碾壓混凝土施工時，在高溫季節(jié)仍然不停工，且僅采取了倉面噴霧等簡單的溫控措施，未采用預(yù)冷骨料、加冰拌和混凝土、壩體內(nèi)部預(yù)埋冷水管等常規(guī)溫控措施，進(jìn)一步簡化了壩體混凝土的溫控措施，實現(xiàn)了通倉、連續(xù)澆筑混凝土壩體的愿望。最快7 d澆筑一倉混凝土（壩體上升3 m）。最大月澆筑方量約28 704 m3。

計入節(jié)省的工程投資、機(jī)械設(shè)備使用費(fèi)、材料費(fèi)、人工費(fèi)和提前供水產(chǎn)生的收益，采用高摻MgO碾壓混凝土方案可較不摻MgO方案，除節(jié)省工期182 d外，還創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益3 746.72萬元，達(dá)到了進(jìn)一步加快施工進(jìn)度、節(jié)省工程投資的目的。項目建成后，大大提高當(dāng)?shù)氐姆篮槟芰腿诵蟀踩嬎Ｕ夏芰?，改善?dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，社會效益明顯。