论微膨胀混凝土筑坝技术

　　水力发电学报朱伯芳（中国水利水电科学研究院，北京100038）提要微膨胀混凝土筑坝可在一定程度上简化温控，提高建坝速度，如能进一步改进，有可能使混凝土筑坝技术发生较大的改观。本文全面分析了微膨胀混凝土筑坝技术中的问题及对策分析了氧化镁含量、混凝土温度、室内外差别等对自生体积变形的影响，指出了氧化镁混凝土筑坝的地区差和时间差。文中分析了微膨胀混凝土应用于碾压混凝土重力坝、常态混凝土重力坝和拱坝时的问题和解决途径，指出如仍保持氧化镁掺率不超过5%，可用氧化镁混凝土在南方全年建筑常态通仓重力坝和在中南地区利用冬季修建中小型无横缝拱坝；如能突破掺率5%的限制，则有可能在全国把氧化镁混凝土应用于高拱坝和碾压混凝土重力坝，使混凝土筑坝技术有较大改观，但事关重大，为此应进行大量科学试验。文中提出了改善氧化镁品质、改进掺混工艺、研制具有不同膨胀速率的膨胀剂等意见对微膨胀混凝土筑坝应采取积极而慎重的方针。

　　胀剂品质不同膨胀速率一、刖目普通混凝土的自生体积变形大多为微收缩，近年来随着膨胀水泥混凝土的研究和发展，人们逐渐认识到如能调节水泥的矿物成份，使混凝土产生膨胀性的自生体积变形，将有可能改善混凝土的抗裂性能，简化大体积混凝土的温控防裂措施能产生膨胀性自生体积变形的有以下几种类型的水泥：钙矾石型（CSA）、氧化钙型（CaO）和氧化镁（MgO）型长江科学院刘崇熙等于7（年代中期研制了钙矾石型低热微膨胀水泥，因其膨胀量的90%发生在龄期3天以前，其时混凝土的弹性模量小，徐变度大，产生的补偿应力很小，因此，实际应用价值较小，但他们的研究引起了人们对水工微膨胀混凝土的重视，功不可没。

　　1982年建成的白山重力拱坝，当地气候严寒，温度条件恶劣，但建成后裂缝不多，从原型观测资料中发现，白山拱坝混凝土具有微膨胀性能，对减少大坝裂缝具有重要作甩后经大量研究证明，白山大坝采用的抚顺大坝水泥中含有4. 28~4.3%氧化镁（MgO）是产生膨胀的根本原因，而且氧化镁混凝土的膨胀主要产生在中期，大约80%膨胀发生在龄期100天之间，早期膨胀较小，后期趋于稳定。这种膨胀变形有利于在大体积混凝土内产生有效的压应力，以补偿降温所引起的拉应力。

　　本文于1999年11月28日收到。

　　在唐明述、曹泽生、李承木及有关单位的努力下，关于氧化镁混凝土曾经做过大量的室内和现场试验研究工作，除水泥内含氧化镁外，还研制了外掺轻烧氧化镁MgO混凝土在东风、普定、铜头等水电站曾用于基础深槽、基础垫层及导流洞的回填和封堵，在红石、青溪、水口等大坝曾用于基础约束区。在1999年1 3月还曾用氧化镁混凝土浇筑一座中型拱坝（广东阳春长沙拱坝），但经过一冬已出现裂缝，今后应加强监测研究氧化镁混凝土应用于浇筑大坝，曾经引起工程界的广泛注意，但也有不少专家抱有一定疑虑，本文对氧化镁混凝土筑坝技术进行比较全面的分析，提出一些看法和建议，希望这项技术能得到改进，以利于建坝速度的进一步提高。

　　二、氧化镁混凝土性能2.1氧化镁混凝土的自生体积变形方镁石（MgO）晶体水化生成氢氧化镁时体积膨胀，常温下方镁石水化缓慢，所以膨胀变形出现较晚温度对方镁石水化速率影响较大，因此温度对氧化镁混凝土膨胀变形的速率也有重要影响。李承木在掺有30%粉煤灰的峨眉525号硅酸盐大坝水泥中、外掺4%MgO，进行了不同试验温度条件下的自生体积变形试验，结果见，从中可以看出氧化镁在不同龄期的自生体积变形及环境温度的影响。

　　图大坝水泥外掺4%氧化镁混凝土的自生体积变形除了MgO掺量和温度对氧化镁混凝土的自生体积变形有重要影响外，水泥品种、粉煤灰掺量、氧化镁的煅烧温度和粉磨粒度也有一定影响根据李承木资料，国内各工程使用外掺MgO混凝土的自生体积变形见表1，由表可见，一年的膨胀量大多在8屮120<1（16左右，只有三个工程超过125<10~6，但其水泥用量较多。

　　2.2自生体积变形与单位体积氧化镁含量的关系/m3）显然是影响自生体积变形的一个重要因素，笔者整理了混凝土自生体积变形X10"6）与MgO含量M（kg/m3）之间的关系，如，总的趋势是X与M成正比，在平均意义上的近似关系为：由图可见，点子比较分散，这是由于除了MgO掺量外，环境温度、水泥品种、粉煤灰掺量等其他多种因素都对混凝土的自生体积变形有影响，因此，在MgO应用于实际工程71994-2014ChinaAcademicournalElectronic 1红叶1级花滩（防渗体）丨S花滩二滩黄兰溪1龙潭飞来蚊铜头（左道洞）铜头（基础）！东西关i普定1水口青溪（内部）青溪（基础）东风i铜街子i石塘1白山（内部）白山（基础工程-；：tcu，当MgO含量不超过5%时，氧化镁对混凝内部结构土的力学特性和耐久性影响不大，但总的说来，这方面的试验资料目前还比较少。

　　三、氧化镁混凝土筑坝时温度控制的地区差氧化镁混凝土的微膨胀在受到外界约束时才产生压应力，自生体积变形在宏观上是近乎均匀的，所以对于寒潮及内外温差引起的温度应力是没有补偿作用的寒潮和内外温差主要靠表面保温解决问题，氧化镁混凝土的自生体积变形只能用来解决因外界约束而引起的温度应力问题必须指出，大体积混凝土内部温度通常高于表面温度，氧化镁混凝土在高温时膨胀量大于低温时，因此实际上氧化镁混凝土自生体积变形将使坝体内外温差应力有所加大当坝体较厚时，坝体内部的*低温度为稳定温度7>，无冷却水管时，混凝土*高温度为7>+Tr，其中为浇筑温度，Tr为水化热温升，因此坝体内部混凝土经历的温差为：在不采取任何冷却措施的条件下，混凝土浇筑温度Tp为：无冷却措施时，ATs=，5C.由上式可知，在无冷却措施时，混凝土浇筑温度Tp随气温而变化气温年较差*高月平均气温与*低月平均气温的差值）随地区而不同，大致为：东北4C；华北西北约30C；华中22~25C；华南、西南15~20C即北方大于南方。

　　坝体稳定温度决定于坝体边界年平均温度，即上游坝面的年平均水温，下游坝面的年平均气温加日照影响水库下部水温低于上部，故下部稳定温度低于上部北方年平均水温和气温均低于南方，因此，北方的坝体稳定温度低于南方坝体稳定温度大致为：东北5 ~1C，华北、西北14C；华中14- 18C；华南、西南17~在不采取冷却措施时，坝体内外温差大致为：（a）冬季浇筑部分，东北> 2C，华北西北22~46C，华中27~44C，华南、西南18~36C总之，北方温差大，而南方温差小氧化镁混凝土的自生体积变形依赖于温度，在MgO掺量相同的条件下，南方因混凝土温度高，膨胀量大，在北方，混凝土温度低，膨胀量小。

　　综上所述，可见利用氧化镁混凝土自生体积变形简化温度控制，在南方较易实现，而在北方则相对难度较大在应用MgO混凝土筑坝时，应重视这一“地区差”，即（a）温差北方大，而南方小；（b）相同MgO掺量下，自生体积膨胀北方小而南方大。

　　四、微膨胀混凝土应用于混凝土重力坝4.1常态混凝土重力坝微膨胀混凝土应用于柱状浇筑常态混凝土重力坝的基础约束区，可适当放宽基础允许温差，简化混凝土预冷措施，但因需进行接缝灌浆，冷却水管不能省去。

　　当基础浇筑块的温度从*高温度Tp+Tr降温到坝体稳定温度Tf时，由于基岩的约束，浇筑块的*大温度应力可计算如下i见if1lpb472）ig考虑早期升温影响的系数，其值约为0.85，但因问题比较复杂，实际工程中通常取G-1. 1. f）一一进行二期冷却时的自生体积膨胀；一一二期冷却时混凝土龄期；X-―混凝土极限拉伸，k一一安全系数；R-一基础约束系数；A-一基础影响系数；当混凝土与基岩弹性模量相等时，R-0.61，而混凝土重力坝规范中允许温差随浇筑块长度而变，就是由于上式左边A/R的影响，由（10）式可知，对于微膨胀混凝土，基础允许温差可放宽Gf）T，其中f是进行二期冷却时的混凝土龄期。

　　由上述分析可知，利用重力坝规范中规定的允许温差At，可由下式计算混凝土的允许浇筑温度Tp：设东北、华北、华中、华南地区4个重力坝下部的稳定温度Tf依次为6C、10C、15C、19C，采用混凝土重力坝规范中规定的允许温差，由（11）式算得混凝土的允许浇筑温度如表2，一年中的*低与*高月平均温度约为东北：-17~2C；华北：-8~表2氧化镁混凝土重力坝约束区内的允许浇筑温度浇筑分缝坝块长允许温水化温允许浇筑温度（C）允许浇筑温度（C）方式东北华北华中华南东北华北华中华南常态柱状通仓碾通仓压（注：计算中采用的坝体稳定温度Tf：东北6C，华北10C，华中15C，华南19C）由表2，可得到如下结论：6自生体积膨胀，华南地区全年均可进行重力坝的通仓浇筑，在其他地区，则夏季不能浇筑如混凝土中有20CK1（16自生体积膨胀，则全国各地区均可全年进行重力坝的通仓浇筑6自生体积膨胀，对于25m以下的柱状坝块，除东北外，全国各地全年都可浇筑东北可全年浇筑15m柱状块10-6自生膨胀变形，在华南地区可省去预冷骨料和冷却水管遵仓浇筑；在其他地区M当混凝土自生体积膨胀达到丨碟⑶，http：/A才可省去预冷骨料和冷却水管，至于混凝土的养护和表面保温，任何时候都是必需的，一些费钱不多，又不影响施工进度的简单温控措施，则仍应尽量采用，因为温差总是越小越好。

　　对于25m的柱状浇筑块，只需考虑基础温差，一般情况下上下层温差不起控制作用。对于通仓浇筑重力坝，由于坝块很长，除基础温差外，上下层温差往往也会引起相当大的拉应力，需要进行适当控制。

　　42碾压混凝土重力坝碾压混凝土水泥用量少、粉煤灰掺量大，而大掺量粉煤灰对混凝土的自生体积变形有一定抑制作用，因此到目前为止，在碾压混凝土重力坝坝体本身并未应用氧化镁混凝土，只有四川荣经花滩RCC重力坝在基础垫层常态混凝土和RCC坝体上游防渗体中掺用了氧化镁。

　　2.1基础垫层常态混凝土、时间差为了进行基岩固结灌浆，基础垫层常态混凝土浇筑以后常常要停歇4十60d，形成薄层长间歇，极易产生裂缝，在其中掺用氧化镁，是希望利用氧化镁引起的自生体积膨胀来补偿垫层中的拉应力，但笔者发现，这里存着在中表示了垫层混凝土中心温度变化过程和花滩坝氧化镁混凝土自生体积变形的发展过程，在龄期60d时，1m和2m厚的垫层混凝土（花滩坝为2m）的冷却过程已基本结束，但此时MgO混凝土的自生体积变形只有2X10- 6的28%，G/T=27C，应力补偿作用不大，也就是说，基础垫层混凝土很薄，冷却得很快，氧化镁混凝土自生体积变化发展缓慢，来不及充分补偿垫层混凝土中的拉应力，为了解决这个问题，应设法提高氧化镁混凝土自生体积变形的速率，并适当增加垫层混凝土的厚度碾压混凝土重力坝上游面往往出现劈头裂缝，花滩重力坝，高85m，上游防渗体顶厚3m，底厚6m，采用二级配碾压混凝土，并掺3. 5%氧化镁，730d的自生体积变形为50< 10，由于受到坝体（未掺MgO）的约束，在上游面会产生一定压应力，有利于防止劈头裂缝这个想法是好的，但笔者认为应注意两点，**，防渗体厚度与坝体横缝间距的比例*好不超过0.25，否则坝体表面压应力不大；第二，上游面*好仍采取保温措施，一则防止表面裂缝，另外避免表面混凝土温度过低，不利于自生体积变形的发展。在寒冷地区，这一点尤为重要。

　　1目前碾压混凝土重力贝在息季多停工了进一步提高碾压混凝土坝的施工速度，*好有在坝体本身采用氧化镁混凝土，利用自生体积膨胀，提高碾压混凝土的允许浇筑温度。但碾压混凝土的水泥用量少，如仍采用5%MgO掺率，能掺入的氧化镁不多，而碾压混凝土中粉煤灰掺率很大，对自生体积变形有一定抑制作用，因此，膨胀量不可能很大，如果能打破国家标准关于水泥中MgO掺率的规定，把MgO掺率提高到8%~1（%，则有可能在碾压混凝土中得到较大的膨胀量但此事关系重大，应进行大量的长期的科学研究和现场试验，以论证其是否可行。

　　碾压混凝土与常态混凝土相比，弹性模量和线膨胀系数相近，抗拉强度和极限拉伸则略低，徐变度则低得较多，总的看来，碾压混凝土的抗裂能力较常态混凝土为低，因而其允许温差较小。采用我国“碾压混凝土坝设计导则”中规定的允许温差，算得碾压混凝土重力坝允许浇筑温度如表2由于浇筑层面上冷量损失大，碾压混凝土筑坝采用预冷骨料有一定困难，目前夏季多停工，如能突破水泥中MgO掺率的有关规定，在碾压混凝土重力坝坝体采用氧化镁混凝土，必将有利于进一步提高碾压混凝土重力坝的施工速度。

　　五、微膨胀混凝土应用于拱坝5.1拱坝的特点重力坝因有横缝，混凝土体积变形只在基础约束区和老混凝土约束区内引起应力，脱离约束区后，均匀体积变形即不引起应力。拱坝则不同，全坝从上到下都受到两岸基岩的约束，均匀体积变形都会引起应力在重力坝内，温降引起拉应力，温升引起压应力，拱坝的中面在空间是曲面，不但温降引起拉应力，温升也引起拉应力。对拱圈来说，温升在两端下游面和拱冠上游面引起拉应力，从坝的整体来说，温升时，梁被推向上游变位，在坝体下部下游面会引起拉应力例如，我国丰乐拱坝因温升而在下游面出现平行于基础的大裂缝，瑞士车伊齐尔拱坝因两岸岩石相对变位（相当于温升）而在坝体下游面引起平行于基础的裂缝，因此，对于拱坝，不但要控制温降，也要控制温升。

　　拱坝不但要控制施工期的温度，还要控制运行期的温度，包括温降和温升。

　　5.2有横缝拱坝在有横缝拱坝中，为了灌缝前的人工降温，冷却水管是不可缺乏的，灌缝前坝体温度的调节主要靠水管。氧化镁混凝土可用于各坝段基础温差或新老混凝土温差的控制5.3无横缝拱坝、时间差5.3.1温度荷载的控制对于设有横缝的常规拱坝，温度荷载Tm（Td类似，从略按下式计算：平均温度沿厚度平均值，Tm 2一一运行期年变化温度沿厚度平均值对于无横缝的氧化镁混凝土拱坝，温度荷载Tm按下式计算：―一混凝土*高温度平均值，7>+CrTr，其中C是考虑早期升温影响的系数，在初步计算中可以取0=实际工程设计中，应根据上式计算温度荷载，再计算拱坝应力，通过试算决定采用的GT为了从宏观上了解全国情况，下面进行一些近似分柝实际经验表明，无论高拱坝还是低拱坝，允许拉应力都是控制坝体断面的关键因素，因此，为了保持大致相同的坝体断面，就需要保持大体相同的温度荷载，从（12）（13）两式可知，为了保持相同的温度荷载，需要的自生体积膨胀量如下：由上式可计算为了取消横缝和水管所必须的自生体积膨胀量。Tmi与浇筑的气温日照、水泥用量、浇筑层厚、间歇时间等有关，Tmo通常采用准稳定温度场沿厚度平均值，与地区及水深有关，根据当地具体条件，不难计算下面列举一个算例，假定施工中采取了一些简单温控措施，如加冰拌和，地笼取料等，1.0，Tr=19.0C，由式（14）算得我国不同地区用MgO混凝土建筑拱坝所需GT，如表3表3氧化镁混凝土建筑拱坝所需自生体积膨胀地区坝体部位各月所需G/T（C）华南底部顶部华中底部顶部华北底部顶部东北底部顶部由表3可以看出以下几点：（1）冬季气温低，所需G/T小于夏季；（2）运行期坝体平均温度T在坝体下部较低，因此坝体下部所需GT高于坝体上部；（3）南方Tmo高于北方，因此南方所需GT小于北方；（4）如果混凝土GT=15. 0°C，在华南、华中、华北等地区，每年12月至次年月可浇筑混凝土，同一时期，在东北则需GT=17.；（5）如要全年施工，则华南地区需要GT=28.（C，其他地区需要GT=35.C，这大约相当于目前MgO混凝土自生体积变形的2~3倍。另外应注意，北方温度低，在相同MgO掺量下，其GT小于南方。

　　3.2时间差拱坝是分层浇筑的，由于水泥的水化热，通常在浇筑后fr1天出现*高温度，其后如边界温度不变，由于向两侧面散热，坝体即逐渐冷却，冷却速率与坝体厚度的平方成反比设初温均匀分布，边界温度保持为常数，不同厚度的混凝土坝体平均温度的变化过程如图新示图中同时表示了1-G（/）/G），其中G为MgO混凝土*终自生体积变形，由图可知，当坝体厚度L=1士20m时，坝体的冷却与氧化镁引起的膨胀变形大体是同步的，对于更薄的坝体，如L=5m，当坝体冷却基本结束时，自生体积膨胀尚未充分发展，对于更厚的坝体，例如L= 50m，坝体冷却很慢，当自生体积膨胀已相当大时坝体冷却还不够，因而拱坝要承受相当大的挤压变形。这就是坝体冷却与自生体积变形的时间差。

　　下面给出一个算例，说明当气温变化时，混凝土浇筑以后，不同厚度坝体的温度变化与自生体积变形变化的关系，当地年平均气温20.6C，气温年变幅8.9°c，初始温差18C.由图可见：（1）对于7月浇筑的5m厚的坝体，经过6个半月后，坝体温度达到*低点，但这时自生体积变形尚未充分发展；由于运行期冬季水温高于气温，施工期出现的这种*低温度可能低于运行期的*低温度；（2）对于7月浇筑的50m厚的坝体，经过5个月后，Ti+GiT达到*大值，而且此时的Ti+Gi/T大于t=C时的Ti，表明自生体积变形引起拱坝的挤压变形，在工程设计中，应重视时间差对坝体应力的影响，用有限元方法进行仿真分析。

　　六、推广微膨胀混凝土筑坝技术必须重视的几个问题为了推广微膨胀混凝土筑坝技术，必须着重解决以下几个问题：6.1研究氧化镁含量的合理限制如果根据现有国家水泥标准，把氧化镁掺量控制在5%以内，一年的自生体积膨胀太多在125<10T6以内，只有华南地区，可利用MgO混凝土建筑通仓常态混凝土重力坝并全年施工，或在冬季三个月内浇筑中小型常态混凝土拱坝，从全国范围来看，筑坝水平难有大的改观如果能突破5%掺率的限制，把混凝土1年的自生体积膨胀提高到200- 10T6，那么在全国范围内常态混凝土重力坝，可以取消纵缝、通仓浇筑并全年施工，常态混凝土拱坝也有可能取消横缝并全年施工，如果能突破5%的限制，碾压混凝土重力坝的施工速度也可能进一步提高。可见，5%掺率的限制能否突破是MgO混凝土筑坝技术能否改观的关键。笔者就这个a问题射覆志家唐明士f他的意见家水泥标准邶中关于MgO掺量的规定包括了各种混凝土，特别是包括钢筋混凝土，它的水泥用量高，按照水泥用量5%所掺的MgO，远比水工混凝土多，因此，对于水工混凝土而言，MgO掺率突破5%是可能的，应抛弃老规范，通过试验，制定水工混凝土MgO掺量的新规定考虑到水工混凝土骨料粒径大，水泥石膨胀时在界面上产生的破坏可能较大，水工混凝土的工作条件也不同于钢筋混凝土，而突破规范是一个大问题，因此笔者建议进行大量的室内和现场试验，然后总结经验，如果切实可行，可根据试验研究结果，制定新的规定在缺乏充分试验研究前，切不可贸然行事6.2改善掺混工艺氧化镁混凝土的另一个重要问题就是膨胀要均匀，如果膨胀不均匀就可能破坏混凝土内部结构，降低混凝土质量掺加氧化镁的方式有水泥内含、水泥厂内掺和水泥厂外掺等三种。对于前两种方式，均匀性一般是有保证的，但对水泥厂外掺能否做到均匀，目前存在着不同意见，有人认为厂外掺可以均匀，但不少人对此抱有疑虑。

　　在施工现场掺加氧化镁，可以根据需要而调整掺量，是一大优点。鉴于掺混是否均匀是一个重要问题，笔者认为，可以研究在拌和楼中加一套设备，先把氧化镁与水泥掺混均匀，然后再进入搅拌机6.3改善氧化镁品质氧化镁的锻烧温度、磨细粒度等对MgO混凝土质量有重要影响目前国内氧化镁的生产设备和制造工艺比较落后，难以满足大规模应用的需要，应采用先进的生产设备和工艺，改善氧化镁品质为满足今后大规模应用的需要，氧化镁应在严格的生产程序下产出，能严格保证产品质量，并能广泛而稳定地供应市场6.4研制具有不同膨胀速率的膨胀剂除了氧化镁外，氧化钙和钙矾石等也可引起自生体积膨胀，但它们具有与MgO不同的膨胀速率，另外，粉末粒度也影响水化速率从而影响膨胀速率，因此，适当地改变掺加料的成份和粒度，有可能得到不同速率的膨胀剂系列，以适应不同的结构需要七结束语微膨胀混凝土如控制得合适，有可能简化温控措施提高施工速度，但膨胀剂如果控制不当，有可能影响混凝土质量，历来为工程师所禁忌，因此，对于微膨胀混凝土筑坝技术的研究和应用，应采用尊重科学重视实践、积极而慎重的方针如果仍保持5%以内的氧化镁掺率，只能在南方用氧化镁混凝土修建通仓常态混凝土重力坝或在冬季浇筑中小型常态混凝土拱坝，难以在全国范围内大规模应用，如能突破5%掺率的限制，则有可能在全国范围内大量应用，使混凝土坝施工面貌有所改观，但这是从结构上的需要而言，至于是否切实可行，因事关重大，应在大量科学试验和实践的基础上进行论证、决策应改善氧化镁生产设备和工艺，提高氧化镁质量，改进掺混工艺，保证掺混均匀。

　　应重视微膨胀混凝土筑坝中的地区差和时间差，应设法研制具有不同膨胀速率的