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名師講壇:外摻氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)探討

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2009-07-24  來源:中國混凝土網(wǎng)  作者:徐瓊
核心提示:名師講壇:外摻氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)探討
  摘要: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,簡化施工,加快工程進度,還闡述了外摻MgO混凝土自生體積變形的影響因素,通過對貴州省修建的4座外摻MgO混凝土壩的論述,對設(shè)置誘導縫,MgO的合理摻量等問題進行探討。

  關(guān)鍵詞:外摻MgO混凝土筑壩技術(shù);微膨脹;溫控措施;誘導縫;防裂;探討

  1 概述

  MgO混凝土的膨脹源有兩種:高鎂水泥中所含的MgO(內(nèi)含MgO)及在水泥或混凝土中摻入的MgO(外摻),高鎂水泥由于受料源條件限制,只有少數(shù)水泥廠能夠生產(chǎn),因此現(xiàn)更多的工程是采用外摻MgO,故本文只討論外摻MgO混凝土筑壩的有關(guān)技術(shù)問題。

  2 外摻MgO混凝土自生體積變形影響因素

  當混凝土摻入MgO后,方鎂石(MgO)晶體水化生成氫氧化鎂時體積膨脹(即自生體積變形),這是化學反應(yīng)過程MgO+H2 O→Mg(OH)2 常溫下。方鎂石水化緩慢,溫度對方鎂石水化速率影響較大。相同配比的MgO混凝土:溫度每升高10℃,混凝土自生體積變形增加35~48με。外摻MgO混凝土的膨脹量隨MgO含量增加而增加(在溫度相同的條件下),MgO摻量越大,混凝土膨脹量也越大,MgO摻量越小,混凝土膨脹量也越小。粉煤灰對混凝土自生體積變形有抑制作用,粉煤灰的摻量增加,MgO混凝土的膨脹量將會降低。氧化鎂的品質(zhì)也影響混凝土自生體積變形,1100℃煅燒的MgO比1050℃煅燒的MgO混凝土自生體積變形大得多。其它如環(huán)境溫度(特別與早期溫度關(guān)系密切)、水泥品種等與混凝土自生體積膨脹都有影響。外摻MgO混凝土具有良好的微膨脹特性,主要膨脹發(fā)生在7d齡期以后,膨脹速率早期大,后期小,180d齡期以后膨脹增長緩慢,根據(jù)室內(nèi)試驗,齡期560d膨脹還在緩慢增長,只是膨脹值很小而已。

  在這些影響因素中,溫度的影響是最重要的,由于MgO混凝土自生體積變形依賴于溫度,因此在施工期間混凝土表面保溫就顯得很重要,特別低溫季節(jié)更應(yīng)注意早期混凝土的表面保溫。

  3 外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)在貴州省的應(yīng)用

  我國最早應(yīng)用MgO混凝土筑壩為吉林省樺甸市境內(nèi)的白山重力拱壩(壩高149.5m,混凝土總量163萬m3 ),當?shù)貧夂驀篮?,溫度條件惡劣,大壩于1975年開始澆筑,采用撫順水泥(內(nèi)含MgO4.28%),1982年建成。在蓄水前檢查,該壩沒有產(chǎn)生基礎(chǔ)貫穿裂縫,表面裂縫也很少。從原型觀測資料中發(fā)現(xiàn),白山拱壩混凝土具有微膨脹性能,所用撫順水泥的微膨脹變形起了補償作用,對大壩防裂起了重要作用。

  貴州省于2001年開始采用外摻MgO混凝土筑壩技術(shù),現(xiàn)已完工4座大壩。最早修建的沙老河拱壩位于貴陽市郊區(qū),大壩為三心圓雙曲拱壩(最大壩高62.4m,壩頂弧長184.8m,壩體混凝土5.3萬m3 ),采用外摻MgO混凝土代替一切溫控措施,MgO摻量占4.0%~5.5%,取消橫縫,通倉澆筑,每層澆筑厚度(2.5~3.0m),2001年3月開始澆筑,9月大壩澆筑完工,11月份由于氣溫有所下降,先后出現(xiàn)4條貫穿性裂縫,縫長11.2~23.8m,最大裂縫寬度達8mm,次年4月對4條裂縫進行灌漿處理,同年12月份由于氣溫下降,已處理的4條裂縫又重新被拉開,并出現(xiàn)了第5條貫穿裂縫,縫寬3~4mm,次年3~4月進行了裂縫灌漿處理,同年6月通過蓄水安全鑒定并開始下閘蓄水,由于水庫淹沒處理等問題,水庫一直低水位運行至今,雖上部未擋水壩體處于夏季高溫日曬,冬季風雪襲擊的惡劣環(huán)境,但壩體未出現(xiàn)新的裂縫。

  繼沙老河拱壩后,在貴陽市北郊又修建了三江河拱壩,該壩為單心圓雙曲拱壩,壩高71.5m,壩頂弧長115.5m,壩體混凝土4萬m3 ,全壩摻4.5%MgO,大壩在低溫季節(jié)澆筑,從2002年12月開始澆筑至次年5月完成,施工期進行噴霧,灑水養(yǎng)護。在壩高25m以下堆渣保溫,25m以上低溫季節(jié)泡沫板保溫,最重要的是設(shè)置了2條誘導縫?,F(xiàn)大壩已竣工4a,只發(fā)現(xiàn)1條長1.5m的極細表面裂縫。

  2006年10月建成的落腳河水電站大壩為貴州省修建的第3座外摻MgO混凝土土壩,工程位于大方縣雙山鎮(zhèn)境內(nèi),壩型為橢圓線性變厚雙曲拱壩,壩高81m,壩頂弧長250m,壩體混凝土約11萬m3 ,全壩體外摻MgO5.5%,設(shè)4條誘導縫,大壩每層澆筑厚度3m。2005年12月開始澆筑墊層,2006年10月全部完成,同年8月通過分期蓄水安全鑒定,9月底開始發(fā)電,迄今未出現(xiàn)任何裂縫。

  馬槽河水電站位于銅仁市大興鎮(zhèn)境內(nèi),壩型為混凝土雙曲拱壩,最大壩高69.5m,壩頂弧長142.1m,混凝土工程量4.64萬m3 ,設(shè)置4條誘導縫,采用外摻MgO混凝土澆筑,MgO摻量6.0%,于2007年3月27日開始澆筑,10月大壩澆筑完成?,F(xiàn)大壩尚未發(fā)現(xiàn)裂縫。

  近幾年來,外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)在貴州省發(fā)展較快,取得了可喜的成績,很多經(jīng)驗值得我們認真地總結(jié)分析,以使MgO混凝土筑壩技術(shù)得到進一步的提高和完善。

  4 外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)的幾個問題

 ?。?)設(shè)誘導縫是外摻MgO混凝土壩防裂的有效措施。外摻MgO混凝土在一定程度上補償壩體由于溫降所產(chǎn)生的拉應(yīng)力,但由于MgO的延遲性膨脹明顯滯后于混凝土最大溫降應(yīng)力到達的時間,其效果不明顯,在施工期摻MgO基本上沒有起到降低拉應(yīng)力的作用,在運行期MgO的延遲膨脹特性會降低壩體由于溫降產(chǎn)生的拉應(yīng)力,但作用并不明顯。如果完全依賴外摻MgO,完全取消橫縫和各種溫控措施估計難以達到預期的目的。根據(jù)貴州省三江河拱壩、落腳河拱壩、馬槽河拱壩的經(jīng)驗,設(shè)置少量帶止水和重復灌漿的誘導縫是成功的。誘導縫可以釋放施工期的拉應(yīng)力,減小運行期的拉應(yīng)力,設(shè)置少量的誘導縫,施工方便,不影響施工速度,但起到了巨大的防裂作用。

  在南方氣溫較高的地區(qū),采用外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)在中小型工程中,完全代替溫控措施不分縫通倉澆筑可能成功,如廣東省長沙壩。但全國多數(shù)地區(qū)的氣溫不如華南高,問題可能較多,如貴州省沙老河拱壩,當?shù)啬昶骄鶜鉁?5.3℃,氣溫雖不及華南地區(qū)高,但應(yīng)該還是較溫暖的,采用外摻MgO混凝土,取消一切溫控措施,在盛夏季節(jié)通倉澆筑,結(jié)果產(chǎn)生貫穿性裂縫。和沙老河拱壩相距很近的三江河拱壩,設(shè)置了2條誘導縫,就避免了裂縫的產(chǎn)生。根據(jù)貴州省幾個工程的實踐證明,在易出現(xiàn)裂縫的部位,設(shè)置少量誘導縫是外摻MgO混凝土筑壩防裂的重要經(jīng)驗。

 ?。?)MgO的合理摻量。國標規(guī)定水泥的MgO含量是以水泥熟料中的MgO含量為準,我國目前在水工混凝土中外摻氧化鎂是以膠凝材料(一般為水泥+粉煤灰)為控制標準,如果根據(jù)國家水泥標準,把MgO摻量控制在5%以內(nèi),現(xiàn)在看來是不對的。事實上,貴州省有的工程,外摻MgO已達5.5%~6.0%,外摻MgO肯定能突破5%的限制。

  由于粉煤灰對混凝土自生體積膨脹有抑制作用,現(xiàn)混凝土中都摻用大量的粉煤灰,尤其是碾壓混凝土中粉煤灰摻量有的高達60%以上,如摻入常規(guī)數(shù)量的MgO,混凝土自生體積膨脹量便達不到我們的期望值,因此便要提高MgO的摻量。以某工程室內(nèi)壓蒸試驗為例,不摻粉煤灰時,MgO的極限摻量為5.67%;粉煤灰摻量為30%時,MgO極限摻量為7.68%;粉煤灰摻量為40%時,MgO極限摻量8.58%。如乘以0.85的安全系數(shù),MgO的摻量分別為4.82%(不摻粉煤灰)、6.5%(摻30%粉煤灰)和7.3%(摻40%)粉煤灰。因此MgO的合理摻量應(yīng)通過壓蒸試驗來確定。

  水泥熟料中的MgO水化十分緩慢,有的水化需10a以上,而外摻輕燒MgO,3個月便可基本水化,因此水泥熟料中的MgO與外摻輕燒MgO有本質(zhì)的不同,即使它們的含量相同,其效果也決不相同,在實際應(yīng)用中應(yīng)以外摻為主。

 ?。?)關(guān)于原型觀測值低于室內(nèi)試驗值的問題。從大壩原型觀測資料來看,壩體MgO混凝土自生體積膨脹值低于室內(nèi)試驗值,以沙老河為例,在MgO摻量為4.5%時,在20℃和30℃養(yǎng)護條件下,180d膨脹值分別為90με和130με,而施工期的膨脹值約為60με和110με,室內(nèi)混凝土自生體積變形是在20℃和30℃甚至40℃條件下進行的,而工程現(xiàn)場環(huán)境溫度很多時間達不到試驗設(shè)定的溫度,尤其是在夜間和清晨。如避開高溫季節(jié),在低溫季節(jié)澆筑,達不到試驗設(shè)定的溫度時間會更長,這可能是原型觀測的膨脹值低于室內(nèi)試驗值的原因之一。落腳河拱壩也同樣,大壩實測的自生體積膨脹量均低于室內(nèi)試驗值和設(shè)計期望值。

  室內(nèi)自生體積膨脹試驗,制作試件時,進行濕篩,將大于40mm的粗骨料剔除,沙老河、三江河、落腳河、馬槽河幾個工程均采用四級配混凝土,大于40mm的粗骨料,約占混凝土總量的40%。就MgO混凝土自生體積膨脹而言,外摻MgO使水泥石產(chǎn)生體積膨脹,而骨料本身不產(chǎn)生膨脹,將大粒徑骨料剔除,實際上增大了水泥石的體積,無疑室內(nèi)試驗測得的自生體積膨脹值將大于大壩的實際膨脹值。在大壩現(xiàn)場埋設(shè)觀測儀器時,無應(yīng)力計周圍的混凝土也經(jīng)過濕篩,因此現(xiàn)場測得的體積變化也偏大,埋設(shè)觀測儀器周邊的混凝土,如不進行溫篩,測得的膨脹量應(yīng)更符合實際。

 ?。?)MgO摻量在不同部位產(chǎn)生的效果也不相同,因此拱壩壩體MgO不應(yīng)是同一摻量,總的說來對上部混凝土拉應(yīng)力的抑制作用強于下部,拱壩上部MgO的摻量應(yīng)大于下部。

 ?。?)大壩建成后最好不要空庫越冬,蓄水與否對壩體最高溫度沒有太大影響,但對上部混凝土降溫速度有一定影響,壩體建成后滿庫蓄水可改善壩體應(yīng)力狀態(tài)。沙老河拱壩澆筑完成后,遇氣溫下降,便產(chǎn)生貫穿性裂縫,次年3、4月份對裂縫進行了灌漿處理,但一直未蓄水,以致冬季處理的裂縫又重新拉開,并出現(xiàn)新的裂縫,現(xiàn)大壩雖長期低水位運行,但壩體未出現(xiàn)新的裂縫。如果2002年對壩體裂縫進行灌漿處理后,當年就下閘蓄水,灌漿處理后的裂縫就不一定會被重新拉開。

  (6)外摻MgO混凝土的膨脹必須均勻,如果膨脹不均勻就可能破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu),影響混凝土質(zhì)量。在施工現(xiàn)場摻MgO必須稱量準確,切不可采用體積比,根據(jù)青溪、水口水電站1000多次的試驗及貴州省幾個工程的實踐證明,適當延長拌和時間(大于240s),外摻MgO混凝土的均勻性就不成問題。由于外摻MgO混凝土自生體積膨脹與溫度密切相關(guān),要獲得期望的膨脹量,施工期間,表面保溫顯得十分重要。以上僅是筆者的認識,謬誤之處,望專家予以指正。

  5 結(jié)語

  通過以上分析,我們可以認識到:

 ?。?)外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)與傳統(tǒng)的施工工藝相比,可以大大簡化混凝土溫控措施,大大加快施工進度,使工程提前投入運行,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益,因此應(yīng)進行更深入的試驗研究,使這項技術(shù)更加完善。

 ?。?)實踐證明,設(shè)置少量的誘導縫是外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)的成功經(jīng)驗。

 ?。?)MgO的摻量不應(yīng)被5%的禁區(qū)限制,應(yīng)通過壓蒸試驗來確定,特別是粉煤灰摻量較高的混凝土。

 ?。?)外摻MgO混凝土壩建成后,如果能夠當年蓄水,可改善壩體應(yīng)力狀態(tài),避免和減小壩體產(chǎn)生裂縫的可能性。

 ?。?)由于溫度是影響MgO混凝土自生體積膨脹的重要因素,施工期應(yīng)注意混凝土的表面保溫,以獲得期望的膨脹量及減小混凝土開裂的可能性。
 
 
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