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】扼要敘述了溫控設計的基本要點、混凝土的特性對溫度應力設計的影響。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來研究溫控問題。著重介紹了氧化鎂混凝土筑壩技術、防裂補償原理、基本特征、筑壩理論體糸，并用實例說明了施工特點和方法、應用概況和效果。

【關鍵詞】溫度應力；溫控設計；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注的重大技術問題。工程界的科技人員經過長期不懈的實驗研究，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新技術的研究，打破了人們的傳統認識，開辟了新的防裂途徑。MgO技術經過近30年來的基礎理論和工程應用研究，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余個省近50個大中型水利水電工程中成功應用，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經濟和社會效益。對MgO筑壩技術的研究，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來研究其抗裂問題。經大量的試驗研究、工程應用實踐及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，值得廣泛推廣應用。

1. 溫控設計的基本要點及要求

1.1大體積混凝土的溫度控制問題，是混凝土壩設計中的重要問題，對于保證混凝土壩工程的質量、加快工程施工進度等方面，起著關鍵性的作用，所以一直為工程界所重視。在混凝土壩溫度控制設計中，一般以基礎溫差的設計為重點，以單獨澆筑塊的溫度應力為理論基礎，在限制應力或應變的條件下估算允許溫差。實踐表明，澆筑塊的分塊尺寸越小，應力越小，基礎允許溫差就越大。在施工期內，各國多根據當地氣侯條件控制最高澆筑溫度。如美國墾務局規定混凝土澆筑溫度應小于10℃；巴西伊泰普規定為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，最關鍵的是要掌握混凝土的溫度變化規律和將溫度應力控制在混凝土的允許范圍以內。在施工過程中，混凝土溫度場及應力場的變化過程是相當復雜的。在設計計算中，需要模擬實際施工過程，考慮各種復雜因素，如混凝土的彈性模量、線脹系數、徐變、抗拉強度、極限拉伸值、熱力學指標、溫度、荷載、自生體積變形（應考慮溫度影響）等。

1.2溫度應力與彈性模量和線膨脹系數成正比。考慮混凝土徐變可使溫度應力減小一半左右。實踐表明，膨脹型的自生體積變形對溫度應力或溫度變形的影響會更大，因為這種體積變形與大體積混凝土溫度變形規律相適應。對于不同工程在各種溫度荷載下產生的應力，應選擇符合工程實際的合理、準確的（試驗）參數，并視工程規模，再根據有關規范進行（考慮動態因素的）仿真設計計算。我國在溫度應力計算分析技術方面，在朱伯芳、丁寶瑛等的長期研究[1～2]以及大量工程實踐積累了豐富經驗，形成了一套完整的防裂溫控設計理論，它對我國的工程設計起到了積極的指導作用。

1.3大量研究表明，在仿真分析設計中，混凝土的基本性能對溫度應力大小和實施溫控措施的影響較大。因此，要想提高混凝土的抗裂能力，實現溫控設計目標，對材料性能就要求做到：

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

（2）優選混合材（如礦渣或粉煤灰），優選復合、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）首選線膨脹系數低的巖石作為混凝土的粗、細骨料（硅酸質骨料混凝土的線膨脹系數最大，火成巖質的次之，石灰巖質的最小）。

（4）增強混凝土的變形能力，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，設法制作出低彈高強混凝土。

（6）提高混凝土的抗拉強度，現行設計中采用小試件的軸拉強度控制，實際上是采用了相當于原級配大試件的彎拉強度，比較符合壩體的實際受力狀態。研究表明，混凝土材料的抗拉能力實際上已包括了試件尺寸、級配及受力狀態的仿真性。

（7）降低混凝土的絕熱溫升值，通過試驗設計，摻優質混合材可大大降低絕熱溫升值。實踐表明，只要全面認真做到了以上各項要求，再加以精心設計，精心施工，就能確保大壩混凝土的質量，避免危害性裂縫的發生和發展，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過去人們多從結構物的形態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，往往很難全面達到設計要求。而從組成混凝土原材料及混凝土自身的變形特性出發來研究混凝土的防裂問題卻比較少。近30年來，隨著科學技術的進步與工程實踐經驗的積累，人們已經認識到應該通過多種途徑，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混凝土筑壩新技術的出現，打破了人們的傳統認識，提出了筑壩新理論和筑壩新技術。據此，既可實現快速施工又大大拓寬和完善了水工混凝土筑壩防裂技術。實踐證明，MgO混凝土筑壩技術是大體積混凝土施工的革命，是國內外筑壩技術的重大創新和突破。

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水化所釋放的化學能轉變為機械能，使混凝土產生自生體積膨脹，抵消其在溫降過程中的體積收縮；也就是利用其獨特的具有延遲性的、不可逆變形及長期穩定的微膨脹性能來補償大壩混凝土在溫降時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償混凝土的限制收縮，達到防裂目的。若輔以其它適當的綜合性措施，可以取代傳統的溫控措施，如混凝土拱壩需分橫縫，柱狀、薄層、長間歇澆筑，預埋冷卻水管冷卻，封縫灌漿等施工工藝，實施通倉連續施工，大大加快了筑壩速度，從而實現了工程界長期希望達到的快速施工的目標。其防裂理論的基本特征是：把傳統的通過預冷來降低和控制混凝土筑壩溫度的辦法，改為調節和控制大壩混凝土的體積變形，達到大壩防裂的目的。

2.3利用MgO水化所釋放的化學能來解決大壩溫控問題，打破了人們的傳統認識。MgO既是有害的物質，又是有利的物質，關鍵是掌握其規律性，興利除弊。我國組織多學科共同攻關，在唐明述等以及相關單位大量開發性的基礎理論和工程應用研究的基礎上[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的應用研究并順利通過了成果鑒定[4]，更加完善和豐富并發展了MgO混凝土筑壩技術。總之，經過近30年的全面、系統、深入的基礎理論和工程應用研究，我國已掌握了MgO的特性和規律，在MgO水泥的膨脹機理、變形性能、應力補償、施工工藝、均勻性控制、安定性試驗方法及標準、仿真設計程序、MgO材料品質質量、表面絕熱保溫及養護等方面，形成了一套完整的成熟的筑壩理論體系。至此，這項筑壩防裂新技術從1990年初開始，已陸續在我國10余個省近50個大中型水利水電工程中得到成功應用[5]，其中包括常規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、基礎墊層墊座、基礎深槽、填塘堵洞、導流洞封堵、閘壩工程、廠壩連接及導流底孔、壓力鋼管外圍回填等不同工程部位都應用了外摻MgO混凝土筑壩防裂新技術，并且都取得了成功也達到了預期效果。

3. 采用MgO混凝土筑壩的工程實例

3.1飛來峽水利樞紐工程。工程位于廣東省清遠市境內，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月在重力壩基礎約束區全面采用外摻MgO混凝土，在基礎約束區9m以內摻3.5%MgO，在9～12m過渡層內摻1.75%MgO。采用英德32.5號和廣州金羊42.5號水泥在機口外摻MgO，在擋水壩、溢流壩、廠房壩段和船閘等基礎約束部位共計澆筑外摻MgO混凝土16萬m3，施工中取消了傳統溫控措施，加快了施工進度。原體觀測結果表明，混凝土的最高溫度達到50.1℃，無應力計觀測的自生體積膨脹變形一般在（110～130）×10-6之間，其中多數是在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定在130×10-6。采用MgO膨脹混凝土施工，取代了傳統的大體積混凝土溫控措施，成功地解決了大壩基礎塊的開裂問題，并使工程縮短了1年工期，取得十分顯著的技術經濟效益。在全壩全斷面采用外摻MgO微膨脹混凝土筑壩技術，不分橫縫快速澆筑混凝土拱壩，這在國內外尚屬首例。長沙壩的成功實踐，為這項新技術在混凝土拱壩全面推廣應用積累了寶貴的實踐經驗。采用MgO混凝土筑拱壩的突出特點是：不分橫縫、分層通倉、連續快速全天候澆混凝土，以坯層臺階方式連續滾動推進，不埋冷卻水管，不需封拱灌漿的全新施工技術。徹底改變了傳統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輸兩者合二為一的施工方案。其后陸續采用同樣技術施工，貴州省水電院和貴州中水建設項目管理公司以總承包模式，在貴州省內成功修建了沙老河、三江、落腳河等7座拱壩，各工程的基本情況可參見表1。

4. 工程經濟效益淺析

4.1采用MgO混凝土，輔以其他適當的措施如表面保溫和養護（水套法及雨淋法）等，可以全部或部分取代傳統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，而且可以實現長塊、厚層、通倉連續（或短間歇）澆筑，可以全天候施工（夏季也是一個很好的施工季節），從而大大降低工程造價，簡化施工工藝，縮短工期，加快施工速度，因此，具有重大的技術經濟優勢和應用前景。據小水電站實例統計，工程提早發揮的效益，可獲得相當于壩體投資30%以上的經濟效益。

5. 結束語

（1）掌握溫度及溫度應力的變化規律，對于進行合理的結構設計、簡化溫控措施、保證工程質量意義重大。混凝土的材料特性是防真溫控設計及確定工程溫控措施不可缺少的依據，而且材料性能又直接影響到工程質量，因此應重視材料優化及其性能研究。MgO混凝土筑壩技術和外摻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中，值得大力推廣應用。

（2）外摻氧化鎂技術可用于有抗裂和防滲要求的地下工程、高層建筑基礎、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。采用復合型MgO材料對耐腐蝕、耐酸性、耐高溫能力更強，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膨脹材料應該在我國各系統得到廣泛宣傳推廣使用。

參考文獻

[1]朱伯芳、丁寶填，等.水工混凝土結構的溫度應力與溫度控制.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，1988，（4）.

[3]電力工業部、水利部水利水電規劃設計總院.氧化鎂混凝土筑壩技術文集[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應用研究成果總報告[R].2005.

[5]李承木，袁明道.外摻MgO微膨脹混凝土筑壩技術應用綜述[J].水利水電科技進展，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，學歷：工程碩士，職稱：高級工程師，主要從事水利水電工程設計及技術管理工作。endprint