外掺MgO混凝土性能及筑坝技术浅析

文明贡

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳550002)

传统混凝土拱坝采用分缝分块柱状浇筑的模式，存在温控过程繁杂、抗裂控制及封拱灌浆时机掌握困难等问题，且工程投资较高，严重影响了工程的建设周期。为此，探索新的混凝土拱坝的施工方法势在必行。经过近30年来的不断探索，新的混凝土拱坝筑坝技术应运而生，目前采用外掺MgO 微膨胀混凝土快速筑拱坝技术，大大简化了混凝土浇筑的温控措施，在科技进步和经济效益方面意义重大。

1 混凝土坝技术研究进展

现代混凝土拱坝技术始于20 世纪30年代，在此以前世界上建成的混凝土拱坝很少，且都是低坝，在施工过程中对混凝土没有任何控制，1930年后国内外开始注意混凝土拱坝的裂缝问题，并对大体积混凝土进行了全面的研究，主要有以下方面:在大体积混凝土中掺用混合材料、引气剂、减水剂等;对混凝土改性提高其耐久性;采用不分纵缝的通仓浇筑法、发展强力的平仓振捣设备、发展碾压混凝土及特种混凝土等。同时大体积混凝土技术也在不断革新，主要表现在:采用喷洒缓凝剂、高压水冲毛等处理施工缝;采用水化热较低的中热水泥、大坝水泥和低热膨胀水泥;广泛使用混凝土掺和剂和外加剂;采用大容量的运输机械和浇筑设备等。但这些革新还没有彻底摆脱传统的混凝土坝工技术模式，在缩短工期和降低造价方面难有更大的发展。70年代混凝土坝工技术发生了一次革命性的变化:采用碾压混凝土坝工技术，坝体断面尺寸与常规混凝土坝相似，但其水泥用量少，不设纵缝，不以模板形成横缝，使用机械化施工，节约模板工程量，减少缝面的处理范围，加快了建坝速度。

近年来我国尝试外掺MgO 微膨胀混凝土快速筑坝技术，也是对传统大体积混凝土坝工技术的革命。从20 世纪70年代白山拱坝采用内含MgO 水泥的混凝土进行筑坝以来，该筑坝技术己经历了30 a的发展。外掺MgO 混凝土筑坝技术在贵州省发展较快，现已建成7 座大坝。贵州省水利院牵头承担水利部“948”计划创新项目“全坝外掺氧化镁微膨胀混凝土快速建坝技术应用研究”，并于2011年制订了贵州省地方标准《全坝外掺氧化镁混凝土拱坝技术规范》(DB 52/T 720—2010)，基本形成了全坝外掺氧化镁混凝土拱坝的理论及技术体系，为该技术在国内的推广应用奠定了基础［1］。

2 掺MgO 微膨胀混凝土的研究历程

我国较早就开始掺MgO 混凝土的性能试验，20世纪70年代中期长江科学院刘崇熙等研制了钙矾石型低热微膨胀水泥，这种混凝土的弹性模量小、徐变度大，产生的补偿效果很小，故没有多大的实用价值，但引起了对微膨胀混凝土的重视。在“八五”攻关项目中，成勘院等单位先后对内含MgO 和外掺MgO 两类混凝土进行了长期的试验研究，取得了较为全面的数据成果，包括掺MgO 混凝土的物理力学、热学、安定性和耐久性等。数据表明:常温条件下掺MgO 混凝土的力学和变形性能比普通混凝土略有提高，但其基本规律没有发生明显变化;掺MgO 混凝土的徐变和极限拉伸值比普通混凝土大;MgO 对水泥水化热影响不大，对混凝土的绝热温升、导温、导热、比热容和热膨胀系数均无明显影响;掺MgO 混凝土的抗冻、抗渗和耐久性能优于普通混凝土;掺MgO 混凝土的自生体积变形与MgO 掺量、温度和龄期高度相关;MgO 混凝土长龄期的力学性质是安定的，微膨胀对混凝土长期力学性能的影响不大。

外掺MgO 混凝土的性能试验大多在室内，从试验结果看MgO 的掺量及品质、水泥型号、骨料大小、温度、约束条件等因素，对其自身体积变形有较大的影响，因此必须结合实际对掺MgO 混凝土进行现场试验，为实施提供可靠的参数。

3 外掺MgO 混凝土性能研究

3.1 热学性能

外掺MgO 混凝土的导温系数、导热系数和比热与普通混凝土基本一致，这是因为导温系数、导热系数和比热主要取决于混凝土的骨料，MgO 仅为添加剂，它的加入对混凝土的导温系数、导热系数和比热影响不大。

根据水化生成热试验和温升测试结果表明:外掺MgO 混凝土的水化生成热略有增加，其规律是随MgO 的掺量的增加而增大，且水化生成热的峰值出现的时间推迟，表明MgO 对水泥的凝结有一定的延缓作用。MgO 的掺量在5%以下时，外掺MgO 混凝土的水化生成热增长在3% ～5%以内，这主要是掺MgO 增加了胶材用量所致。掺MgO 混凝土的水化热随龄期增长而增大，前7 天增长速度较快，最终达到一定值，一般水化热与龄期可以用双曲线关系描述。

3.2 力学性能

外掺MgO 混凝土的强度比普通混凝土的强度有所提高，一般抗压强度可提高3% ～6%，90 天龄期的抗拉强度可提高10%左右。这主要是MgO 的膨胀作用使混凝土结构更加密实，外掺MgO 使单位胶材的用量增加，减少水灰比的结果。外掺MgO 混凝土的抗拉压强度随混凝土的试验龄期增加而增大，随MgO 的掺量增加而增大，外掺MgO 混凝土强度的增长幅值后期比前期大，如360 天龄期的抗压强度增长量约为28 天的1.6 倍。

外掺MgO 混凝土膨胀变形过程中受到外部约束，使混凝土结构本身的密实度增加，从而在一定程度上改善了混凝土的抗拉压强度，且强度的增长率随MgO 的掺量而变化。温度对外掺MgO 混凝土的抗拉压强度影响较大，随温度的升高抗拉压强度增大，特别是对有约束混凝土强度的影响更大。

外掺MgO 混凝土的弹性模量随龄期的延长而增加，随MgO 掺量的增加稍有提高，也随温度升高略有增加。为简化计算，一般可忽略MgO 掺量与温度对弹模的影响，认为外掺MgO 混凝土的弹模仅与混凝土的龄期相关。

3.3 自身体积变形

自身体积变形是指胶凝材料的水化作用引起混凝土的体积变形。外掺MgO 混凝土的自身体积变形是随MgO 掺量的增加而增大，随混凝土的龄期延长而增加。温度对膨胀速率及膨胀量的影响较大，其规律是随着温度的增高而自身体积变形增大，高温要比常温大几倍。通过试验:外掺MgO 混凝土的自身体积变形是稳定的，它既不会产生无限膨胀，又不会出现收缩现象，其长期膨胀变形总能趋于稳定，且膨胀变形对外掺MgO 混凝土长龄期的力学性能和热学性能影响不大。一般外掺MgO 混凝土的自身体积变形稳定时间为0.5 ～1 a。另外掺Mg0 混凝土的徐变度比普通混凝土的大，但其徐变规律与普通混凝土是一致的。

由于MgO 掺量的限制，自身体积变形值还不能完全满足混凝土的温度补偿要求，其安定掺量成为关注的课题。根据压蒸试验及自由膨胀等研究成果，MgO 的安定掺量可由现在的4%(安定性合格)适当提高到5% ～6%。

4 外掺MgO 微膨胀混凝土筑坝技术研究

外掺MgO 混凝土筑坝技术是利用MgO 混凝土产生的延迟性体积微膨胀补偿混凝土在温降过程中产生的收缩变形，以防止或减少混凝土由于温降产生的裂缝，可以取代或部份取代传统的温控措施，简化混凝土施工，加快了工程进度。通过对大坝设置诱导缝或少量横缝，结合MgO 的合理掺量，利用外掺MgO 混凝土自生体积的变形影响，达到混凝土大坝快速施工的目的。

采用该筑坝技术的拱坝枢纽布置应尽量减少施工干扰，便于混凝土连续快速施工。坝体不设纵缝，仅设置少量横缝或诱导缝。当坝体混凝土浇筑在一个低温季节完成时，宜分析全坝不设缝整体浇筑的可行性。中、高坝应对施工、蓄水过程进行温度场和应力场的模拟仿真分析，合理确定分缝方案和温控措施。横缝或诱导缝结构采用预制混凝土块成对组装形成，以适应坝体混凝土的快速浇筑。大坝浇筑完成后，根据诱导缝的变形和温度场变化情况，对其进行接缝灌浆。采用外掺MgO 混凝土，不宜完全取消传统温控措施，应根据各地区气温情况，采用必要的表面保温保湿措施或其他温控措施。

大坝混凝土中MgO 的掺量应根据工程设计需要的膨胀量和混凝土安定性合理确定，进行必要的混凝土配合比试验研究。当混凝土胶凝材料中氧化镁掺量超过5%时，应进行压蒸安定性试验。根据拱坝坝体不同部位的应力特性，MgO 掺量应有不同的分区，一般来说拱坝上部混凝土MgO 的掺量应大于下部。

外掺氧化镁必须拌合均匀，否则会导致膨胀不均匀破坏内部结构，降低混凝土质量。氧化镁的掺入形式有现场外掺和水泥厂共磨两种。氧化镁在现场外掺时，需延长拌和时间，应采用可以调节搅拌时间的搅拌机。当氧化镁在预定的水泥厂与水泥共磨时，可采用连续式搅拌机。现场外掺氧化镁拌和混凝土时，其均匀性应进行现场检测;对在水泥厂共磨掺和时，可不进行现场检测。

5 结 语

混凝土拱坝作为极具竞争力的坝型在水电工程中应用广泛，全坝外掺氧化镁混凝土拱坝将结构设计、结构材料、施工控制、安全监测等有机结合，其适应性强，温控措施简单，施工简便，建坝速度快，可使工程提前投入运行，因此在今后的工程建设中，应进行更深入的外掺MgO 混凝土筑坝材料试验研究，使这项技术更加完善，必然有广泛的推广应用前景。

［1］朱伯芳. 论微膨胀混凝土筑坝技术［J］. 水利发电学报，2000(03):4－16.