高掺氧化镁混凝土在大河水库工程中的应用

李 成，丁访涛，秦 谢，梅亚斌

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002）

0 引言

混凝土拱坝的裂缝是工程界非常关心的问题，也是长期以来没有解决的问题。拱坝的裂缝会破坏坝体的整体性，对坝的安全性造成不利影响。一般拱坝的裂缝多数是由于坝体混凝土水化升温后的温降收缩受到约束而产生。

大河水库工程是坝高超过100 m的外掺MgO混凝土拱坝，坝体总浇筑方量约38万m3，工程存在任务重、工期紧、技术复杂等特点。若温控措施不到位，则极大影响着施工质量，使大坝在自身温度应力和外部环境的影响下随之产生裂纹，甚至产生贯穿性裂缝，导致混凝土坝渗水，破坏结构的整体性，进而影响工程的耐久性，甚至危及坝身或整个枢纽工程的安全。若温控措施太复杂，则极大影响着工程施工速度，不能发挥出碾压混凝土快速筑坝的特点。

大河水库工程若采用传统的解决拱坝裂缝的方法，即采取降低混凝土浇筑温度（降低料仓骨料温度、加冰拌和、降低运输过程中的温度），通水冷却、降低坝体内外温差等措施，则存在施工复杂、工期长的问题，不利于工程尽早发挥效益。

若采用MgO混凝土筑坝技术，该技术主要是通过利用MgO混凝土的延迟微膨胀变形补偿混凝土温降收缩变形，从而达到控制混凝土开裂的目的。该技术可以使传统混凝土坝的温控措施大部分甚至全部取消，大幅减少大河水库拱坝分缝，促使碾压混凝土的施工仓面更大，横缝预制模板、灌浆管、接触灌浆工程量等显著减少，显著提高施工速度，实现经济、快速的筑坝效果[1-2]。

氧化镁混凝土筑坝技术主要起源于国内工程实践，是国内外筑坝技术的重大创新和突破。

1 工程概况

都匀大河水库工程正常蓄水位891.5 m，总库容4 376万m3，年设计供水量6 438.2万m3，工程规模3等中型。大坝为碾压混凝土双曲拱坝，最大坝高105 m，坝顶高程898.00 m，坝顶中心弧长323.33 m，拱冠梁处顶厚6 m，底厚26 m。坝体采用“金包银”式防渗结构，主体为C9020三级配碾压混凝土，坝体材料分区从上游到下游依次为：C9020二级配变态混凝土（0.5 m）、C9020二级配碾压混凝土（2.0～5.5 m）、C9020三级配碾压混凝土、C9020三级配变态混凝土（0.5 m），大坝碾压混凝土及变态混凝土方量共约40万m3。坝体温控借鉴黄花寨碾压混凝土双曲拱坝（最大坝高108 m）成功的温控经验，采用全坝外掺MgO混凝土筑坝技术，并辅以分缝措施，以简化温控措施。

图1 大河水库碾压混凝土大坝BIM设计图

2 MgO混凝土作用机理

2.1 MgO混凝土的膨胀机理

MgO混凝土的膨胀是由于高温煅烧的方镁石（MgO晶体）水化生成的Mg(OH)2晶体膨胀，水化反应方程式如下：

MgO水泥结石的膨胀量取决于Mg(OH)2晶体的位置、尺寸和形貌，细小的、聚集在MgO颗粒表面附近的方镁石晶体能产生较大的膨胀，粗大的、分散在MgO颗粒周围较大区域内的方镁石晶体引起的膨胀较小。因此，MgO膨胀剂的质量与掺量对MgO水泥结石和混凝土的膨胀性能起着较大的作用[3]。

2.2 MgO混凝土自生体积变形

外掺MgO混凝土能在水利水电工程得以推广应用，主要在于它的自生体积膨胀变形可以有效补偿水工大体积混凝土的温降收缩。根据已有的试验研究和工程实践，外掺MgO混凝土的自生体积变形呈现良好的延迟微膨胀特性，其主要的膨胀量发生在7～180 d龄期之间，早期膨胀速率大，后期小，延迟膨胀变形过程与大体积混凝土温降收缩过程基本同步，后期的膨胀变形逐渐趋于稳定，混凝土的膨胀量可以部分甚至全部补偿温降收缩量[4]。

3 MgO混凝土筑坝的关键技术

3.1 选用比立窑更加先进的旋窑工艺生产的氧化镁膨胀剂材料

质量均匀、稳定的MgO膨胀剂是发展和推广应用MgO混凝土筑坝技术的关键，它直接影响混凝土的自生体积变形、应力补偿效果和温控措施。

相较立窑工艺，旋窑的入窑矿粒细，料粒在窑内不断翻滚并逐渐被击碎成小颗粒，煅烧温度较稳定且易调节，烧失量小，冷却极快，活性高，熟料质量均匀，膨胀性能更稳定。

3.2 100 m级高坝应用高掺MgO首例工程

MgO混凝土的膨胀量随着MgO掺量的增加而增大，且长期膨胀变形是稳定的。MgO混凝土筑坝要控制好MgO掺量，若掺量不足，则补偿收缩效果达不到要求；若掺量过大或不均匀，则会引起混凝土过度或不均匀膨胀，混凝土整体结构破坏[5]。

基于压蒸原理，按照既能适当提高碾压混凝土的MgO掺量、又能保障混凝土的性能不降低的原则，提出了一种确定碾压混凝土中MgO安定掺量的方法。大河拱坝从底部到顶面，坝体碾压混凝土中MgO外掺量为6.5%，突破了MgO掺量6.0%的限制，这是100 m级高坝应用高掺MgO首例工程。

根据DB 52/T 720—2010《全坝外掺氧化镁混凝土拱坝技术规范》，采用一级配混凝土试件压蒸法，在标准压蒸条件下，测定试件的压蒸膨胀率，以确定MgO极限掺量。压蒸试件的水胶比为0.5、灰砂比0.25、胶凝材料用量为200 kg/m3、粉煤灰掺量分别取55%、60%、65%，所用的砂、小石均为大河工地砂石料系统生产的合格品，水泥、粉煤灰、MgO膨胀剂分别为上述公司所生产，压蒸试验的结果如图2（F—粉煤灰）。

图2 一级配混凝土试件压蒸膨胀率变化曲线

由图2可以看出，试件的压蒸膨胀率随着粉煤灰掺量的增加而降低，即证实了粉煤灰对试件的压蒸膨胀变形具有明显的抑制作用。同时，以压蒸膨胀率为0.5%对应的MgO掺量为极限掺量，可以得出：一级配混凝土试件粉煤灰掺量为55%、60%、65%分别对应的MgO极限掺量为12.52%、12.95%、13.56%（采用拉格朗日插值法求得），由此说明试件的MgO极限掺量随着粉煤灰掺量的增加而升高。或者，以压蒸膨胀率变化曲线的拐点对应的MgO掺量作为混凝土中MgO的安定掺量，可以得出：一级配混凝土试件粉煤灰掺量为55%、60%、65%分别对应的MgO安定掺量为10%、11%、12%。综上，基于大河水库拱坝所使用的水泥、粉煤灰、砂、小石、MgO，在碾压混凝土中外掺5.5%～7.5%的MgO膨胀剂，是安定的。

在不同MgO掺量下，利用水泥、粉煤灰、砂、石、MgO、外加剂等成型的碾压混凝土的自生体积膨胀量在90 d龄期的自生体积变形值基本要达到50×10-6。

表1 DH系列碾压混凝土典型龄期的自生体积变形 /10-6

根据自生体积变形的要求，大河水库工程符合要求的二级配、三级配碾压混凝土现场试验推荐配合比，对应的MgO掺量都为6.5%。工程实践中达到了设计实验研究的掺量水平，混凝土的收缩补偿能力达到了设计期望。

3.3 加强混凝土生产各环节工艺流程施工技术控制

（1）高掺MgO碾压混凝土创新施工工法应用，保障MgO混凝土均匀性

与普通碾压混凝土生产系统相比，大河拱坝混凝土生产系统增加MgO储存、输送、计量与投料系统，并事先让MgO与水泥、粉煤灰的混合料在专门配置的高速搅拌桶中充分预拌10 s，再将MgO、水泥、粉煤灰的混合料与外加剂、水同时投至混凝土搅拌机中，与砂石骨料共同搅拌，以保障MgO在碾压混凝土中的均匀分布。称量采用全自动电子称量系统，称量误差小于1%，每拌和配料量显示在中控室的监视器上，实施监控，确保了MgO添加计量准确。

（2）采用多方案MgO混凝土运输及入仓方式，保证混凝土施工强度及碾压质量

1）793～830 m高程，采用自卸汽车直接运输入仓。在坝体底部高程，具备混凝土直接运输入仓条件。由自卸汽车在混凝土拌和楼接料后，自施工便道直接运输入仓。

2）830～898 m高程，非溢流坝段采用仓外自卸汽车+负压溜管+仓内自卸汽车运输。自卸汽车完成仓外运输并卸入设置于左坝肩的集料斗，然后由负压溜管完成垂直运输，再由自卸汽车在仓内接料并运至指定浇筑点卸料浇筑。负压溜管利用密闭的管状结构产生负压，负压通过柔性盖板调控混凝土下降速度，使混凝土拌和物安全缓慢下泄。此方案成功地解决了汽车入仓浇筑存在的入仓道路填筑频繁、冲洗轮胎费工费时、车轮带泥水污染仓面等问题。

图3 某高程负压溜管布置

3）884.27～898 m高程，溢流坝段采用自卸汽车+塔吊运输混凝土+仓内自卸汽车运输。自卸汽车在拌和楼接料后，完成坝体混凝土的仓外水平运输，再由塔吊垂直吊运入仓。适应垂直及水平变幅较大的坝体施工。

(3）大幅度减少拱坝横缝数量

根据贵州的几座MgO混凝土拱坝的实践，不能完全依靠MgO的自生体积变形来解决因温降产生的混凝土拉应力。相较坝体混凝土不掺MgO，大河水库拱坝大幅度减少拱坝横缝数量，实际仅设置了1条横缝及4条诱导缝。施工采用混凝土预制板成缝，既可埋设灌浆系统，也不影响快速筑坝。

4 结语

本工程是高掺MgO混凝土应用于100 m级拱坝的首例。在研究高掺MgO混凝土拱坝应力分布和高掺MgO混凝土性能的基础上，采用了高掺MgO混凝土配合比，MgO外掺量突破了6%的限制，实际掺量为6.5%。全坝仅分缝5条（含4条诱导缝、1条横缝），碾压混凝土施工时，在高温季节仍然不停工，且仅采取了仓面喷雾等简单的温控措施，未采用预冷骨料、加冰拌和混凝土、坝体内部预埋冷水管等常规温控措施，进一步简化了坝体混凝土的温控措施，实现了通仓、连续浇筑混凝土坝体的愿望。最快7 d浇筑一仓混凝土（坝体上升3 m）。最大月浇筑方量约28 704 m3。

计入节省的工程投资、机械设备使用费、材料费、人工费和提前供水产生的收益，采用高掺MgO碾压混凝土方案可较不掺MgO方案，除节省工期182 d外，还创造了经济效益3 746.72万元，达到了进一步加快施工进度、节省工程投资的目的。项目建成后，大大提高当地的防洪能力和人畜安全饮水保障能力，改善当地生态环境，社会效益明显。