外掺MgO微膨胀混凝土筑坝技术在飞来峡大坝的应用.pdf

第 9期 2 0 1 3年 9月 广东水利水电 GUANGD0NG W ATER RES 0URCES AND HYDROPOW ER No 9 Se p 20 1 3 外掺 M g O微膨胀混凝土筑坝技术在飞来峡大坝的应用 声文畜 ( 广东省飞来峡水ft 4 枢纽管理处，广 东 清远5 1 1 8 2 5 ) 摘要：介绍了飞来峡水利枢C a- T - 程外掺 Mg O微膨胀混凝土溢流坝4 坝段的仿真计算、施工外掺 Mg O的质量控制及效 果、施工存在的问题及其解决办法。该技术的使 用，解决了飞来峡水利枢纽工程的大体积基础块开裂问题，同时采用 M g O混凝土比传统的温控措施具有较 大的经济效益 ，较 大程度地 降低造价 ，加大混凝 土施 工层厚 ，缩短 间隔时间 ，对加 快施工进度、缩短工期具有积极的意义。该新技术具有广阔的使用前景，可供读者参考。 关键词 ：M g O微膨胀 混凝 土；筑坝技术 ；飞来峡 大坝；应 用 中图分类号 ：T V 5 4 4 9 1 文献标志码 ：B 文章编号 ：1 0 0 8 0 1 1 2 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 0 5 00 4 1 概 述 飞来峡水利枢纽位于广东省北江中游清远市境 内， 是 以防洪为主，兼有航运、发电、供水 、旅游等综合 效益的水利工程。枢纽主体为混凝土重力坝形式 ，主 要建筑物有溢流坝、电站厂房 、船 闸、土坝、4座副 坝和社岗防护堤等 ，它的建成对捍卫广州及珠江三角 洲经济发达地区的安全具有极其重要意义。 Mg O微膨胀混凝土筑坝技术具有简化传统温控防 裂技术 、全天候通仓浇筑 、快速施工等主要特点 。该 技术主要包括两大部分 ：一是基础约束部位浇筑 Mg O 微膨胀混凝土，防止大坝基础贯穿裂缝 ；二是重视坝 面保温，防止混凝土坝表面裂缝。Mg O微膨胀混凝土 之所以能防止混凝土坝基础贯穿裂缝 ，是因为该混凝 土以方镁石为膨胀源，其膨胀变形具有延迟性 ，且大 部分膨胀变形发生在龄期 1 个月至半年左右 ，一年左 右趋于稳定 。此时混凝土弹性模量稳定 ，徐 变度小 ， 有效膨胀应变能大 ，且易于储存 这种变形和大体积 混凝土后期温度收缩变形过程相协调 ，从而对大体积 混凝土起到有效补偿 ，达到防止大坝基础出现贯穿性 裂缝的 目的。 大体积混凝土在施工过程 中容易 出现温度裂缝 ， 传统的方法是尽量降低混凝土的入仓温度 ，但效果并 不理想 。飞来峡水利枢纽工程地处清远市境 内，属于 亚热带地区，夏季气温高 ，且持续时间长。飞来峡水 利枢纽混凝土总方量约 1 0 0万 m 。混凝土坝坝段基础 面积大 ，其 中厂房坝段主机段基础面长为 7 5 5 m，单 机宽 为 2 1 m；溢 流 坝 段 基 础 面 长 为 3 0 m，宽 为 1 7 5 m。况且该工程具有基础混凝土面广、点散 、施 工时混凝土运距长( 最远达 1 5 k m) 等特点 ，如果不能 采取有效的温控措施 ，容易产生贯穿性或大量 的局部 裂缝。为解决浇筑基础约束 区大体积混凝土的温控防 裂问题 ，补偿温度应力 ，简化温控措施 ，加快工程进 度 ，结合有关工程应用外掺 Mg O微膨胀混凝土筑坝技 术取得的成功的经验 ，飞来峡水利枢纽工程成为采 用外掺 Mg O微膨胀混凝土筑坝技术 的又一大型工程。 2 Mg O微膨胀混凝土不稳定温度仿真计算 外掺 Mg O微膨胀混凝土主要是一种用以补偿温度 变形 、防止大坝基础贯穿性裂缝 出现 的措施 ，其膨胀 变形是一种化学变形 ，变形过程 中并不涉及热传导 问 题。因此 ，M g O微膨胀混凝土的使用不会改变混凝土 重力坝的温度状态及其发展过程，其温度分析仍遵循 热传导理论 。 2 1 大坝温度变化规津 飞来峡水利枢纽工程外掺 Mg O微膨胀混凝土溢流 坝 4 坝段长度与高度较接近 ，形状较规整 ，其仿真计 算剖面按对称矩形考虑。图 l 为计算模型的平面网格 剖分 图，每个浇筑层沿高度方 向划分 3个单元层，整 个计算模型共分 4 9 9个 四边形单元 、5 2 2个节点。各 部位材料特性见表 1 。 若 M g O混凝土浇筑温度超过一定温度时需采取相应 的措施，才能控制? 昆 凝土温度裂缝。飞来峡水利枢纽工 程溢流坝 Mg O微膨胀混凝土基本上在夏季高温季节浇筑。 收 稿 日期 ：2 0 1 3 0 5 2 8 ；修 回日期 ：2 0 1 3 0 7 0 4 作者简 介 ：卢文富( 1 9 7 9 ) ，男 ，本科 ，工程师 ，从事水工运行 管理 及大 坝安全监测管理T作 。 5 0 2 0 1 3年 9月 第 9期 卢 文富 ：外掺 Mg O微膨胀 混凝 土筑 坝技术在飞来峡大坝 的应用 N o 9 S e p 2 0 1 3 注 ：8= r ( 0 8 4+T ) ；为材料导温 系数 ；A为材料导热 系数 ；8为混凝 土水化热绝热温升；E为混凝 土弹性模量 。 图 1 计算模 型平面网格剖分 2 2大坝温度变化过程 图 2为溢流坝 4 段坝沿坝 中心各层的温度变化过 时IH3h i 图 2沿坝中心各层的温度变化过程线 1 )在大坝各浇筑块浇筑初期 ，受混凝土水化热温 升 的影响 ，各浇筑块温度迅 速上升 ，浇筑后 3 5 d坝 体温度达到第一个峰值 ，这也是混凝土坝各浇筑层在 整个过程中的最大温度 。然后受相邻浇筑层浇筑温度 及外界气温的影响 ，坝体温度逐渐下降 ，从第一个温 度峰值到第一个温度谷值，是整个过程中的最大温降， 也是引起混凝土重力坝坝体温度应力的主要荷载 。以 后混凝土重力坝坝体温度基本上 随外界气温 的周期性 变化而变化。 2 )坝 中心越接近坝体顶部 ，坝体温度受外界气温 影 响越大 ，温度变幅也越大。同时 ，由于坝体底部和 表 面距坝顶厚度不 同，造成坝体底部 和顶部温度不但 有变幅差 ，而且有峰值相位差，两者之间的相位差可达 半年之久 ，而越近坝顶 ，坝体温度变幅差和相位差越小。 3 )混凝土重 力坝 自混凝 土浇筑完毕 至大坝 蓄水 前 ，坝体温度主要受外界气温 的影响而变化 ，在变化 过程 中，混凝土初始浇筑温度及混凝土水化热温升的 作用逐渐消失 ，最后达到稳定温度。飞来峡水利枢纽 工程 由于地处亚热带地区 ，气温较炎热 ，多年平均气 温高达 2 1 6 o C，所 以溢流坝 4 坝段混凝土天然散热 过程较缓慢 ，经过 近 2年时间的散热 ，坝体 中心温度 尚未达到稳定温度 ，只有待大坝蓄水后 ，坝体受外界 水温的影 响而逐渐达到稳定温度 。 2 3 最高最低温度变化 图 3为坝体中心各层 的最高最低温度包络线 ，由 图 3可以看出：由于整个大坝均在夏季高温季节浇筑， 且混凝土浇筑层厚达 3 m，所 以坝体各层在坝 中心处 的最高温度也较大。另一方面 ，由于坝体 均匀等 间歇 上升，各浇筑层中心最高温度及达到最高温度 的时问 基本相同。图中坝体各浇筑层 中心处 的最低温度在表 层基本上为外界气温的最低温度 ，这是坝体表层温度 随外界气温周期性变化而变化的结果 ，而在基础部分 各浇筑层 ，由于大体积混凝土散热作用较缓慢 ，且 尚 未达到稳定温度 ，其中心最低温度约为 2 8 1。 勰 腹 图 3 沿坝 中心最大最小温度包络线 3外掺 Mg O混凝土施工 3 1 施工技术要求 1 )Mg O混凝土筑坝技术是利用 Mg O在水化过程 中的延迟微膨胀特性 、补偿大体积混凝土的降温收缩 温度应力 、防止产生裂缝的技术 。 2 )M g O混凝土筑坝技术包括两项内容 ：在基础约 束区浇注 Mg O混凝土及实行坝面保温 。 3 )Mg O混凝土筑坝施工必须符合 水工混凝土施 51 2 0 1 3年 9月 第 9期 广东水利水电 工规范( S O J 一 2 0 7 8 2 ) ，混凝土试验必须符合 水工 混凝土试验规程 的要求。 4 )Mg O混凝土的技 术关键是 Mg O水泥 、混凝土 的安定性和施工均匀性 ，必须严格控制。施工前须进 行安定性试验，确定 M g O安定掺量，施 二 中不得任意改 变，应随时检测 M g O的含量 ，定时统计分析其均匀性。 5 )混凝土表面应及时保温，防止表层裂缝 ，避免 因表层裂缝引发深层裂缝或贯穿性裂缝。 6 )Mg O混凝土 自生体积变形是温度应力补偿的重 要依据 ，应加强室内试验和原形观测。 7 )应进行 Mg O混凝土原形观测 ，以验证温度应 力补偿的实际效果 ，并监测 Mg O混凝土的附加拉应力 和变形。 3 2 Mg O砼浇筑部位及浇注时间 Mg O混凝土浇注部位为基础约束区，各建筑物在 约束区浇筑 M g O混凝土的厚度如表 2所示 。 表 2各建筑物 Mg O混凝土浇注厚度 1 )在 Mg O混凝土浇注区以上 ，浇注 1层过渡层 ， Mg O的掺量相应 减少一半 ，过渡层 以上浇注普 通混 凝土。 2 )停浇混凝土超过 1 个月的“ 差” 混凝土，继续向 上浇注时应 和基 础混凝 土一样 ，先 浇注一定厚 度 的 Mg O混凝土，其厚度要求同基础混凝土。 3 )Mg O混凝土浇注时间为每年 5月初至 1 0月末 ， 当超出此期 间 ，Mg O混凝 土未能浇 到表 2规定 的厚 度 ，应继续 浇注 Mg O混 凝土 ，直到达 到厚度要求 为 止 ，然后浇非 Mg O混凝土。在低温季节 ，基础约束区 可浇非 Mg O混凝土 j 。 4 存在 问题及处理措施 4 1 外掺 Mg O混凝土在施工中存在的问题 厂房 、航运 、混凝土坝工程 的基础约束 区采用外 掺 Mg O的微膨胀满足温控防裂要求 ，但从机 口及仓面 外掺 Mg O均匀性的抽样结果来看 ，M g O外掺率的离差 系数较大 ，均匀性较差。其 中，航 运工程 的均匀性最 好 ，混凝土坝工程次之 ，厂房工程最差 ，见表 3 、表 4、表 5 表 3 大坝混凝土 M g O均匀性检验 结果 4 2 Mg O均匀性 问题的防治措施及研究方向 针对 Mg O混凝土均匀性差 的问题 ，还应在施工上 和工艺上进行研究 ，采取可靠的措施。严格控制拌 和 时问 ，严格控制称量误差 ，同时 ，加强投料人员意识 ， 5 2 不能多投料 ，实践证明，外掺 Mg O混凝土施工 ，只要 方法妥当，严格要求把关 ，M g O的均匀性是可 以满足 的，如溢流坝 4 坝段 M g O( 3 5 ) 混凝 土部分作统计 见表 6，其均匀性属于良好等级 。 2 0 1 3年 9月 第 9期 广东水利水 电 表 6 溢流坝 4 坝段 M g O混凝土统计表 外掺 Mg O的均匀性 问题 ，跟采用袋装 、人工称量 分包投料有关 ，投料方式能否进一步研究改进 、能否 机械投放 ，或者制成溶液投放 ，这样 ，既解决 M g O的 均匀性问题 ，也解决人工长期在高尘环境下工作对人 身体构成一定危害问题。 5应用效果及推广意义 采用 Mg O微膨胀混凝土 ，辅以其他措施 ，取代 了 传统 的大体积混凝土温控措施 ，尽 管飞来峡工程部分 Mg O混凝土的离差系数较 大，均匀性较差 ，但从船 闸 混凝土完工至今 以及安装 间封 闭块完工至今 ，均未发 现基础有贯穿性裂缝 ，解决 了飞来 峡水利枢纽工程 的 大体积基础块开裂问题 ，同时采用 Mg O混凝土 比传统 的温控措施具有较大的经济效益 ，较大程度地降低造 价 ，加大混凝土施工层厚 ，缩短 间隔时间 ，对加快施 工进度 、缩短工期具有 积极 的意义。这种新技术将面 临广阔的使用前景。 由于 Mg O微膨胀混凝土筑坝技术对浇筑温度要求 较高 ，超过一定温度时还需采取相应 的措施 ，才 能控 制混凝土温度裂缝 。当外界气温下降 时，混凝土表 面 形成的温度梯度较大 ，这也是混凝土重力坝产生混凝 ( 上接第 4 9页) 从 图 3中结果可知 ，粉煤灰混凝土的抗氯离 子渗 透性能最好 ，氯离子渗透性 “ 低 ” ，其次是花 岗岩石粉 混凝土，而大理岩石粉混凝土及石灰岩石粉混凝 土抗 氯离 子渗 透 性能 最差 ，它 们 的 电通量 均在 2 0 0 0 3 0 0 0 C 之间，属于氯离子渗透性“ 中等” 。 混凝土抗氯离子渗透性能主要与混凝土中的孔 隙 率及孔径大小有关 。粉煤灰混凝土 由于其含有较 多的 活性 S i O 及 A 1 0 ，这些活性 物质参加 了二次水化 反 应 ，除使混凝土孔径细化从而阻止氯离子渗透外 ，还 生成较多的水化铝酸盐相及其衍生物 ，能够结合 更多 的 C l ，导致其抗氯离子渗透能力远高 于其它混凝 土。花岗岩粉颗粒分 布较广 ，填充孔 隙的作 用较好 ， 混 凝 土致 密 性 较 好 ，且其 含 有 的部分 活 性 S i O ，及 A 1 0 ， 参与了二 次水化反应 ，故 其抗氯离子渗透性 能 较好 。石灰岩石粉和大理石粉中含有一定量 的 C a C O ， 会与对氯离子有吸附作用 的铝酸盐矿物反应 J ，故其 抗氯离子渗透能力较差 。 土表面裂缝的主要原 因 。因此 大体积混凝土表面 保温是 Mg O微膨胀混凝土筑坝技术要特别重视的防裂 措施 。Mg O微膨胀混凝土 自生体 积变形等效荷载在基 础强约束区产生了较大的压应力对大体积混凝土温度 应力起到 了较大的补偿作用 ，从而有效地降低施工期 温度荷载产生 的拉应力 ，从而达到防止大坝基础贯穿 性裂缝出现的 目的。 参考文献 ： 1 卢文富外掺 Mg O混凝土技术专题报告 R 清远：广 东省飞来峡水利枢纽管理处 ，2 0 0 2 2 李承木氧化镁微膨胀混凝土的变形特性研究 J 水电 站设 计 ，1 9 9 0 ( 2 ) ：1 8 3 罗恒，庞先明，陈浩，等Mg O微膨胀混凝土拱坝安全 监测 J 贵州水力发电，2 0 0 7 ( 3 ) ：7 1 7 5 4 刘汉君坝美水电站工程外掺 Mg O混凝土不分横缝筑拱 坝表面保 温与 养护 J 甘肃 水利 水 电技术 ，2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 5 81 5 9 5 陈昌礼，李承木外掺 Mg O与水泥内含 Mg O在大体积混 凝土 中的膨胀效应 J 混凝土 ，2 0 0 9 ( 1 1 ) ：7 4 7 7 ( 本文责任编辑马克俊 ) 3结论 石灰岩石粉作混凝土掺合料 ，有利 于提高混凝 土 拌合物的扩展度 、塌落度 ，降低泌水 率，从而改善混 凝土的工作性能 ，可提高混凝 土的早期强度，且后期 强度也与粉煤灰混凝土相近 ，有利于提高混凝土的抗 碳化性能 ，但作为混凝土掺合料 ，其混凝土 的抗氯离 子渗透性能差于粉煤灰混凝土。 参考文献 ： 1 陆平 ，陆树标C a C O 对 c ， S 水 化的影响 J 硅酸盐学 报 ，1 9 8 7，1 5 ( 4 ) ：2 8 92 9 4 2 J C T 9 8 9 2 0 0 6非结构承载用石材胶粘剂 s 3 谢友均 ，马昆林 ，龙广成等矿物掺合料对混凝土中氯 离子渗透性 的影响 J 硅 酸盐学报，2 0 0 6 ，3 4( 1 1 ) ： 1 3 451 3 5 0 4 马烨红石灰石粉作混凝土矿物掺合料的研究 D 广 州 ：华南理工大学 ， 2 0 0 7 ( 本文责任编辑王瑞 兰) 5 3