李承木

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院科學(xué)研究所,四川成都 610072)

外摻氧化鎂混凝土快速筑壩技術(shù)綜述

李承木

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院科學(xué)研究所,四川成都 610072)

全面總結(jié)了外摻氧化鎂(MgO)混凝土快速筑壩技術(shù)的研究成果和工程經(jīng)驗(yàn),從基本理論、補(bǔ)償原理、實(shí)現(xiàn)方法和施工技術(shù)等方面系統(tǒng)論述了外摻MgO混凝土快速筑壩技術(shù)的特點(diǎn)以及與傳統(tǒng)柱狀澆筑法的主要差異;闡明了MgO膨脹劑的特性及膨脹機(jī)理;介紹了外摻MgO混凝土的基本物理力學(xué)與變形性能,自生體積變形的特點(diǎn)和規(guī)律以及對仿真計算的影響,工程應(yīng)用情況、應(yīng)用條件與經(jīng)濟(jì)效益等,指出了設(shè)計、施工、試驗(yàn)和均勻性快速檢測等工作中應(yīng)當(dāng)重視的問題。

外摻MgO混凝土;快速筑壩技術(shù);通倉快速澆筑;MgO膨脹劑;自生體積變形

混凝土壩的裂縫及其防治是工程界高度關(guān)注的課題?；炷翂谓ㄔO(shè)周期長、投資大、溫控復(fù)雜,傳統(tǒng)柱狀澆筑法各工種之間干擾大,很難做到快速施工。采用外摻氧化鎂(MgO)混凝土快速筑壩技術(shù),輔以其他適當(dāng)?shù)木C合性措施,可解決上述問題,真正實(shí)現(xiàn)快速施工。外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)來源于生產(chǎn)工程實(shí)踐,經(jīng)過了長期試驗(yàn)研究后提出,利用MgO材料水化所釋放的化學(xué)能來解決大壩溫控問題,突破了人們的傳統(tǒng)認(rèn)識。我國組織多學(xué)科共同攻關(guān),經(jīng)過30多年的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用研究,全面掌握了外摻MgO混凝土的物理力學(xué)性能及長期膨脹變形規(guī)律[1-2],在膨脹機(jī)理、變形性能、應(yīng)力補(bǔ)償理論、施工措施、均勻性控制及安定性試驗(yàn)方法等方面已形成了一套完整的筑壩理論體系[3],并在我國至少17個省50余個工程的不同部位得到應(yīng)用(其中全壩外摻MgO混凝土拱壩有14座)[4-5]且均獲得了成功。這是我國工程技術(shù)人員獨(dú)創(chuàng)的筑壩技術(shù),具有自主知識產(chǎn)權(quán),它是大體積混凝土施工的革命,在我國具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。本文主要論述外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)與傳統(tǒng)柱狀澆筑法之間的基本差異,著重從補(bǔ)償原理、基本方法、MgO材料特性及膨脹機(jī)理、外摻MgO混凝土的力學(xué)性能及膨脹變形規(guī)律、工程應(yīng)用情況、設(shè)計技術(shù)、施工方法、材料試驗(yàn)、壩體保溫、均勻性檢測等方面進(jìn)行系統(tǒng)的綜述,供工程界同行參考,以期共同推動這項(xiàng)技術(shù)不斷向前發(fā)展。

1 外摻MgO混凝土快速筑壩技術(shù)的特點(diǎn)

a.基本理論。利用MgO獨(dú)特的具有延遲性的微膨脹變形來補(bǔ)償混凝土壩的收縮和溫度變形,以防止產(chǎn)生裂縫。也就是利用MgO水化所釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,使混凝土產(chǎn)生自生體積膨脹,抵消其溫降過程的體積收縮,即利用外摻MgO混凝土的限制膨脹來補(bǔ)償混凝土的限制收縮,以達(dá)到大壩防裂的目的。最理想的膨脹發(fā)生時間應(yīng)在水化熱的最高溫升之后,在混凝土有顯著降溫之前產(chǎn)生(延遲性)膨脹。換句話說,就是造成一種預(yù)壓應(yīng)力抵消混凝土冷卻時產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

b.防裂原理。傳統(tǒng)混凝土筑壩方法采取多種溫控措施來控制筑壩過程的溫差,盡可能降低入倉澆筑溫度,使溫度產(chǎn)生的拉應(yīng)力控制在混凝土允許的范圍內(nèi);而外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)則是把過去傳統(tǒng)的預(yù)冷措施改為調(diào)節(jié)控制大壩混凝土的體積變形,以達(dá)到大壩防裂的目的。

c.實(shí)現(xiàn)方法。外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)是通過在生產(chǎn)大壩混凝土?xí)r加入適量的、特制的輕燒MgO來實(shí)現(xiàn)的。這個摻量必須滿足壓蒸安定性合格標(biāo)準(zhǔn),盡可能達(dá)到溫控設(shè)計的膨脹量。通過外摻MgO和優(yōu)選水泥品種,并加強(qiáng)大壩表面保溫,可以得到比較理想的自生體積膨脹變形過程線。

d.施工技術(shù)。傳統(tǒng)的筑拱壩施工方法需分縫分塊、柱狀薄層澆筑,需采取封拱灌漿等既不經(jīng)濟(jì)又十分復(fù)雜的施工工藝,各種工序之間互相干擾大,溫控費(fèi)用昂貴(通常為工程總投資的4％～6％),很難做到快速施工。外摻MgO混凝土筑拱壩施工方法不分橫縫(或設(shè)少量誘導(dǎo)縫,以釋放過大超標(biāo)拉應(yīng)力),分層通倉澆筑,以臺階法連續(xù)滾動推進(jìn),不埋冷卻水管,不需封拱灌漿,可全天候施工(夏季也是很好的施工季節(jié)),這就極大地加快了施工速度,可實(shí)現(xiàn)快速施工。外摻MgO混凝土筑壩方法與常規(guī)方法大體相同,主要施工設(shè)備基本一致,無需增加專用施工機(jī)械設(shè)備,一般多采用垂直與水平運(yùn)輸合二為一的施工方案,二者的主要區(qū)別[6]在于:①為了確保均勻,拌和時間需延長1～2 min;②通倉連續(xù)快速澆筑的強(qiáng)度稍大,需要適當(dāng)增大拌和能力(即為常規(guī)的1.5倍);③要求有一個稱量準(zhǔn)確、快速投料、拌和均勻、卸混凝土拌和物靈活迅速的混凝土拌和系統(tǒng);④要有足夠的拌和能力、運(yùn)輸能力、吊運(yùn)能力、澆搗能力和完善及時的材料供應(yīng)保證體系;⑤進(jìn)行混凝土施工配合比試驗(yàn)時,應(yīng)做MgO水泥的壓蒸安定性試驗(yàn),通過壓蒸試驗(yàn)來設(shè)計MgO摻量,增加自生體積變形試驗(yàn)并考慮溫度的影響。

e.使用條件?；疽笫峭鈸組gO后水泥的標(biāo)號不降低,壓蒸安定性合格。有約束條件的工程部位均可使用該技術(shù)。在全國各地全面推廣使用還應(yīng)滿足溫度應(yīng)力應(yīng)變補(bǔ)償條件[7],當(dāng)混凝土自生體積膨脹變形量達(dá)到150×10-6～200×10-6(華南地區(qū)達(dá)100×10-6)時,方可省去預(yù)冷骨料和冷卻水管,即可采用外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)實(shí)行通倉快速澆筑。

2 MgO膨脹劑的基本性能及膨脹機(jī)理

a.南京化工學(xué)院唐明述等的長期研究結(jié)果表明,外摻輕燒MgO的摻量、膨脹量、膨脹速率、膨脹過程、膨脹終止時間都是可調(diào)控的[3]。通過調(diào)控煅燒溫度、保溫時間、晶體尺寸、顆粒粒度來控制其水化速率和膨脹量,用活性指標(biāo)、CaO含量、燒失量來評定MgO的質(zhì)量。MgO膨脹劑的膨脹能力與MgO的存在形態(tài)有關(guān)(即固溶體與玻璃體不膨脹,方鎂石晶體才產(chǎn)生膨脹),而晶體形態(tài)又與煅燒工藝有著極密切的關(guān)系。大量試驗(yàn)研究表明:燒成溫度越高,方鎂石水化速率越慢,但MgO含量會提高。仔細(xì)調(diào)溫可控制晶體尺寸,高溫下保溫時間長,晶體尺寸大,高溫水化速率快,膨脹量大,常溫水化速率慢則膨脹量小;反之保溫時間短,晶體尺寸小,其活性大,水化速率快,膨脹量大。冷卻速率影響結(jié)晶形態(tài),急冷形成的方鎂石結(jié)晶體多,水化膨脹量大;慢冷則形成的結(jié)晶體少,對膨脹不利。MgO顆粒越粗,常溫水化速率越慢,高溫水化速率越快,膨脹量越大;MgO顆粒越細(xì),分布越均勻,其膨脹量就越小且較早趨于穩(wěn)定。通常MgO摻量高,膨脹量大;環(huán)境養(yǎng)護(hù)溫度高、水化速率快,膨脹量大。CaO含量會影響早期膨脹速率,對壓蒸膨脹率也有影響(使其壓蒸率偏大)。煅燒溫度低于900℃燒成的MgO材料的活性太高,水化膨脹反應(yīng)速率過快;高于1200℃燒成的MgO材料的水化膨脹反應(yīng)速率就非常慢;超過1600℃燒成的MgO材料在常溫下就幾乎沒有水化反應(yīng)。

b.影響膨脹性能的因素較多,除MgO材料的膨脹特性外[8-9],水泥品種質(zhì)量與儲存時間、混合材料種類與摻量、MgO摻入方式與摻量、骨料級配與膠材用量、外加劑品種及摻量、水泥中游離氧化鈣(fCaO)含量等因素對膨脹性能均有影響,水泥中游離氧化鈣含量對壓蒸膨脹率的影響也較大。研究表明,回轉(zhuǎn)窯產(chǎn)品的性能質(zhì)量、膨脹量及穩(wěn)定性均優(yōu)于反射窯產(chǎn)品。使用時要求外摻MgO水泥的標(biāo)號不降低,MgO分布要均勻,壓蒸安定性必須合格,有良好限制條件的工程均可應(yīng)用。MgO膨脹材料很容易受潮,一定要采取防潮措施,必須做好儲存期間的防潮工作。

c.大量試驗(yàn)研究結(jié)果[10-11]表明,MgO材料完全水化膨脹必須有足夠高的溫度(≥200℃)和壓力(≥1.5 MPa)條件,否則在短時間內(nèi)不可能使其完全水化膨脹,更無法確定MgO的極限安全摻量。壓蒸膨脹率通常用來評估MgO的極限膨脹能力,壓蒸試驗(yàn)是檢驗(yàn)外摻MgO混凝土體積安定性的唯一方法[12-13],其他試驗(yàn)方法(包括沸煮法、長度法等)均不適用于MgO膨脹材料的固有特性。

d.大量試驗(yàn)研究和原體觀測結(jié)果表明,MgO膨脹劑的膨脹速率在水化3～30 d期間最大,其膨脹量的70％發(fā)生在7 d齡期之后,一般在1 a之后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)環(huán)境溫度突變時其膨脹量不會降低,MgO混凝土抵御寒潮的能力強(qiáng)于普通混凝土[14]。MgO的水化產(chǎn)物穩(wěn)定性強(qiáng),它的溶解度極小(氫氧化鈣的溶解度要比氫氧化鎂的溶解度大205 倍)[3]。試驗(yàn)表明,MgO膨脹劑不溶于水,在水中呈懸浮狀態(tài)。以純MgO作膠凝材料所做的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可達(dá)9.0MPa,相當(dāng)于52.5號水泥膠砂強(qiáng)度的1/6,在使用時應(yīng)注意這種影響。MgO在低溫7℃時也能夠產(chǎn)生膨脹,但水化速率極慢,其膨脹過程線3周之后才出現(xiàn)正的膨脹值[15],該結(jié)果消除了人們對MgO在低溫條件下能否膨脹的疑慮。

e.MgO的膨脹機(jī)理在于MgO水化時水鎂石晶體的生成和生長發(fā)育[16]。膨脹量主要取決于生成的水鎂石晶體的尺寸、形貌和存在的位置,即細(xì)小(塊狀和短柱狀)的聚集在MgO顆粒表面附近的水鎂石晶體能產(chǎn)生較大的膨脹;粗大(針狀或長柱狀)的分散在MgO顆粒周圍較大區(qū)域內(nèi)的水鎂石晶體引起的膨脹較小;堿能促進(jìn)膨脹,對膨脹量有影響。膨脹能來自于水鎂石晶體的腫脹力和結(jié)晶生長壓力,即在水化早期,漿體的膨脹主要起因于極細(xì)小的水鎂石晶體的吸水腫脹力;隨著晶體的長大,晶體的結(jié)晶生長壓力對漿體的膨脹起主導(dǎo)作用。摻混合材料對MgO的水化膨脹具有抑制作用,即漿體孔隙液堿度降低和結(jié)構(gòu)多孔的共同作用使得MgO水化產(chǎn)生的膨脹較小。

3 外摻MgO混凝土的物理力學(xué)及變形性能

3.1 基本物理力學(xué)性能

經(jīng)過30多年的全面系統(tǒng)試驗(yàn)研究[2],結(jié)果表明外摻MgO混凝土的力學(xué)、熱學(xué)、變形、耐久性等性能都優(yōu)于普通混凝土。相比普通混凝土,外摻MgO混凝土的徐變和極限拉伸值增大,一般可增大20％以上,干縮率可減小20％左右,其力學(xué)強(qiáng)度可提高10％ ～15％。長期耐久性能也優(yōu)于普通混凝土,抗凍、抗?jié)B、抗沖磨、抗侵蝕、抗碳化等能力都比普通混凝土有較大提高。實(shí)踐證明,外摻MgO膨脹劑是提高大壩混凝土的抗裂防滲能力、提高密實(shí)度、增強(qiáng)耐久性能的最理想的膨脹材料。外摻MgO膨脹劑對混凝土的各項(xiàng)熱學(xué)性能的影響不大,不同試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)溫度對外摻MgO混凝土的基本力學(xué)性能有一定的影響[17]。

3.2 長齡期的力學(xué)性能

a.筆者用12 a齡期的內(nèi)含MgO混凝土徐變試驗(yàn)的對比試件,加工制作成標(biāo)準(zhǔn)試件后,測得的(不同齡期的)抗壓強(qiáng)度和彈性模量均無明顯降低現(xiàn)象[2];白山大壩安檢時,鉆孔取芯樣后所測20 a齡期的MgO混凝土抗壓強(qiáng)度比施工時期的強(qiáng)度提高了16.7％,其芯樣動彈性模量的均值為39.1 GPa,而抗壓彈性模量的均值為37.0 GPa,兩者相近,說明試驗(yàn)結(jié)果可信[18];廣東長沙拱壩安檢時鉆孔取芯樣的試驗(yàn)結(jié)果,5～6 a齡期的抗壓強(qiáng)度在40～45 MPa之間,比施工時期的強(qiáng)度提高18.0％以上。上述試驗(yàn)結(jié)果表明,MgO混凝土的長期力學(xué)性能是安定的,微膨脹對混凝土力學(xué)性能的影響不大。

b.有關(guān)研究[2]表明,當(dāng)自生體積變形在150× 10-6～250×10-6時外摻MgO混凝土的強(qiáng)度最高;當(dāng)自生體積變形在250×10-6～300×10-6時強(qiáng)度開始下降;達(dá)到500×10-6時強(qiáng)度才開始急劇下降。由于水工混凝土要求補(bǔ)償?shù)奈?yīng)變量一般較小(150×10-6～200×10-6),所以不會有強(qiáng)度降低現(xiàn)象產(chǎn)生。

3.3 自生體積變形的基本特性

a.外摻MgO混凝土自生體積膨脹變形具有延遲性和長期穩(wěn)定性,即主要膨脹量均發(fā)生在水化熱最高溫升之后混凝土顯著的降溫收縮期間,其后期的膨脹變形逐漸趨于長期穩(wěn)定狀態(tài),不會發(fā)生無限膨脹[19]。

b.外摻MgO混凝土的自生體積膨脹是一種不可逆的變形,因?yàn)槭荕gO水化所釋放的化學(xué)能所致,所以這種隨著齡期和溫度增加而增大的膨脹變形是永久性的。

c.外摻MgO混凝土的自生體積變形與環(huán)境濕度基本無關(guān),即只要MgO水化膨脹完成就不再受外界環(huán)境濕度變化的影響;但它受溫度影響較大,即溫度越高膨脹量越大,不同溫度下的自生體積變形的最終穩(wěn)定值各異[20]。MgO在低溫下也能產(chǎn)生膨脹,但在低溫時的水化膨脹反應(yīng)速率要遲緩得多。

d.外摻MgO混凝土自生體積的長期膨脹變形是很穩(wěn)定的,因?yàn)橥鈸降氖翘刂频妮p燒MgO,所以不會產(chǎn)生二次膨脹,其長期力學(xué)及變形性能既是安定的又是穩(wěn)定的。

e.補(bǔ)償應(yīng)力長期穩(wěn)定,它是利用外摻MgO混凝土的限制膨脹來補(bǔ)償混凝土的限制收縮,由化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,所以這種自應(yīng)力補(bǔ)償是極為穩(wěn)定的。

f.外摻MgO混凝土自生體積變形是仿真分析計算中不可缺少的重要資料,它對溫度徐變應(yīng)力的影響較大,如不考慮自生體積變形計算得到的應(yīng)力最大;考慮自生體積變形但不考慮溫度對自生體積變形影響計算得到的應(yīng)力居中;既考慮自生體積變形又考慮溫度的影響計算得到的應(yīng)力最小,而且真實(shí);所以在仿真分析時,必須考慮自生體積變形與溫度變化的影響,否則計算結(jié)果會失真。通常外摻MgO混凝土的自生體積變形量11×10-6～12×10-6即可以得到0.1MPa的壓應(yīng)力[14]。

g.外摻MgO混凝土自生體積變形的膨脹量還與MgO摻量、環(huán)境溫度、混合材料種類與摻量等諸多因素有關(guān)。研究[21-22]表明,MgO摻量每增減1％,自生體積變形大致增減20×10-6～25×10-6;自生體積變形的溫度效應(yīng)明顯,溫度每增減10℃時,自生體積變形可增減30×10-6～35×10-6。當(dāng)粉煤灰摻量在30％(或35％)以內(nèi)時對自生體積變形影響不大,隨其摻量增加自生體積變形還稍有增大;當(dāng)摻量超過40％時,自生體積變形才明顯減小。從粉煤灰抑制水泥砂漿變形的規(guī)律看,在相同試驗(yàn)條件下,當(dāng)粉煤灰摻量在40％以內(nèi)變化,MgO摻量為4％和6％時,砂漿試件的膨脹變形量卻非常接近,變形曲線的斜率一致,過程線幾乎重合,不同MgO摻量的膨脹變形規(guī)律完全相同[22];與不摻粉煤灰相比,各組試件的膨脹變形降低率都在36.8％～44.7％之間,總平均降低率為40.2％,這表明摻粉煤灰對MgO膨脹確實(shí)有抑制作用,同時還說明,粉煤灰摻量的變化對水泥砂漿試件膨脹變形的影響不明顯,其敏感度減弱,摻量越大敏感度越低,所以變形降低率均在40％左右。從壓蒸試驗(yàn)結(jié)果看規(guī)律性更明顯[23],當(dāng)粉煤灰摻量在10％～35％時,砂漿試件壓蒸膨脹率在0.52％～0.48％之間;當(dāng)摻量在40％～65％ 時,壓蒸膨脹率則在0.22％～0.21％之間,可見粉煤灰摻量影響變形顯著的界限是35％。摻礦渣比摻粉煤灰對外摻MgO混凝土自生體積變形的影響要小。

4 外摻MgO混凝土工程應(yīng)用情況

外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)已在我國廣泛應(yīng)用于填塘堵洞、導(dǎo)流洞封堵、大壩基礎(chǔ)處理、重力壩體底部強(qiáng)約束區(qū)、高壓管道外圍回填、碾壓混凝土壩的墊層墊座及上游防滲體、防滲面板、拱壩全壩外摻MgO等50余個大中型水利水電工程的不同部位,并且均獲得了成功[4-5,24]。從地域看,已在我國廣東、四川、貴州等17個省的不同氣候條件下成功使用;有在冬季、夏季施工的,也有跨季節(jié)施工的;工程量從不足1萬m3到近30萬m3;施工工藝有常態(tài)混凝土臺階法和碾壓混凝土通倉澆筑法兩種;壩型有重力壩、拱壩、面板堆石壩等;MgO摻量從3.5％～6.5％,其膨脹量多在120×10-6～240×10-6之間(目前使用內(nèi)含MgO水泥的碾壓混凝土在50×10-6以上),均取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

5 外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益

采用外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)能真正做到快速施工,可實(shí)現(xiàn)長塊、厚層、通倉連續(xù)(或短間歇)澆筑,不分橫縫,不埋冷卻水管,不需封拱灌漿,可全天候施工,極大地提高了施工速度,從而可縮短工期,降低造價,加快我國水力資源開發(fā)和水利水電工程建設(shè)步伐,能獲得巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[5]。實(shí)踐證明,發(fā)電站裝機(jī)容量越大,工程經(jīng)濟(jì)效益就越顯著,如某高拱壩,電站裝機(jī)為420萬kW,若在壩基36 m強(qiáng)約束區(qū)采用MgO混凝土快速施工,至少可提前1a發(fā)電,預(yù)計可獲得綜合經(jīng)濟(jì)效益近百億元。

6 設(shè)計、試驗(yàn)和施工中應(yīng)重視的問題

通過不斷總結(jié)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在設(shè)計、施工和試驗(yàn)中除應(yīng)遵循已有規(guī)程規(guī)范(WJM:0035—1994《水利水電工程輕燒氧化鎂材料品質(zhì)技術(shù)要求》、WJM: 0023—1995《氧化鎂微膨脹混凝土筑壩技術(shù)暫行規(guī)定》、DB44/T 703—2010《外摻氧化鎂混凝土不分橫縫拱壩技術(shù)導(dǎo)則》、DB52/T720—2010《全壩外摻氧化鎂混凝土拱壩技術(shù)規(guī)范》)相關(guān)規(guī)定和要求外,還要特別重視以下問題:

6.1 設(shè)計方面

常規(guī)柱狀澆筑法與整體通倉澆筑法在設(shè)計上的最大差別是對施工期的混凝土水化熱溫度荷載的處理:①設(shè)計計算方法上,常規(guī)柱狀澆筑法在封拱前的溫度荷載,僅對各自壩塊產(chǎn)生變形與應(yīng)力,不參加拱梁分載法的變位調(diào)整;而整體通倉澆筑法的溫度荷載要參加拱梁分載法的變位調(diào)整;②溫度應(yīng)力控制指標(biāo)的含義不同,常規(guī)柱狀澆筑法溫度應(yīng)力的控制按σ≤εpEc/kf確定(εp為混凝土的極限拉伸值; Ec為混凝土的彈性模量;kf為安全系數(shù)),整體通倉澆筑法的溫度應(yīng)力控制指標(biāo)應(yīng)包括施工期的溫度影響。除對溫度荷載的處理不同外,兩種方法的不同點(diǎn)還體現(xiàn)在外摻MgO混凝土自生體積膨脹變形的影響上,它貫穿施工期、運(yùn)行期整個過程,設(shè)計時必須考慮這種影響。此外,在設(shè)計理念上也有創(chuàng)新:從傳統(tǒng)的控制設(shè)計工況、參數(shù)的設(shè)計方法,發(fā)展到考慮動態(tài)因素的仿真分析設(shè)計來確定拱壩布置、體形方案和施工澆筑方案等。設(shè)計實(shí)例可參考DB44/T 703—2010《外摻氧化鎂混凝土不分橫縫拱壩技術(shù)導(dǎo)則》中的計算方法部分。

6.2 試驗(yàn)方面

外摻MgO混凝土材料試驗(yàn)是實(shí)施外摻MgO混凝土快速筑壩技術(shù)的基礎(chǔ),必須提前進(jìn)行。應(yīng)高度重視以下問題:①優(yōu)選水泥品種及各種原材料;②優(yōu)選設(shè)計混凝土的施工配合比,目的是要配制出抗拉強(qiáng)度高、變形能力較強(qiáng)、絕熱溫升較低的低彈高強(qiáng)混凝土;③必須進(jìn)行壓蒸試驗(yàn),可參照規(guī)范DB44/T 703—2010或DB52/T 720—2010進(jìn)行試驗(yàn);④必須進(jìn)行混凝土自生體積變形試驗(yàn)(應(yīng)考慮不同溫度的影響);⑤提出滿足溫控設(shè)計要求的自生體積變形膨脹量和相應(yīng)的MgO膨脹劑的安全摻量。

6.3 施工方面

①外摻MgO混凝土快速筑壩技術(shù)實(shí)行通倉連續(xù)快速澆筑混凝土,因此必須選擇高質(zhì)量的機(jī)械設(shè)備,要能夠承受高強(qiáng)度運(yùn)行工藝要求;②必須保證外摻MgO的均勻性,以確保混凝土體積安定性和長期運(yùn)行安全性,實(shí)現(xiàn)設(shè)計要求的膨脹補(bǔ)償效應(yīng),外摻MgO混凝土均勻性質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以機(jī)口指標(biāo)為準(zhǔn);③除滿足補(bǔ)償膨脹量外,在抗裂能力上要求優(yōu)于常規(guī)混凝土,應(yīng)采取綜合措施,優(yōu)化施工混凝土配合比;④壩體溫度場影響膨脹量,所以要強(qiáng)調(diào)保溫、保濕和養(yǎng)護(hù)工作的重要性,以減小內(nèi)外溫差,防止表面裂縫或貫穿性裂縫,預(yù)防寒潮襲擊時產(chǎn)生過大的溫度梯度而導(dǎo)致混凝土降溫速度減慢,從而有利于充分發(fā)揮膨脹補(bǔ)償作用;⑤必須嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量和準(zhǔn)確的拌和時間(不少于4 min)及穩(wěn)定的坍落度(3～5 cm),必須先平倉后振搗。施工中必須建立質(zhì)量保證體系,尤其要特別重視加強(qiáng)適時監(jiān)控管理,對混凝土拌制、運(yùn)輸、澆搗等全過程進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制管理。要充分認(rèn)識到施工是關(guān)鍵,這都是確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵所在,要做到精心組織、精密施工。

6.4 MgO的外摻方式及均勻性

膨脹水泥的制備目前主要是通過內(nèi)含和外摻兩種方法來實(shí)現(xiàn)的。

6.4.1 內(nèi)含高鎂水泥

在有高鎂石灰石或白云石礦源的水泥廠,有條件采用礦渣或鋼渣配料并摻擴(kuò)化劑后,適當(dāng)調(diào)整煅燒溫度和配方時,可提高生料中的MgO含量,直接燒制成高含氧化鎂的水泥,MgO摻量可在5％以內(nèi),經(jīng)過壓蒸試驗(yàn)合格可放寬到6％。采用這種方法可改變水泥的性質(zhì),有一定的膨脹量但較小,它解決不了溫控問題。由于原材料的均勻性難控制,水泥產(chǎn)品的穩(wěn)定性可能較差。

6.4.2 外摻MgO水泥

可在工地拌和樓機(jī)口外摻MgO,也可在水泥廠外摻MgO。

a.工地拌和樓機(jī)口外摻MgO可分為干摻與水摻、內(nèi)摻與外摻。為了確保均勻性及準(zhǔn)確可靠,最好配備配制機(jī)具和自動化控制系統(tǒng),必須加強(qiáng)適時監(jiān)控管理。

b.在水泥廠外摻MgO可分為共磨法和共混法兩種。①共磨法按設(shè)計摻量將MgO半成品和水泥熟料一起入磨共同粉磨成高含MgO的水泥。大型工程采用水泥廠外摻優(yōu)于在工地外摻,優(yōu)點(diǎn)是摻量準(zhǔn)確、可靠、均勻性好,是確保產(chǎn)品質(zhì)量的有效方法,又可大大減輕施工現(xiàn)場的工作量。②共混法采用粉狀合格的MgO產(chǎn)品與水泥產(chǎn)品一起投入混和機(jī)共同混合成高鎂水泥,可在水泥廠混和,也可在工地混和。該方法能保證MgO材料的粒度不變化,但要確保其均勻性較難。

c.采用外摻法均要求水泥中的MgO含量越低越好(＜1％或＜1.5％),需要強(qiáng)調(diào)的是一律不用疊加法(即不計水泥中的MgO),其標(biāo)準(zhǔn)均以自生體積變形量為準(zhǔn)。

6.4.3 外摻MgO的均勻性

應(yīng)建立儲存MgO材料的干燥庫,在采用機(jī)具外摻自動化控制條件下,必須建立和健全質(zhì)量保證體系,加強(qiáng)適時巡視監(jiān)控管理。制定具體保證措施,要求稱量準(zhǔn)確、靈敏,摻入準(zhǔn)確,每班必須校核計量系統(tǒng),嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)定拌和時間(一般4～5min),這是確保拌和均勻的關(guān)鍵。

可參照規(guī)范DB52/T720—2010中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行MgO均勻性的快速檢測。外摻MgO混凝土均勻性質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以機(jī)口指標(biāo)為準(zhǔn),倉面澆筑層少量的驗(yàn)證均勻性檢測還是需要的,可取少量幾組作驗(yàn)證性檢測(共磨法可省去此項(xiàng)工作)。

6.5 MgO膨脹劑的質(zhì)量

a.MgO膨脹劑的質(zhì)量按WJM:0035—1994《水利水電工程輕燒氧化鎂材料品質(zhì)技術(shù)要求》的規(guī)定控制。具體物化指標(biāo)為:①M(fèi)gO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)大于或等于90％;②活性指標(biāo)為(240±20)s;③CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2％;④細(xì)度180孔目/in(0.080mm標(biāo)準(zhǔn)篩, 1 in=2.54 cm),篩余量小于或等于3％(即0.06～0.08 mm,對應(yīng)250～180目);⑤燒失量小于或等于4％;⑥SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4％。煅燒溫度為(1100± 50)℃,保溫時間為0.5 h。

b.關(guān)于生產(chǎn)廠家的要求:①應(yīng)采用部定點(diǎn)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品(如遼寧海城析木鎮(zhèn)東方滑鎂公司),不得用非定點(diǎn)廠家產(chǎn)品;②應(yīng)采用規(guī)模大的廠家產(chǎn)品(如遼寧海城牌樓鎮(zhèn)牌樓鎂礦公司,規(guī)模大,產(chǎn)品多,技術(shù)力量強(qiáng),目前出口的非水工用產(chǎn)品的活性指標(biāo)為224s,MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于91％,細(xì)度300目的占95％以上,具有開發(fā)價值);③若將旋窯與立窯產(chǎn)品比較,旋窯入窯礦粒小、煅燒均勻、溫度控制準(zhǔn)確,產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和膨脹量均優(yōu)于立窯產(chǎn)品;④從總結(jié)工程應(yīng)用效果看,需繼續(xù)深入MgO膨脹材料的研究工作,設(shè)法使其膨脹性能完全滿足水工混凝土的要求[24]。

7 結(jié) 語

本文通過對外摻MgO混凝土快速筑壩技術(shù)的基本理論、補(bǔ)償原理、實(shí)現(xiàn)方法及施工技術(shù)等方面的對比分析,論述了外摻MgO混凝土快速筑壩技術(shù)的特點(diǎn)以及該技術(shù)與傳統(tǒng)柱狀法的主要區(qū)別,并指出在設(shè)計、施工、試驗(yàn)、壩體保溫和均勻性快速檢測等工作中應(yīng)當(dāng)重視的問題。通過總結(jié)大量研究結(jié)果,闡明了MgO材料的基本特性、完全水化膨脹的條件和影響因素以及在水泥中的膨脹機(jī)理,全面介紹了外摻MgO混凝土的基本物理力學(xué)與變形性能、自生體積膨脹變形的特點(diǎn)和規(guī)律以及對仿真計算的影響,同時扼要介紹了工程應(yīng)用情況、應(yīng)用條件以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在目前西部大開發(fā)、“西電東送”及國家優(yōu)先開發(fā)水電的大好形勢下,我國西南豐富的水利資源必將得到充分開發(fā)利用,外摻MgO混凝土快速筑壩技術(shù)必將在我國水電工程建設(shè)中發(fā)揮巨大的作用。

[1]李承木.MgO混凝土自生體積變形的長期研究成果[J].水力發(fā)電,1998(6):53-57.(LI Chengmu.Study on the self-volume deformation of MgO concrete[J].Water Power,1998(6):53-57.(in Chinese))

[2]李承木.外摻MgO混凝土的基本力學(xué)與長期耐久性能[J].水利水電科技進(jìn)展,2000,20(5):30-35.(LI Chengmu.Basic mechanics and long-term durability of concrete mixed with MgO[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2000,20(5):30-35.(in Chinese))

[3]陳其武,李曉新.氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)文集[C].北京:水利水電規(guī)劃設(shè)計總院,1994.

[4]李承木,袁明道.外摻MgO微膨脹混凝土筑壩技術(shù)應(yīng)用綜述[J].水利水電科技進(jìn)展,2003,23(6):57-63. (LI Chengmu,YUAN Mingdao.Application of the dams constructionbyMgOconcretewithgentlevolume expansion[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2003,23(6):57-63.(in Chinese))

[5]李承木,李萬軍.外摻MgO混凝土快速筑拱壩技術(shù)及其應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展,2011,31(6):41-45. (LI Chengmu,LI Wanjun.Application of fast damming technology admixed with MgO expansive concrete in arch dams[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2011,31(6):41-45.(in Chinese))

[6]劉振威.外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩新技術(shù)應(yīng)用研究成果總報告[R].廣州:廣東省水利廳,2005.

[7]朱伯芳.論微膨脹混凝土筑壩技術(shù)[J].水力發(fā)電學(xué)報, 2000(3):1-13.(ZHU Bofang.On construction of dams by concrete with gentle volume expansion[J].Journal of HydroelectricEngineering,2000(3):1-13.(in Chinese))

[8]李承木.外摻重?zé)洼p燒MgO水泥凈漿試體的膨脹性能[J].水電工程研究,1998(4):7-11.(LI Chengmu. Expansion properties of re-burning and light burned mixed with MgO cement paste specimens[J].Hydropower Engineering Research,1998(4):7-11.(in Chinese))

[9]李承木,李萬軍.論氧化鎂膨脹材料的品質(zhì)質(zhì)量及膨脹性能[J].水電站設(shè)計,2005(3):95-99.(LI Chengmu, LI Wanjun.Discussion on quality＆expansiveness of expansive material-magnesium oxide[J].Design of Hydroelectric PowerStation,2005(3):95-99.(in Chinese))

[10]李承木,李曉勇,陳學(xué)茂.壓蒸條件對外摻MgO水泥砂漿和混凝土壓蒸膨脹率的影響[J].水利水電科技進(jìn)展,2009,29(5):24-28.(LI Chengmu,LI Xiaoyong, CHEN Xuemao.Influence of pressure-braise system on the pressure-braise expansion ratio of concrete and cement mortar mixed with MgO[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2009,29(5):24-28.(in Chinese))

[11]金紅偉.混凝土中外摻氧化鎂安定摻量的研究[J].混凝土,2001(7):30-33.(JIN Hongwei.Research of adscititious oxide of magnesium safe quantity in the concrete[J].Concrete,2001(7):30-33.(in Chinese))

[12]李承木,陳學(xué)茂,李曉勇.關(guān)于外摻MgO混凝土壓蒸安定性試驗(yàn)的幾個問題[J].廣東水利水電,2009(6):1-4.(LI Chengmu,CHEN Xuemao,LI Xiaoyong.Some problems related to autoclave tability test of concrete mixed magnesia[J].Guangdong Water Resources and Hydropower,2009(6):1-4.(in Chinese))

[13]李萬軍,李曉勇,陳學(xué)茂,等.外摻MgO混凝土壓蒸安定性試驗(yàn)方法的探討[J].水電站設(shè)計,2010(1):67-71.(LI Wanjun,LI Xiaoyong,CHEN Xuemao,et al. Probing into admixed MgO concrete autoclave soundness test method[J].Design of Hydroelectric Power Station, 2010(1):67-71.(in Chinese))

[14]丁寶瑛,岳耀真,朱絳.摻MgO膨脹混凝土的溫度徐變應(yīng)力分析[C]//丁寶瑛.大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力與溫度控制論文集.北京:兵器工業(yè)出版社,1991: 382-390.

[15]李承木.不同試驗(yàn)溫度條件下MgO混凝土的自生體積變形研究[J].水電工程研究,1998(3):1-9.(LI Chengmu.Study on the self-volume deformation of MgO concrete under different test temperature conditions[J]. Hydropower Engineering Research,1998(3):1-9.(in Chinese))

[16]鄧敏,崔雪華,唐明述.水泥中氧化鎂的膨脹機(jī)理[R].南京:南京化工學(xué)院,1989.

[17]李承木.陳學(xué)茂.外摻MgO混凝土基本力學(xué)性能的溫度效應(yīng)[J].水力發(fā)電,2006(8):31-33.(LI Chengmu, CHEN Xuemao.Temperature effect test of mechanics property of concrete mixed with MgO[J].Water Power,2006(8):31-33.(in Chinese))

[18]蔡為武.白山拱壩鉆孔取芯試驗(yàn)成果分析與探討[J].水電站設(shè)計,1998(1):77-82.(CAI Weiwu.Test result analysis and discussion on boring for core at baishan arch dam[J].Design of Hydroelectric Power Station,1998 (1):77-82,97.(in Chinese))

[19]李承木.MgO混凝土自生體積變形的長期試驗(yàn)研究成果[J].水力發(fā)電學(xué)報,1999(2):11-19.(LI Chengmu. Anexperimentalstudyoftheautogenousvolume deformationoftheMgOconcrete[J].Journalof Hydroelectric Engineering,1999(2):11-19.(in Chinese))

[20]袁明道,李承木,揚(yáng)光華.MgO微膨脹混凝土自生體積變形的長期溫度效應(yīng)研究與仿真計算模型的探討[C]//第18屆(2002年度)科研成果學(xué)術(shù)論文報告文集.廣州:廣東省水利水電科學(xué)研究院,2003:214-223.

[21]李承術(shù).MgO微膨脹混凝土的基本性能研究[C]//陳其武,李曉新.氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)文集.北京:水利水電規(guī)劃設(shè)計總院,1994:46-68.

[22]李承木.銅頭拱壩外摻氧化鎂混凝土的基本性能研究[C]//銅頭拱壩建設(shè)文集.成都:水利水電混凝土壩信息網(wǎng),2004:71-84.

[23]李曉勇,李萬軍,李承木.關(guān)于對混凝土壓蒸安定性試驗(yàn)若干影響因素的研究[J].水電站設(shè)計,2013(1): 104-109.(LI Xiaoyong,LI Wanjun,LI Chengmu.Study of several factors affecting concrete compression steaming stability testing[J].Design of Hydroelectric Power Station,2013(1):104-109.(in Chinese))

[24]李承木.論我國MgO混凝土筑壩技術(shù)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀[J].廣東水利水電,2012(9):1-7.(LI Chengmu. Development and status of MgO concrete dam technology [J].Guangdong Water Resources and Hydropower,2012 (9):1-7.(in Chinese))

Review of quick damming technology of MgO concrete

//LI Chengmu(Science Research Institute,CHIDI,CHECC,Chengdu610072,China)

This paper summarized the research achievements and engineering experience for the quick damming technology of the MgO concrete.The characteristics of quick damming technique of the MgO concrete and its difference from traditional cylindrical pouring methods were systematically reviewed based on the fundamental theories,compensation principles, realization measures,and construction technologies.Characteristics and expansion mechanism of the MgO-type expansive agent were illustrated.The basic physical and mechanical deformation properties,characteristics and patterns of autogenous volume deformation,and its influence on numerical simulations,engineering applications,and economic benefits as well as its application conditions were introduced respectively.Finally,the paper presents the problems concerning with the designs,constructions,experiments,and rapid detection of uniformity.

MgO concrete;quick damming technique;longitudinal fast pouring;MgO-type expansive agent;autogenous volume deformation

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.019

TV42+4

A

10067647(2013)05008207

20121015 編輯:熊水斌)

李承木(1939—),男,四川內(nèi)江人,教授級高級工程師,主要從事水工建筑材料科學(xué)及外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)研究。E-mail: shby99@163.com