李万军　李晓勇　李承木

【摘要】扼要叙述了温控设计的基本要点、混凝土的特性对温度应力设计的影响。概述了提高大体积混凝土抗裂能力的主要因素，并提出从体积变形出发来研究温控问题。着重介绍了氧化镁混凝土筑坝技术、防裂补偿原理、基本特征、筑坝理论体糸，并用实例说明了施工特点和方法、应用概况和效果。

【关键词】温度应力；温控设计；MgO混凝土；防裂新途径；大体积混凝土

【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

大体积混凝土的裂缝及其防治一直是工程界高度关注的重大技术问题。工程界的科技人员经过长期不懈的实验研究，提出了诸多有效的温控防裂措施，并起了很好的作用。其中对Mgo新技术的研究，打破了人们的传统认识，开辟了新的防裂途径。MgO技术经过近30年来的基础理论和工程应用研究，已形成了一套完整的筑坝理论体系，并在我国贵州、广东、四川等10余个省近50个大中型水利水电工程中成功应用，其中有12座拱坝不分横缝全坝采用外掺MgO混凝土快速施工，均取得了显著的技术经济和社会效益。对MgO筑坝技术的研究，最有效的途径是从组成混凝土原材料和混凝土的变形特性出发来研究其抗裂问题。经大量的试验研究、工程应用实践及10多年的原体观测资料再次表明，外掺Mg0膨胀材料是最根本、最有效的温控防裂新途径，值得广泛推广应用。

1. 温控设计的基本要点及要求

1.1大体积混凝土的温度控制问题，是混凝土坝设计中的重要问题，对于保证混凝土坝工程的质量、加快工程施工进度等方面，起着关键性的作用，所以一直为工程界所重视。在混凝土坝温度控制设计中，一般以基础温差的设计为重点，以单独浇筑块的温度应力为理论基础，在限制应力或应变的条件下估算允许温差。实践表明，浇筑块的分块尺寸越小，应力越小，基础允许温差就越大。在施工期内，各国多根据当地气侯条件控制最高浇筑温度。如美国垦务局规定混凝土浇筑温度应小于10℃；巴西伊泰普规定为7℃；我国二滩拱坝混凝土浇筑温度为10℃等。对大坝混凝土的温度控制，最关键的是要掌握混凝土的温度变化规律和将温度应力控制在混凝土的允许范围以内。在施工过程中，混凝土温度场及应力场的变化过程是相当复杂的。在设计计算中，需要模拟实际施工过程，考虑各种复杂因素，如混凝土的弹性模量、线胀系数、徐变、抗拉强度、极限拉伸值、热力学指标、温度、荷载、自生体积变形（应考虑温度影响）等。

1.2温度应力与弹性模量和线膨胀系数成正比。考虑混凝土徐变可使温度应力减小一半左右。实践表明，膨胀型的自生体积变形对温度应力或温度变形的影响会更大，因为这种体积变形与大体积混凝土温度变形规律相适应。对于不同工程在各种温度荷载下产生的应力，应选择符合工程实际的合理、准确的（试验）参数，并视工程规模，再根据有关规范进行（考虑动态因素的）仿真设计计算。我国在温度应力计算分析技术方面，在朱伯芳、丁宝瑛等的长期研究[1～2]以及大量工程实践积累了丰富经验，形成了一套完整的防裂温控设计理论，它对我国的工程设计起到了积极的指导作用。

1.3大量研究表明，在仿真分析设计中，混凝土的基本性能对温度应力大小和实施温控措施的影响较大。因此，要想提高混凝土的抗裂能力，实现温控设计目标，对材料性能就要求做到：

（1）优选水泥品种，应首选具有微膨胀性能的中、低热水泥，外掺氧化镁水泥，使混凝土能够产生膨胀型的自生体积变形。

（2）优选混合材（如矿渣或粉煤灰），优选复合、引气、高效减水型的外加剂，尽量选择收缩小的原材料和混凝土配合比。

（3）首选线膨胀系数低的岩石作为混凝土的粗、细骨料（硅酸质骨料混凝土的线膨胀系数最大，火成岩质的次之，石灰岩质的最小）。

（4）增强混凝土的变形能力，即提高混凝土的极限拉伸值和徐变变形。

（5）尽量降低混凝土的弹性模量，设法制作出低弹高强混凝土。

（6）提高混凝土的抗拉强度，现行设计中采用小试件的轴拉强度控制，实际上是采用了相当于原级配大试件的弯拉强度，比较符合坝体的实际受力状态。研究表明，混凝土材料的抗拉能力实际上已包括了试件尺寸、级配及受力状态的仿真性。

（7）降低混凝土的绝热温升值，通过试验设计，掺优质混合材可大大降低绝热温升值。实践表明，只要全面认真做到了以上各项要求，再加以精心设计，精心施工，就能确保大坝混凝土的质量，避免危害性裂缝的发生和发展，甚至有可能做到使大体积混凝土不裂。endprint

2. 最有效的温控防裂新途径

2.1过去人们多从结构物的形态和施工方法来研究温控问题，并提出了许多防裂措施，也起到了比较好的作用，但大多由于施工原因，往往很难全面达到设计要求。而从组成混凝土原材料及混凝土自身的变形特性出发来研究混凝土的防裂问题却比较少。近30年来，随着科学技术的进步与工程实践经验的积累，人们已经认识到应该通过多种途径，采取综合性措施来解决大坝混凝土的抗裂问题。其中氧化镁新材料和MgO混凝土筑坝新技术的出现，打破了人们的传统认识，提出了筑坝新理论和筑坝新技术。据此，既可实现快速施工又大大拓宽和完善了水工混凝土筑坝防裂技术。实践证明，MgO混凝土筑坝技术是大体积混凝土施工的革命，是国内外筑坝技术的重大创新和突破。

2.2采用MgO混凝土筑坝防裂原理是：在混凝土中掺入适量的特制的轻烧MgO，利用MgO水化所释放的化学能转变为机械能，使混凝土产生自生体积膨胀，抵消其在温降过程中的体积收缩；也就是利用其独特的具有延迟性的、不可逆变形及长期稳定的微膨胀性能来补偿大坝混凝土在温降时的体积收缩和温度变形。更确切地说，就是利用MgO混凝土的限制膨胀来补偿混凝土的限制收缩，达到防裂目的。若辅以其它适当的综合性措施，可以取代传统的温控措施，如混凝土拱坝需分横缝，柱状、薄层、长间歇浇筑，预埋冷却水管冷却，封缝灌浆等施工工艺，实施通仓连续施工，大大加快了筑坝速度，从而实现了工程界长期希望达到的快速施工的目标。其防裂理论的基本特征是：把传统的通过预冷来降低和控制混凝土筑坝温度的办法，改为调节和控制大坝混凝土的体积变形，达到大坝防裂的目的。

2.3利用MgO水化所释放的化学能来解决大坝温控问题，打破了人们的传统认识。MgO既是有害的物质，又是有利的物质，关键是掌握其规律性，兴利除弊。我国组织多学科共同攻关，在唐明述等以及相关单位大量开发性的基础理论和工程应用研究的基础上[3]，广东省水利厅完成了外掺MgO混凝土不分横缝快速筑拱坝新技术的应用研究并顺利通过了成果鉴定[4]，更加完善和丰富并发展了MgO混凝土筑坝技术。总之，经过近30年的全面、系统、深入的基础理论和工程应用研究，我国已掌握了MgO的特性和规律，在MgO水泥的膨胀机理、变形性能、应力补偿、施工工艺、均匀性控制、安定性试验方法及标准、仿真设计程序、MgO材料品质质量、表面绝热保温及养护等方面，形成了一套完整的成熟的筑坝理论体系。至此，这项筑坝防裂新技术从1990年初开始，已陆续在我国10余个省近50个大中型水利水电工程中得到成功应用[5]，其中包括常规混凝土和碾压混凝土重力坝（拱坝），碾压混凝土坝周边及上游防渗体、基础垫层垫座、基础深槽、填塘堵洞、导流洞封堵、闸坝工程、厂坝连接及导流底孔、压力钢管外围回填等不同工程部位都应用了外掺MgO混凝土筑坝防裂新技术，并且都取得了成功也达到了预期效果。

3. 采用MgO混凝土筑坝的工程实例

3.1飞来峡水利枢纽工程。工程位于广东省清远市境内，该枢纽工程由厂房坝段、溢流坝段、船闸、土坝和副坝组成，主坝总长2358m，其中溢流坝段为重力坝，最大坝高52.3m，坝长285m。电站装机14万KW，水库总库容19亿m3。本工程于1995年11月～1997年10月在重力坝基础约束区全面采用外掺MgO混凝土，在基础约束区9m以内掺3.5%MgO，在9～12m过渡层内掺1.75%MgO。采用英德32.5号和广州金羊42.5号水泥在机口外掺MgO，在挡水坝、溢流坝、厂房坝段和船闸等基础约束部位共计浇筑外掺MgO混凝土16万m3，施工中取消了传统温控措施，加快了施工进度。原体观测结果表明，混凝土的最高温度达到50.1℃，无应力计观测的自生体积膨胀变形一般在（110～130）×10-6之间，其中多数是在120×10-6左右。其龄期为7-10年的自生体积膨胀变形的平均值长期稳定在130×10-6。采用MgO膨胀混凝土施工，取代了传统的大体积混凝土温控措施，成功地解决了大坝基础块的开裂问题，并使工程缩短了1年工期，取得十分显著的技术经济效益。在全坝全断面采用外掺MgO微膨胀混凝土筑坝技术，不分横缝快速浇筑混凝土拱坝，这在国内外尚属首例。长沙坝的成功实践，为这项新技术在混凝土拱坝全面推广应用积累了宝贵的实践经验。采用MgO混凝土筑拱坝的突出特点是：不分横缝、分层通仓、连续快速全天候浇混凝土，以坯层台阶方式连续滚动推进，不埋冷却水管，不需封拱灌浆的全新施工技术。彻底改变了传统修建混凝土拱坝需分横缝、柱状、跳块、薄层、长间隙、需封拱灌浆等诸多制约筑坝速度的繁难施工工序，这就极大地加快了施工速度。大坝浇筑方案，多采用垂直与水平运输两者合二为一的施工方案。其后陆续采用同样技术施工，贵州省水电院和贵州中水建设项目管理公司以总承包模式，在贵州省内成功修建了沙老河、三江、落脚河等7座拱坝，各工程的基本情况可参见表1。

4. 工程经济效益浅析

4.1采用MgO混凝土，辅以其他适当的措施如表面保温和养护（水套法及雨淋法）等，可以全部或部分取代传统的混凝土坝温控措施，不仅有利于解决混凝土坝的开裂问题，而且可以实现长块、厚层、通仓连续（或短间歇）浇筑，可以全天候施工（夏季也是一个很好的施工季节），从而大大降低工程造价，简化施工工艺，缩短工期，加快施工速度，因此，具有重大的技术经济优势和应用前景。据小水电站实例统计，工程提早发挥的效益，可获得相当于坝体投资30%以上的经济效益。

5. 结束语

（1）掌握温度及温度应力的变化规律，对于进行合理的结构设计、简化温控措施、保证工程质量意义重大。混凝土的材料特性是防真温控设计及确定工程温控措施不可缺少的依据，而且材料性能又直接影响到工程质量，因此应重视材料优化及其性能研究。MgO混凝土筑坝技术和外掺MgO膨胀材料是最根本、最有效的温控防裂新途径及新材料，在我国水电工程建设中，值得大力推广应用。

（2）外掺氧化镁技术可用于有抗裂和防渗要求的地下工程、高层建筑基础、凡是有约束（钢筋就是很好的约束）条件的工程都可采用MgO混凝土施工。采用复合型MgO材料对耐腐蚀、耐酸性、耐高温能力更强，这种新材料可大大提高混凝土的耐久性能。如果推动使用内含MgO水泥还可充分利用高镁矿山资源。所以我们呼吁新型MgO膨胀材料应该在我国各系统得到广泛宣传推广使用。

参考文献

[1]朱伯芳、丁宝填，等.水工混凝土结构的温度应力与温度控制.水利电力出版社，1976年9月.

[2]丁宝瑛，大体积混凝土裂缝的防上[J].混凝土坝技术，1988，（4）.

[3]电力工业部、水利部水利水电规划设计总院.氧化镁混凝土筑坝技术文集[C]，1994.

[4]广东省水利厅，等.外掺MgO混凝土不分横缝快速筑拱坝新技术应用研究成果总报告[R].2005.

[5]李承木，袁明道.外掺MgO微膨胀混凝土筑坝技术应用综述[J].水利水电科技进展，2003，（6）.

[文章编号]1619-2737（2014）03-27-141

[作者简介] 李万军（1969-），男，籍贯：重庆垫江人，学历：工程硕士，职称：高级工程师，主要从事水利水电工程设计及技术管理工作。endprint