4.5 坝体氧化镁补偿设计

4.5.1 氧化镁混凝土材料性能

1.氧化镁混凝土的膨胀机理

氧化镁混凝土的膨胀机理主要是通过掺氧化镁水泥浆体的膨胀机理来揭示的，文献提出的掺氧化镁水泥浆体的膨胀机理可概括为：掺氧化镁水泥浆体的膨胀量取决于氢氧化镁晶体所在的位置、形状和尺寸；膨胀起因于氢氧化镁晶体的生长和生成，直接驱动力来自于氢氧化镁晶体的肿胀力和结晶压力，在水化早期，氢氧化镁晶体很细小，浆体的膨胀主要源于肿胀力，随着氢氧化镁晶体的长大，晶体的结晶生长压力转变为膨胀的主要动力。

2.氧化镁混凝土自身体积微膨胀变形的延迟性及长期稳定性

氧化镁混凝土自身体积微膨胀变形属于化学变形，由于方镁石结晶结构致密，延迟了水化反应时间，使得混凝土膨胀较缓慢，文献［4］的研究表明，氧化镁膨胀剂的膨胀速率在水化3～30d期间最大，其膨胀量的70%发生在7d龄期以后，一般在一年以后趋于稳定状态。

根据大体积混凝土散热缓慢的特点，要求氧化镁混凝土在龄期1个月左右膨胀（30～50）×10^-6，半年左右达到（100～150）×10^-6，并逐步趋于稳定，并且膨胀不能过早，以便存储较多的变形能^［5］。文献［6］实测了贵州沙老河、三江2座氧化镁混凝土拱坝的自身体积膨胀情况：沙老河氧化镁混凝土拱坝高程1177.50～1227.00m氧化镁掺量4%～5.5%，28d龄期平均膨胀量为50.4×10^-6，180d龄期平均膨胀量为82.9×10^-6，1a龄期平均膨胀量为92.1×10^-6，2a龄期平均膨胀量为107.8×10^-6，3a龄期平均膨胀量为112.8×10^-6；三江氧化镁混凝土拱坝高程1100.00～1167.50m氧化镁掺量4.5%～5%，7d龄期平均膨胀量为18.1×10^-6，28d龄期平均膨胀量为32.8×10^-6，180d龄期平均膨胀量为63.2×10^-6，1a龄期平均膨胀量为82.0×10^-6，2a龄期平均膨胀量为102.7×10^-6，3a龄期平均膨胀量为101.0×10^-6。文献［7］实测了广东长沙氧化镁混凝土拱坝的自身体积膨胀情况：长沙氧化镁混凝土拱坝高程193.00～240.00m氧化镁掺量3.5%～4.5%，7d龄期平均膨胀量为19.5×10^-6，30d龄期平均膨胀量为48.7×10^-6，180d龄期平均膨胀量为86.3×10^-6，365d龄期平均膨胀量为98.0×10^-6，2a龄期平均膨胀量为110.6×10^-6，3a龄期平均膨胀量为118.5×10^-6。上述3座我国南方地区氧化镁混凝土拱坝在掺氧化镁3.5%～5.5%后，其1个月的膨胀量基本能满足温控要求，半年的膨胀量则已达到温控的下限要求63.2%～86.3%，并在1年以后逐步趋于稳定。尽管上述3座国内南方地区拱坝的氧化镁混凝土膨胀量并不能完全达到设计的理论温控目标，但其表现出来的“延迟性”微膨胀特性已经能很好地适应大体积坝工混凝土温度应力补偿的需要。

4.5.2 氧化镁混凝土自生体积微膨胀变形对拱坝应力的补偿

氧化镁混凝土自生体积微膨胀变形对混凝土拱坝应力的补偿原理简单明确，其充分利用氧化镁延迟性微膨胀特性形成的预压应力以部分补偿坝体温降过程中产生的收缩应力。与重力坝不同的是，拱坝属超静定结构，从上到下都受到坝基岩体的约束，氧化镁自生体积微膨胀变形对整个坝体都会产生应力效应。拱坝的中面在空间是曲面，氧化镁自生体积微膨胀变形能产生与温升相似的效应，由于连续式施工的氧化镁混凝土拱坝的成拱方式与常规的按分仓柱状浇筑的混凝土拱坝不同，施工期坝体混凝土所受约束强烈，变形自由度要小得多。对拱圈而言，氧化镁自生体积微膨胀变形在两拱端下游面和拱冠上游面引起拉应力，从整体来看，氧化镁自生体积微膨胀变形使得梁被推向上游变位，在坝体下部下游面会引起拉应力。正是由于拱坝结构的超静定特性，使得氧化镁自生体积微膨胀变形对拱坝应力的补偿效应作用变得非常复杂，因此，有必要采用有限元仿真分析获取全面准确的补偿效应作用以正确认识氧化镁自生体积微膨胀变形对拱坝应力的补偿。

4.5.3 氧化镁掺量设计

1.设计原则

（1）根据拱坝规模、坝址所在环境温度条件、混凝土原材料特性、室内外掺氧化镁混凝土试验成果等因素，合理确定氧化镁掺量。

（2）氧化镁掺量必须满足混凝土的安定性要求，通常当氧化镁掺量不大于5%时，混凝土是安定的。因此，当通过拱坝氧化镁混凝土的应力分析，在掺量不超过5%能满足要求时，则以此确定氧化镁的最大掺量。对于坝址区年温差偏大的工程来说，需要突破5%的氧化镁掺量时，需进行氧化镁的极限掺量试验研究，在满足混凝土安定性的前提下采用更大的掺量。

（3）在一个坝体中氧化镁掺量不宜分区变化过多，如确有分区设计不同掺量的要求时，也不宜分区过多。

2.氧化镁掺量设计

氧化镁掺量指氧化镁质量占胶材总量（不含氧化镁）的比例，氧化镁掺量设计是设计人员研究制定拱坝混凝土氧化镁的掺加方案并对混凝土内所需掺入的氧化镁比例提出设计指标。

（1）氧化镁掺量与补偿效应。拱坝混凝土属大体积混凝土，混凝土中水泥水化反应产生大量热量使混凝土温度升高，当温度逐渐降低后混凝土的体积必将收缩，在有约束情况下，混凝土将产生拉应力，若拉应力大于混凝土的抗拉强度会使混凝土产生裂缝。这些裂缝会导致坝体漏水，亦会破坏拱坝结构的整体性，恶化拱坝受力条件，降低拱坝的安全性。在混凝土内外掺氧化镁，使混凝土产生延迟性微膨胀，当混凝土微膨胀的过程与其温降收缩大致同步，而且膨胀量足够补偿收缩量时，混凝土将不会产生温度裂缝。氧化镁混凝土的延迟性微膨胀过程已经过试验及原型观测得以证实，氧化镁产生的自生体积变形是否满足补偿需求，则与其掺量的多少有关。因此，氧化镁掺量的设计，首先要关注的就是根据工程经验及分析计算寻求满足补偿效应的掺入比例。

（2）最大掺量的控制。氧化镁掺量越大，混凝土产生的微膨胀也就越高，但有一个限制指标，亦称为“极限掺量”，当超过这一掺量，过度的膨胀会导致混凝土的整体破坏，这是必须严格进行控制的。同时，由于氧化镁混凝土膨胀延迟时间较长，一些工程的观测资料表明，在混凝土浇筑后至1年半或2年时间内为微膨胀的高增长期，3～4年基本趋于收敛。也就是说，氧化镁混凝土的微膨胀延迟时间远远大于其他混凝土膨胀剂，这也给工程的应用控制造成一定的难度。而且，更高氧化镁掺量混凝土的膨胀性能，尚无可循资料。因此，当氧化镁掺量接近或超过胶凝材料用量的5%时，几乎所有工程均通过实验室进行压蒸试验，以找出拱坝混凝土配合比外掺氧化镁的“极限掺量”。

最初，在进行压蒸试验时，采用水泥净浆进行。试验发现，水泥净浆的氧化镁极限掺量很低，继而改用水泥砂浆，此时极限掺量提高较大。后又对一级配混凝土进行试验，也比水泥砂浆的指标有一定的提高。贵州马槽河拱坝工程进行的压蒸试验成果可以说明问题，下面列出其试验结论。

1）水泥净浆中粉煤灰掺量为30%时氧化镁的极限掺量为2.05%，粉煤灰掺量为40%时氧化镁的极限掺量为2.47%。

2）水泥砂浆中粉煤灰掺量为30%时氧化镁的极限掺量为7.36%，粉煤灰掺量为40%时氧化镁的极限掺量为8.13%。

3）一级配混凝土中粉煤灰掺量为30%时氧化镁的极限掺量为8.28%，粉煤灰掺量为40%时氧化镁的极限掺量为8.79%。

试验结果似乎表明，为获得更多的补偿效应，三级配混凝土可以采用8%的掺量。但该工程最终确定氧化镁的掺量为6%。这是由于氧化镁一般都视作水泥的有害成分，加之其作用时间往往很长，高掺的结果难以预估，设计人员仍需采取慎重态度，步步为营。

3.氧化镁掺入方式

刘家峡、白山等工程是利用水泥自身内含的氧化镁，但在工程所需水泥氧化镁含量低的时候，就需要进行氧化镁外掺。即从氧化镁生产厂家购进符合水工氧化镁混凝土要求的氧化镁（粉剂），在施工现场混凝土拌和楼添加，与其他材料共同搅拌，生产出氧化镁混凝土，此为标准的“外掺”氧化镁。目前大部分氧化镁混凝土拱坝，均采用现场外掺方式。

氧化镁混凝土产品的质量控制，最关键的是在混凝土内氧化镁分布的均匀性，其重要性不言而喻。混凝土搅拌工艺和时间，是氧化镁在混凝土内均匀性的关键因素。诸多工程现场生产性拌和试验说明，均匀性好的氧化镁混凝土搅拌时间最低不能少于90s，早期一般要3～4min。而且，投入生产后，还需要在机口进行经常性的均匀性检测，当不满足要求时，还需延长搅拌时间，这就要求工地使用的混凝土搅拌机适应此要求。贵州一些工程由于施工单位进场的是连续式混凝土搅拌机，混凝土拌和时间不足60s，进行现场外掺氧化镁生产性试验，检测结果不能达到氧化镁均匀性的要求。由于现场外掺方式不合适，因而改用“厂掺”的方式，即是从氧化镁生产厂家购进符合质量要求的氧化镁熟料，运至水泥厂与水泥共磨，生产出高含氧化镁的专用水泥，以供工程需要。

在水泥厂进行氧化镁“厂掺”的做法，氧化镁在水泥中的均匀性由水泥产生厂家控制，可以极大地减轻现场混凝土氧化镁含量检测的工作，而且均匀性更容易得到保障。但是，其缺点是水泥厂因受其自身行业质量标准的控制，不愿意按设计要求加大氧化镁的含量。当设计需要配置使用大比例掺合料（如粉煤灰）混凝土时，混凝土内的氧化镁含量比设计预期值要低。例如，贵州黄花寨碾压混凝土拱坝，水泥产生厂家只同意将其出厂的氧化镁水泥内的氧化镁最高含量控制在7%，由于碾压混凝土粉煤灰掺量高，致使混凝土的氧化镁含量低于设计期望值。而且，现场不能进行氧化镁掺量的调整。设计在选择氧化镁的外掺方式时，要重视研究氧化镁的外掺方式。

4.氧化镁掺量分区问题

在应用初期，为使氧化镁混凝土的微膨胀补偿能力与拱坝不同高程坝体混凝土温降收缩相协调，达到既能够满足对温降拉应力的补偿又不出现不必要的过多微膨胀。在一些工程设计时，氧化镁采用施工现场外掺的方式。现场外掺可以根据设计需要在不同的坝体变位掺入不同比例的氧化镁，即根据补偿效应确定坝体混凝土的氧化镁掺量分区，因此，整个坝体的氧化镁掺量变幅较大，如1999年建成的广东长沙氧化镁混凝土拱坝，氧化镁掺量3.5%～4.4%；2000年建成的贵州沙老河氧化镁混凝土拱坝，其掺量为3.5%～5.5%；2004年建成的广东长潭、2006年建成的贵州落脚河氧化镁混凝土拱坝也采用不同的掺量分区设计。采用掺量分区设计的理念无疑是合理的，贵州在其他氧化镁混凝土拱坝设计时，没有进行分区设计，主要是基于以下缘由：贵州地区年温差变幅远大于广东所处的华南地区，按目前氧化镁的最大掺和比例，其产生的延迟性微膨胀不能够满足全坝不分横缝时混凝土温降收缩补偿要求。因此，在进行设计时通过仿真分析，要在坝体设置少量的诱导缝（或横缝），这一结构辅助措施不仅解决了氧化镁补偿效应不足的问题，而且同时发现氧化镁掺量分区的意义不大。因此，为简化施工管理，在拱坝建设规模中等以下的工程，不再按分区设计不同氧化镁掺量，只按同一掺量进行设计。