一种外掺氧化镁简化碾压混凝土坝温控措施的方法

技术领域

本发明涉及碾压混凝土（RCC）坝建设领域，具体说，涉及一种外掺氧化镁简化碾压混凝土坝温控措施的方法。

背景技术

碾压混凝土(RCC)筑坝技术，引入我国已有30多年的历史，由于该筑坝技术具有技术简化、节省材料、加快速度的优势，在我国的筑坝工程上得到了广泛的应用。

在我国的筑坝实践中，为了防止混凝土坝温度裂缝的产生，常需要采用温度控制措施。

温度裂缝是由于温度下降受到约束引起的，温度下降使混凝土收缩变形，温降收缩的部位受到温度没有下降的甚至是温度升高的部位约束，从而产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时即会产生裂缝。

防止裂缝主要有两种途径：1）通过降低温降部位的最高温度，从而减少该部位的降温幅度，减小收缩变形；2）采取措施直接减少温降部位的收缩变形。

目前，控制温度的措施主要采用第一种途径，即通过控制温度减少温降部位的降温幅度及与周边混凝土或基础岩石的温差。具体的温控方案为：降低浇筑温度+通水冷却+表面保温。该温控方案由于工艺复杂，大大增加了施工的复杂性和难度，减缓了施工的进度，并加大了筑坝成本。

有鉴于此，有必要对现有的温控方案进行改进，以解决现有技术中存在的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提出一种外掺氧化镁简化碾压混凝土坝温控措施的方法，简化温控措施，减小施工的复杂性及难度，增快施工进度，并降低筑坝成本。

具体技术方案如下：

一种外掺氧化镁简化碾压混凝土坝温控措施的方法，包括：

步骤1：根据坝体的设计体型、浇筑进度、材料配比及所处气象水文条件，采用仿真分析的方法计算坝体的拉应力，求得坝体第一主拉应力包络分布图；

步骤2：将坝体的拉应力与混凝土的允许拉应力比较，求出需要补偿的拉应力区域范围及应力补偿量，进而求出应变补偿量；

步骤3：采用设计混凝土的配合比，通过实验测试不同氧化镁掺量、不同养护温度的混凝土膨胀量，得到外掺氧化镁后混凝土膨胀性能和膨胀曲线；

步骤4：根据步骤2及步骤3初步确定坝体各部位所需的氧化镁掺量，并按掺量进行综合分区；

步骤5：重复步骤1至步骤4，确定最终氧化镁的分区掺量；

步骤6：按照最终确定的氧化镁分区掺量，将氧化镁与水泥进行混掺；

步骤7：用混掺氧化镁的水泥进行坝体施工，取代通水冷却的温控措施，调整并简化坝体温控措施。

进一步：所述步骤2中，应力补偿量的计算公式为：

σ′＝σ_l-R_f；

其中，σ′为应力补偿量；σ_l为无补偿时的拉应力；R_f为混凝土抗拉强度。

进一步，所述步骤2中，应变补偿量的计算公式为：

$>{ϵ}_g=\frac{{\sigma }_l-R_l}{E_c};$>

其中，ε_g为应变补偿量，即所需氧化镁膨胀量；σ_l为拉应力，R_l为混凝土抗拉强度；E_c为混凝土强性模量。

进一步，所述步骤3中，混凝土膨胀量，在不具备实验测试条件时，也可通过工程类比法求得。

进一步，所述步骤4中，所需的氧化镁掺量，需根据各部分达到最大拉应力时氧化镁混凝土的膨胀量等于所要膨胀应变，与氧化镁可能膨胀应变相同的条件求出。

进一步，所述步骤4中，综合分区，是将相近的掺量分区合并。

进一步，所述步骤6中，氧化镁与水泥的混掺，优先选择在水泥生产厂内进行厂掺，不能厂掺的在现场将水泥和氧化镁先进行混掺，混掺均匀后再进行混凝土拌合。

进一步，所述步骤7中，坝体施工，需进行氧化镁活性、掺量及拌合均匀性的检测。

本发明技术方案的益效果是：通过提供了一种外掺氧化镁简化碾压混凝土坝温控措施的方法，采用在水泥中外掺氧化镁的方式，替代了现有的通水冷却温控方式，并配合表面保温措施，防止了坝体的温度裂缝。本发明简化了温控措施，减小了施工的复杂性及难度，增快了施工进度，并降低了筑坝成本。

附图说明

图1是本发明一种外掺氧化镁简化碾压混凝土坝温控措施的方法的流程图；

图2是本发明中重力坝第一主拉应力包络分布图；

图3是本发明中重力坝需补偿的拉应力分布图；

图4是本发明中重力坝需补偿的拉应力深高程分布示意图；

图5是本发明中重力坝混凝土膨胀曲线图；

图6是本发明中重力坝所需氧化镁掺量百分比示意图；

图7是本发明中拱坝第一主拉应力包络分布图；

图8是本发明中拱坝需补偿的拉应力分布图；

图9是本发明中拱坝需补偿的拉应力深高程分布示意图；

图10是本发明中拱坝混凝土膨胀曲线图；

图11是本发明中拱坝所需氧化镁掺量百分比示意图。

具体实施方式

本发明通过向混凝土拌合物中添加氧化镁（MgO），使温降部分的混凝土产生膨胀变形，抵消温降收缩，从而减小收缩引起的拉应力，达到防裂的目的。

下面结合附图1对本发明步骤作进一步的详细描述。

步骤1：根据坝体的设计体型、浇筑进度、材料配比及所处气象水文条件，采用仿真分析的方法计算坝体的拉应力，求得坝体第一主拉应力包络分布图；

步骤2：将坝体的拉应力与混凝土的允许拉应力（混凝土抗拉强度）比较，求出需要补偿的拉应力区域范围及应力补偿量，进而求出应变补偿量；

该应力补偿量的计算公式为：

σ′＝σ_l-R_f；

其中，σ′为应力补偿量（需补偿的应力）；σ_l为无补偿时的拉应力；R_f为混凝土抗拉强度。

该应变补偿量的计算公式为：

$>{ϵ}_g=\frac{{\sigma }_l-R_l}{E_c};$>

其中，ε_g为应变补偿量（需补偿收缩量），即所需氧化镁（MgO）膨胀量；σ_l为拉应力（MPa），R_l为混凝土抗拉强度（MPa）；E_c为混凝土强性模量（MPa）。

步骤3：采用设计混凝土的配合比，通过实验测试不同氧化镁（MgO）掺量、不同养护温度的混凝土膨胀量，得到外掺氧化镁（MgO）后混凝土膨胀性能和膨胀曲线；

该混凝土膨胀量，在不具备实验测试条件时，也可通过工程类比法求得。

步骤4：根据步骤2及步骤3初步确定坝体各部位所需的氧化镁（MgO）掺量，并按掺量进行综合分区；

所需的氧化镁（MgO）掺量需根据各部分达到最大拉应力时氧化镁（MgO）混凝土的膨胀量等于所要膨胀应变，与氧化镁（MgO）可能膨胀应变相同的条件求出。

掺量的综合分区，是将相近的掺量分区合并，简化分区。掺量不宜过大，在满足规范要求条件下，控制后期膨胀对坝体带有不利影响。

步骤5：重复步骤1至步骤4，确定最终氧化镁（MgO）的分区掺量；

步骤6：按照最终确定的氧化镁分区掺量，将氧化镁与水泥进行混掺；

氧化镁（MgO）与水泥的混掺，优先选择在水泥生产厂内进行厂掺，不能厂掺的在现场将水泥和氧化镁（MgO）先进行混掺，混掺均匀后再进行混凝土拌合。

步骤7：用混掺氧化镁的水泥进行坝体施工，取代通水冷却的温控措施，调整并简化坝体温控措施。

在坝体施工中，需要进行氧化镁（MgO）活性、掺量及拌合均匀性的检测。

通过以上步骤1至步骤7，本发明采用在水泥中外掺氧化镁（MgO）的方式，替代现有的通水冷却温控方式，并配合表面保温措施，来防止坝体的温度裂缝，同时，由于混凝土中氧化镁（MgO）的膨胀可以减小混凝土的孔隙率，从而提高防渗性。

下面以重力坝（A坝）及拱坝（B坝）为例，对本发明进行实例说明：

实例一：重力坝（A坝）

步骤1，根据重力坝（A坝）的设计体型、浇筑进度、材料配比及所处气象水文条件，采用仿真分析的方法计算重力坝（A坝）的拉应力，求得重力坝（A坝）第一主拉应力包络分布图（如图2所示）；

具体条件如下：

重力坝（A坝）施工的计划进度为2月份开始浇筑垫层常态混凝土，垫层与碾压间歇28天，碾压层间歇10天，连续浇筑直至坝顶。

材料参数如下

弹模

表一混凝土力学指标汇总表

相关常态混凝土和碾压混凝土徐变度拟合公式如下：

（1）垫层常态混凝土徐变度

C(t,τ)=(5.32+48.94τ-0.45)*(1-exp(-0.3(t-τ)))+(12.03+20.44τ-0.45)(1-exp(-0.005(t-τ)))0(10-6/MPa)。

（2）碾压混凝土徐变度

C(t,τ)=(1.5+0.96τ-0.56)*(1-exp(-0.8(t-τ)))+(1.4+74τ-0.59)(1-exp(-0.09(t-τ)))(10-6/Mpa。

绝热温升

表二混凝土导温、导热、线膨胀系数及表面散热系数

注：碾压混凝土抗剪试验的层间处理方式为垫层砂浆。

气象水文资料（略）

步骤2，将重力坝（A坝）的拉应力与混凝土的允许拉应力比较，求出需要补偿的拉应力区域范围及应力补偿量（如图3及图4所示），进而求出应变补偿量（其中抗拉强度取为1.0MPa，混凝土弹性模量取30GPa）；

步骤3，采用设计混凝土的配合比，通过实验测试不同氧化镁掺量、不同养护温度的混凝土膨胀量，得到外掺氧化镁后混凝土膨胀性能和膨胀曲线（如图5所示）；

步骤4，根据步骤2及步骤3初步确定重力坝（A坝）各部位所需的氧化镁掺量，并按掺量进行综合分区；

步骤5，重复步骤1至步骤4，确定最终氧化镁的分区掺量；（如图6所示）

步骤6，按照最终确定的氧化镁分区掺量，将氧化镁与水泥进行混掺；

步骤7，用混掺氧化镁的水泥进行重力坝（A坝）施工，取代通水冷却的温控措施，调整并简化重力坝（A坝）温控措施。

实例二：拱坝（B坝）

步骤1，根据拱坝（B坝）的设计体型、浇筑进度、材料配比及所处气象水文条件，采用仿真分析的方法计算拱坝（B坝）的拉应力，求得拱坝（B坝）第一主拉应力包络分布图（如图7所示）；

具体条件如下：

拱坝（B坝）施工的计划进度为坝体混凝土自然入仓，于2007年2月23日开始浇筑垫层混凝土，垫层混凝土分两次浇筑，每层层厚2m；2007年4月3日浇筑3m坝体混凝土，之后坝体停浇混凝土，于2007年12月15日恢复施工，坝体均匀上升，拱坝（B坝）于2008年9月2日浇筑完成。

材料参数如下

混凝土弹性模量实测与拟合（略）

徐变采用下式：

$>C(t,\tau )=(A_1+A_2{\tau }^{{\alpha }_1})[1-e^{-k_1(t-\tau )}]+(B_1+B_2{\tau }^{{\alpha }_2})[1-e^{-k_2(t-\tau )}]+{\mathrm{De}}^{-k_3\tau }[1-e^{-k_3(t-\tau )}]$>拟合参数见下表。

表三徐变拟合参数

绝热温升

表四混凝土绝热温升试验值

气象水文资料如下

1）气温

表五库区多年平均气温资料

2）水温

水温的计算方法如下式：

$>T_W(y,t)=7+10e^{-0.04y}+6e^{-0.04y}\cos \omega (t-200.175-1.21847y)$>

其中：y—水深，t—从1月1日算起的天数，ω=2π/365。

步骤2，将拱坝（B坝）的拉应力与混凝土的允许拉应力比较，求出需要补偿的拉应力区域范围及应力补偿量（如图8及图9所示），进而求出应变补偿量；

步骤3，采用设计混凝土的配合比，通过实验测试不同氧化镁掺量、不同养护温度的混凝土膨胀量，得到外掺氧化镁后混凝土膨胀性能和膨胀曲线（如图10所示）；

步骤4，根据步骤2及步骤3初步确定拱坝（B坝）各部位所需的氧化镁掺量，并按掺量进行综合分区；

步骤5，重复步骤1至步骤4，确定最终氧化镁的分区掺量（如图11所示）；

步骤6，按照最终确定的氧化镁分区掺量，将氧化镁与水泥进行混掺；

步骤7，用混掺氧化镁的水泥进行拱坝（B坝）施工，取代通水冷却的温控措施，调整并简化拱坝（B坝）温控措施。

综上所述，本发明通过提供了一种外掺氧化镁简化碾压混凝土坝温控措施的方法，采用在水泥中外掺氧化镁的方式，替代了现有的通水冷却温控方式，并配合表面保温措施，防止了坝体的温度裂缝。本发明简化了温控措施，减小了施工的复杂性及难度，增快了施工进度，并降低了筑坝成本。