（市政工程专业论文）大体积微膨胀混凝土优化选型的研究.pdf

浙 l 人学硕士研究t 学f 节论文 摘要 由丁水工结构中混凝土的体积太大，混凝土内部水化热不能及时向外界 散出，因此造成混凝土内外臣大的温差，也使得裂缝问题在大体积混凝土工 程中屡见不鲜。研究表明，混凝土出现白生体积膨胀会明显减少内外部的应 力差，现在越来越多的工程丌始使用微膨胀混凝上。 本文首先了解一下我国水工结构的发展概况，重点对大体积混凝土存在 的问题以及解决办法进行全面地介绍，提出采用微膨胀混凝土来解决裂缝问 题，对微膨胀量起主要影响作用的各项因素进行分析，明确与影响因素的消 长关系。 其次，采用有限元的计算方法，计算温度场、温度应力场。从基本理论 入手，用公式推导，为以后的用程序进行计算奠定理论基础，同时这也是进 一步深化时所必须具备的理论依据。 再次，本文介绍了关于优化的理论知识。明晰最重要的几个变量的概念 与其意义，针对具体的现实问题，采用数学的方式，正确地用变量表达出来。 然后将实际问题转化为数学计算，实现循环迭代的优化过程。 最后，本文建立一个工程模型，采用前文所述的方法，采用已有的汁算 软件a n s y s 进行计算。从建模、计算温度场、温度应力场、优化自生体积变 形到最终优化后结果的输出，使理论与实际相结合。算例计算结果表明：本 文提出的计算思路与方法是符合实际情况的，可进一步细化，并逐步实现其 在1 ：程中的应用。 【关键词】大体积混凝土、收缩、微膨胀、m g o 、自生体积变形、有限元、温 度场、温度应力、优化分析 浙江人学硕士研究生学何沧文 a b s t r a c t b e c a u s et h ev o l u m eo ft h ed a mi st o ol a r g e ，t h eh e a to fc e m e n tc a n ts e n do u t i m m e d i a t e l y t h i s c a u s e st h eb i gt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef a c ea n dt h e i n s i d eo ft h ed a mc o n c r e t e ，s ot h ec r a c kb e c o m e su n a v o i d a b l e n o w a d a y s ，t h e r e s e a r c hf i n d st h a tt h es e l f - g e n e r a t i n gv o l u m ee x p a n s i o nc a nr e d u c et h et h e r m a l s t r e s sd i f f e r e n c e ，s ot h em i c r oe x p a n s i o nc o n c r e t eb e g i n st ob eu s e di nm o r ea n d m o r e e n g i n e e r s f i r s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ep r e s e n t g e n e r a ls i t u a t i o no f m a s s c o n c r e t ea n d t h ed e v e l o p m e n to fm i c r oe x p a n s i o nc o n c r e t e t h ec e n t r a lt a s ki st oo u t l i n et h e f a c t o r sw h i c hm a i n l ya f f e c tt h ev o l u m ee x p a n s i o n s e c o n d ，f o c u si st h et h e o r yo fc a l c u l a t i o n u s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o a n a l y z et h et h e r m a lf i e l da n dt h et h e r m a ls t r e s sf i e l d ，t h i si sc o n s i d e r e dt ob et h e b a s ef o rg o i n ga h e a d t h i r d ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ec o n c e p to fo p t i m i z a t i o n s o m ev a r i a b l e sa r e e m p h a s e s c l e a ra b o u t w h a t t h e ym e a na n d f i n do u tt h e r i g h t m a t h e m a t i c e x p r e s s i o no f t h e m ，t h a n t h ep r a c t i c a lp r o b l e m st r a n s l a t ei n t oc a l c u l a t i o n f i n a l l y , t h i sa r t i c l em a k e su p a ne n g i n e e rm o d e l a c c o r d i n gt oa b o v et h e o r y a n du s i n ga n s y st oc a l c u l a t es t e pb ys t e p f r o mc r e a t i n gm o d e lt oe x p o r t i n gt h e o p t i m i z e dr e s u l t ，l e tt h et h e o r yl i n kw i t ht h ep r a c t i c e t h i sc o u r s es h o w s t h a tt h i s m e t h o d so u t c o m ea c c o r d sw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r yi sv i a b l ea n dm e t h o d c a n b eu s e di nd e s i g n i n gw o r k 【k e yw o r d t h em a s sc o n c r e t e ，s h r i n k a g e ， m i c r oe x p a n s i o n ，m g o s e l f - g e n e r a t i n g v o l u m e e x p a n s i o n ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h e r m a lf i e l d ，t h e r m a ls t r e s s ，o p t i m i z e 浙江人学硕r 研究生学位论文 第一章绪论 第一节水利工程的发展概况 我国位于亚洲大陆东部，太平洋西岸。全国面积9 6 0 万k m 2 ，居世界第 三位。中国大地，地势高差巨大，地形复杂多样。在这广袤的国土上，河流 众多，径流丰沛、落差巨大，蕴藏着非常丰富的水能资源。据统计，中国河 流水能资源蕴藏量6 7 6 亿k w ，年发电量5 9 2 0 0 亿k w h ；可能开发水能资源的 装机容量3 7 8 亿k w ，年发电量1 9 2 0 0 亿k w h 。不论是水能资源蕴藏量，还是 可能开发的水能资源，中国在世界各国中均居第一位。然而，到目前，水电 开发利用程度仍然较低，开发率仅为1 8 5 。要实现2 0 1 5 年全国水电装机容 量达到1 5 00 0 0 m w ，开发率达到4 0 ，成为名副其实的水电强国，任务还很艰 巨。同时也应该明确我国的水资源分布是极不协调，长江流域及其以南的珠 江流域、浙闽台诸河、西南诸河等流域，国土面积、耕地和人口分别占全国 的3 6 5 、3 6 和5 4 4 ，但水资源总量却占全国的8 1 ，人均水量为全国平 均水平的1 6 倍；辽河、海滦河、黄河、淮河流域，面积为全国的1 8 7 ( 相 当于南方的一半) ，水资源总量却只为南方4 片的1 0 ；北方耕地占全国的 4 5 2 ，人口占全国的3 8 4 ，水资源总量更少，特别是海滦河流域尤为明湿， 人均占有水量为全国平均水平的1 6 。根据水资源分布情况，我国因势利导， 积极发展水利事业，将水力转化为电能，调节蓄水减轻洪涝灾害，发展农业 灌溉搞养殖，并实现南水北调等。 在1 9 4 9 年以前，我国建成并能继续运行的大中型水库大坝只有2 3 座。 新中国成立后的5 0 年，全国共建成了各类大坝约8 67 j - 余座，数量居世界首 位。在国际大坝委员会登记的大坝( 坝高大于1 5 m ) 就有3 万多座。大坝种类 繁多，条件多变，建设者们在不断的建造过程中积累了实践经验，丰富了理 论知识。坝体的主要类型及代表工程可参见表卜l 。目前，我国正在建没的 大坝工程还有三峡、小浪底、万家寨、大朝山、棉花滩等。 浙江人学硕十研究生学位论文 表卜1 箍锅峡水电厂、水r 水电厂、漫湾水电厂、乌汀渡水 混凝上重力坝电站、三门峡水利枢纽、青溪水电厂、黄河大峡水电站、 刘家峡水电站、龚嘴水电总厂、万家寨水利枢纽等 修文水电站、天湖水电站、石门水电站、李家峡水电 混凝士拱坝 站、东风水电站、龙羊峡水电站、二滩水电站等 柘溪水电站、新丰江水电厂、磨子潭水库、桓仁水电 混凝土支墩坝 站、湖南镇水电站等 坑口水电站、江垭水利枢纽、普定水电站、棉花滩水 碾压混凝土坝 电站、大广坝水电厂、天生桥二级水电站等 小山水电站、西北口水库、小浪底水利枢纽、江厦潮 堆石坝 汐试验电站等 土石坝万安水电厂、汾河水库、官厅水库、密云水库等 葛洲坝水电站、映秀湾水电总厂、凌津滩水电站、太 混凝土闸坝 平驿水电厂、东西关水电厂等 梯级电站猫跳河梯级水电站、白山发电厂等 桐柏抽水蓄能电站、十三陵抽水蓄能电站、广州抽水 抽水蓄能电站 蓄能电站等 经过五十多年的工程实践与研究，我国掌握了各类型坝体的施工技术与 关键，并在许多领域处于世界先进水平。 二滩重力拱坝( 坝高2 4 0 米) 的建成，标志着我国的拱坝建设进入世界 先进行列。正在设计的溪洛渡拱坝( 坝高2 7 8 米) 和即将开工的小湾拱坝( 坝 高2 9 2 米) 的坝高、工程量、地震烈度都超过了现有的世界水平。我国在高 拱坝应力控制标准研究、高拱坝新型合理体型研究和应用、高拱坝坝基稳定 研究、混凝土高坝全过程仿真分析及温度应力的研究和应用、以及3 0 0 米级 高拱坝抗震安全性和泄洪消能研究等方面都有突破。 2 0 0 米( 龙滩) 重力坝和1 2 9 米( 沙牌) 拱坝技术难题的突破，加快了我 浙江大学硕十研究生学位论文 国高碾压混凝土坝的发展。”九五”期间，高1 0 0 米以卜的江垭、大潮山、棉 花滩和高8 0 米以上的汾河二库、涌溪三级等都采用了全断面碾压混凝土，取 代丁防渗层和廊道孔口周边的常态混凝上，效果良好，大大简化了施工。但 是坝高l3 0 米以上的高坝尚无实践经验。为此继续采用了”高掺粉煤狄、低水 泥用量、中等胶凝材料、低v c 值”的碾压混凝土配合比设计原则。通过多种 材料研究和试验，表明高拱坝碾压混凝上的物理、力学、变形、抗渗、抗冻 性能均能达到设计指标要求，优化配合比的抗渗和防裂性能得到提高，渗透 溶蚀耐久性安全，高温条件下的层面结合保障技术取得新的进展，为建设2 0 0 米( 龙滩) 级碾压混凝土高坝提供了有力的技术支持。对沙牌( 高1 2 9 米) 高碾压混凝土拱坝首次用仿真法进行了坝体温度场和温度应力分析计算，并 确定了分缝方案、诱导缝的结构型式和多次重复灌浆系统等。新研制的碾压 混凝土埋入式测缝计，选用高精度导电合成材料传感元件，仪器结构设计先 进、技术性能优良，适用于碾压混凝土拱坝施工要求，便于实现自动化监测。 混凝土面板堆石坝关键技术研究取得突破性进展，世界最高( 2 3 3 米) 的 水布垭水电站混凝土面板堆石坝顺利开工。2 0 0 0 年建成的天生桥一级面板 坝，高1 7 8 米，居世界第二，坝体积1 8 0 0 万立方米，面板面积1 5 6 万平方 米，总库容1 0 2 6 亿立方米，均居世界首位。新开工的水布垭水电站混凝土 面板堆石坝高2 3 3 米，为目前世界最高的一座。在面板堆石坝关键技术研究 包括筑坝材料、坝的应力变形计算、面板混凝土改性、面板的接缝、止水结 构等方面取得了突破性进展。 混凝土重力坝是中国高坝建设中的主要坝型，目前，已建和在建的坝高 9 0 m 以上的重力坝有2 7 座。三峡大坝最大坝高1 8 1 m ，将建的龙滩大坝坝高 1 9 2 m 。1 9 8 5 年以来，混凝土重力坝在我国有了较快的发展，已建、在建的碾 压混凝土坝约5 0 座，其中江垭水库最大坝高1 3 1 m ，列世界第三位。 对于水工混凝土建筑物，由于它长年经受着高压、高速水流的渗透、侵 蚀、冲刷、磨损的作用，以及地震、曝晒和冰冻的破坏，所以任何设计与施 工中留下的缺陷或隐患，可以逃过监理人员的检查，却绝对逃不过大自然的 严峻考验。随着这些缺陷不断发展，从量变走向质变，酿成破坏性的事故后， 浙江人学硕十研究生能沦文 将给国家、人民带来难以弥补的灾难，历史上这种惨痛教训己不少见，如“大 跃进”和“文革”时期兴建的一些大坝，由于没有按照科学行事，导敛许多 水库大坝标准偏低、质量问题严重；又如三门峡水库，由于对泥沙问题认识 不足，建成后出现严重问题，不得不多次改建：再如，对水库移民问题重视 不够，办法简单，造成大量遗留问题。这些都应引起高度重视。 对于建筑物的缺陷问题，我们应该有全面和辩证的认识。首先，必须确 认缺陷是影响建筑物安全和寿命的大敌，建设者们必须以极其严肃负责的精 神，严格按照科学原则办事，建立完善的质保制度，采用先进的手段，尽一 切可能消灭缺陷特别是防止重大缺陷的出现。“百年大计质量第一”应永远成 为我们的信条。另一方面，也要理解到在工程建设中有一些规律人们还不能 完全掌握，有一些因素也难以完全控制或避免，因此，缺陷也不可能“完全”、 “彻底”地避免，尤其对水工混凝土建筑物，由于体积庞大，施工周期长， 自然、人为因素极为复杂，要消除一切缺陷更不容易。实际上，世界上没有 不存在风险的工程建设，也找不到一座绝对没有出现过缺陷的建筑物。 解决上述矛盾，必须保证对尽了一切合理可行的努力后仍然出现的缺 陷，认真对待、坚决处理。首先是要加强检查，发现一切暴露和隐蔽的缺陷： 其次是深入分析、查明原因、制定措施、峰决处理，一方面消除后患，一方 面总结经验，防止今后再出现类似缺陷。总之，既不可以缺陷难免为借口而 放松检查处理与改进，也不能在缺陷前手足无措，影响工程进展。实践证明， 只要认真对待，缺陷是可以处理的，质量是可以提高的，经过不断的检查、 分析、处理、提高，最后可以达到较完善的程度。实际上，千百年来，人们 在修建各类工程的同时，也在不断与建筑物的缺陷做顽强的斗争。这种斗争 的经验( 包括对缺陷产生的原因研究预防措施、影响分析、检测手段和处理技 术) 是工程技术中的重要组成部分，反映着人类对工程技术的探索和进步，其 重要性不亚于建筑物的设计理论和施工技术。 浙江人学颁上研究生学位论文 第二节大体积微膨胀混凝土问题的提出 在大体积混凝十工程中最普遍的问题便是裂缝问题，因为体积太人，混 凝土产生的水化热不可能很快散掉，造成混凝土内外的较人温差，致使内外 变形不统，从而造成外部的混凝土受啦，当受到的拉应力过大，超过了抗 拉强度，便会出现裂缝。甚至可以说，大体积混凝土的这种结构形式在月前 而言裂缝问题是不可能避免的。 普通混凝土的自生体积变形大多为微收缩，近年来随着膨胀水泥混凝土 的研究和发展，人们逐渐认识到如能调节水泥的矿物成份使混凝土产生膨 胀性的自生体积变形，将有可能改善混凝土的抗裂性能，简化大体积混凝土 的温控防裂措施。能产生膨胀性自生体积变形的主要有以下几种类型的水泥： 钙矾石型( c s a ) 、氧化钙型( c a o ) 和氧化镁( m g o ) 型。 长江科学院刘祟熙等于7 0 年代中期研制了钙矾石型低热微膨胀水泥因 其膨胀量的9 0 发生在龄期3 天以前，其时混凝土的弹性模量小，徐变度大， 产生的补偿应力很小，因此，实际应用价值较小，但他们的研究引起了人们 对水工微膨胀混凝土的重视，功不可没。 1 9 8 2 年建成的白山重力拱坝，当地气候严寒温度条件恶劣，但建成后 裂缝不多，从原型观测资料中发现，白山拱坝混凝土具有微膨胀性能，对减 少大坝裂缝具有重要作用。后经大量研究证明，白山大坝采用的抚顺大坝水 泥中含有4 2 8 4 3 8 氧化镁( m g o ) 是产生膨胀的根本原因，而且氧化镁混凝 土的膨胀主要产生在中期，大约8 0 膨胀发生在龄期2 0 - 1 0 0 0 天之问，早期 膨胀较小。后期趋于稳定。这种膨胀变形有利于在大体积混凝土内产生有效 的压应力以补偿降温所引起的拉应力。 利用m g o 的延迟微膨胀特性补偿混凝土的温降收缩，有希望将束缚大坝 速度的传统的柱状块浇筑方式、骨料预冷加冰拌和、水管冷却以及坝面保温 等一系列温控措施部分或全部减免掉，这是大体积混凝土施工的革命。 室内试验和原型观测表明，m g o 混凝土的膨胀对混凝土的长期力学性能 影响不大，而由此得到的有效防止危害性裂缝，缩短工期，将产生显著的经 济效益和社会效益。贵州东风水电站工程按原簏工进度无法完成在汛期来临 浙江人。毕硕十研究生学位论文 之前，将深槽混凝上浇筑到大坝基建而8 2 5 m 高程，后采用外掺m g o 混凝土 施工，耿消了纵缝，取消了加冰等温控措施，减少了混凝土分块，直接节约 温控和灌浆费用5 7 5 万元，提前一年施工期，挽回了2 ，0 4 亿元的电能。长沙 拱坝应用外掺m g o 混凝土筑坝技术加快了旋工速度，比常规混凝七拱坝仅提 前发电效益就为3 2 0 万元，节约温控费8 0 万元左右，施工期提前产生给施 ： 单位带来的效益约为3 0 0 万5 0 0 力- 元。 掺m g o 混凝土筑坝技术，特别是外掺m g o 碾压混凝土筑坝技术克服 了大坝工程具有的建设周期长、投资大的缺点，将受到越来越多的关注和青 睐。 全面分析m g o 微膨胀混凝土的补偿效果，结论如下： 1 混凝土坝温度应力补偿要求“延迟性”膨胀变形，根据大体积混凝 土散热缓慢的特点，要求m g o 微膨胀混凝土在龄期1 个月左右膨胀 ( 1 0 0 1 5 0 ) x 1 0 。6 ，半年左右达到( 1 0 0 1 5 0 ) x 1 0 “，并趋于稳定。膨胀不能过 早，以便储存较多的变形能。譬如，膨胀若发生在龄期3 d 以前，这时混凝土 弹性模量较低，徐变度过大，即使膨胀变形达几百个微应变，补偿应力相对 是不大的，而且很快被松弛殆尽。 2 m g o 微膨胀混凝土有效补偿部位在基础约束区，超过约束区的m g o 混凝土不起补偿作用，可以浇常态混凝土。根据温度应力理论，水化热降温 收缩产生拉应力发生在距基岩面以上( 1 4 1 2 ) l 块长范围之内，混凝土膨 胀自生体积变形受基础约束，其受力状态和均匀降温与基础相似，只是应力 为受压，所谓微膨胀混凝土的温度应力补偿实质上就是补偿这个部位的约束 温度应力。 老混凝土约束区情况和基础约束大体一样。 3 坝块长度对补偿应力的影响。在温控水平较低时，往往要求减少坝 块氏度，高坝则需高纵缝，蓄水前进行二期冷却和灌浆。采用m g o 混凝上可 以加大块长，取消纵缝，由此增加的温度应力可用膨胀变形产生的预压应力 予以补偿。在相同的基础约束条件下，补偿应力不随坝块长度而改变，町调 整m g o 混凝土的参数来提高补偿效果。此结论给通仓浇筑混凝土提供了理论 依据。 浙江人学硕十研究生学何论文 4 浇筑层厚度和间_ | 5 = 时涮对补偿应力的影响。薄层长问歇可以使顶面 进行散热，是传统温控重要的一项措施，采用m g o 混凝土可以加大层厚、缩 短间歇时间，由此而增大的温度应力，可用m g o 混凝土予以补偿，此结论提 供了连续浇筑的理论依据。 5 没有必要用m g o 混凝土防止表面裂缝。m g o 混凝土可以提供均匀 的膨胀变形，但在坝体上部超出基础约束区，均匀变形不产生应力。为了防 止表面裂缝，有人提出应用“差膨胀混凝土”，即表层浇m g o 混凝土、内部 浇常态混凝土，利用内部混凝土的约束作用，在表层产生预压应力。但在高 温季节将增大内部拉应力，对大坝不利，不如采用表面保温简单合理。当然 更不该只在内部浇微膨胀混凝土，以免把大坝胀裂。 第三节本文的主要目的和工作 大体积微膨胀混凝土正被越来越多的运用在实际工程中，其原理也【f 在 被研究和探讨。通过对微膨胀混凝土各项性能的研究结果及工程应用来看， 效果良好，对防止裂缝的产生起到了很大的作用。同时也看到，膨胀剂的掺 量多采用经验掺配比，并对整体采用统一的掺配，并对这个掺配比能产生怎 样的效果，以及是否合理都没有理论上的论证，只能在建成之后再进行测试 分析。因此为了能更进一步了解其原理，并对施工有个明确的指导，考虑 通过理论上的分析计算，确定一个最适合大体积混凝土的自生体积变形量， 即微膨胀量。当混凝土产生这个变形量之后，应力状况能够达到一个比较合 理的状态，从而控制混凝土出现的拉应力，减少普遍存在的裂缝问题。 如果确定出适合混凝土最优的膨胀量的大小，再回归计算出对应膨胀剂 的掺配，那就可以针对每一具体工程配出适合的膨胀剂，进行适合的掺配， 提高工程质量。这就是本论文的一个产生过程。 一、本文的主要研究目的 本文的主要目的是确定出一个最优的自生体积变形量。当混凝七中产生 浙 l ：人学硕十研究生学位论文 这个最优的自生体积变形量时，混凝土内部应力处于相比之下最优状态，从 而减少裂缝的产生。 在微膨胀混凝土方面，成都勘测院的李承术做了大量的工作，得到了许 多准确的数据，从而从宏规卜了解了微膨胀产生大小的主要控制因素，王见在 的研究结果可以基本上明确了膨胀量与部分主要影响因素的消长关系，并可 以针对具体的试件可以进行数据上的量化。也就是说，如果得到了一个最优 的自生体积膨胀量，那么就可以确定膨胀剂的含量，以及调整与之相关的各 项外在因素使混凝土的自生体积变形达到理想的要求，实现混凝土拉应力减 小。 当本文的研究工作成熟并得出结论准确，就可以结合自生体积变形与影 响因素i 、日j 消长关系的研究成果，计算出到准确的膨胀剂掺配量以相适应的 施工方式，实现具体工程具体分析，更好地发挥膨胀混凝土的作用。这也是 本文的工作的可行性与实用性。 二、本文的主要工作 1 全面了解大体积微膨胀混凝土的各项性能 从微膨胀混凝土的发展过程与现在的试验、工程应用情况，尽量全面地 了解微膨胀混凝土的各项性能，来验证这个研究方向的可行性，是否有意义。 2 对大体积混凝土的温度场、应力场进行全面分析计算 首先要明确温度场与温度应力场的计算原理，奠定一个理论基础。在明 白了计算过程的原理后，也就明白了程序只是作为一个多维数组的计算工具， 最基本的还是理论。 然后再选用软件进行分析。现在针对水工建筑物计算温度场与温度应力 场的软件比较少，而针对不同的坝体形式通常不能混用，适用性也相对较严 格。为了实现本文研究的目的，必须要先求出温度场和应力场，才能以应力 为主要控制手段来进行优化设计，所以选用通用有限元分析软件a n s y s 柬进 行温度场与应力场的求解，对如何正确地将各项影响因素输入，及计算的步 骤做一些工作，从而找到适合分析水工建筑物的步骤，使计算结果符合实际。 浙江人学碗十研究生学何论文 3 进行优化的分析 根据优化的目的，选定一种优化i ：具进行分析，确定出状态变量与设计 变量，进行有限的搜索，找到满意的结果。 4 总结整个过程中的不足与需要改进的地方 当走完这个过程后，会对这个研究课题从整体上有个新的认识，对进展 过程中需要重点注意的，以及彳i 足、需要改进的之处，提出些建议与意见， 希望能对这个方向的研究做出点点的贡献。 9 浙江人学硕l 研究生学位论文 第二章大体积混凝土结构 第一节普通大体积混凝土的性质 混凝土是以胶凝材料与骨料按适当比例配合，经搅拌、成型、硬化而 成的一种人造石材，工程中用到的为水泥和砂、石按一定的配合比拌合而 成的水泥混凝土。 混凝土应用中最常见到的以普通硅酸盐水泥为胶凝材料，分析其特点， 可以发现硅酸盐水泥的水化热比较大且放热速度又比较快，并不适用于大 体积混凝土。 针对此特点，研究有专门的适用于水工结构的水工混凝土。 ( 一) 其基本组料如下： ( 1 ) 水泥 在水位变化区及大坝溢流面，水泥标号应取大于4 2 5 号，并优先选用 大坝水泥，其次是硅酸盐水泥，再其次普通大坝水泥，然后普通水泥：在 大体积内部及水下，应优先选用混合材水泥或其它低热水泥。 ( 2 ) 砂石骨料 砂石骨料之级配应通过试验确定。对大体积水工混凝土石子最大粒径 应取8 0 1 5 0 m m ，以降低水泥用量。 ( 3 ) 粉煤灰 粉煤灰的烧失量应小于1 2 ，o 0 8 r a m 筛余应小于1 2 ，含水量应小 于1 ，s 0 3 含量应小于3 5 。 ( 二) 水工水泥混凝土的配合比设计要点 水工水泥混凝土配合比检验指标主要有抗压强度、抗裂性、抗渗性、 抗冻性、抗冲磨性、抗风化性、抗侵蚀性以及经济合理等。 ( 1 ) 配制强度可取r m l 一f c v ) ，其中施工质量控制的离差之程度数据 f 及c v 的取值参照表1 1 。大体积水工水泥混凝土的设计标号锻以9 0 大 1 0 浙江人学硕十研究生学位论文 为准。 表1 1 强度保证混凝十设计 8 08 59 09 515 0 号2 0 0 2 5 003 0 0 号 率( ) 标号r l a l r08 4l0 41 2 81 6 3c vo 20180 1 5 ( 2 ) 坍落度及单位用水量可参照表1 2 ，砂率的初步选择亦有表格可参照。 但最终的确定必须通过试验确定。 表1 2 用水量d 卵钉 碎f 1 g 咖3 ) 册) 结构种类 甥毒汹l 1 02 04 01 02 04 0 n 基础垫层、无筋及少筋配件 1 31 9 01 7 01 6 52 0 51 8 51 7 0 板梁、大中型柱子 3 52 0 01 8 01 7 02 1 51 9 51 8 0 配筋密布结构 5 72 1 01 9 01 8 02 2 52 0 51 9 0 配筋特密结构 7 , - 02 1 51 9 51 8 52 3 52 1 52 0 0 _ ( 3 ) 最大允许水灰比可参照表1 3 选择。 表1 3 外水位外水位水位变 冲刷部 环境条件 基础内部说明 以上以下化区位 寒冷地区 1 如有环境侵蚀， 0 6 o 5 5o50 5 50 7 加7 50 5 ( 混合( 硅质) 水泥 矿渣水泥 普通水泥 早强水泥 中热水泥 粉煤灰水泥。 ( 二)膨胀剂掺量： 白生体积变形与膨胀剂的掺量成正比的关系。这由膨胀原理就u j 以得 2 3 浙江人学硕十研究生学位论文 出，比如掺加m g o 的微膨胀混凝士：当含的m g o 越多，生成的m g ( o h ) 2 就会越多，产生更多的变形，从而更多的补偿混凝土本身的收缩值。经试 验可以得到自生体积变形与m g o 含量之间的大致的关系，如下图，在平均 意义上的近似关系为：占= 】3 。5 9 ( m o 5 ) 】0 4 。点的分布比较分散，这是由 于除了m g o 掺量外，其它的影响因素对混凝土的自生变形也有影响，比如 环境温度、水泥品种、粉煤灰掺量等，这些影响因素与自生体积的变形关 系也是进一步研究的内容。 氧化镬古量州k m 1 ) 倒3 - 2 混凝十m g o 含量m 与3 6 5 天自生体积变彤的关系 ( 三) 粉煤灰的用量： 用粉煤灰代替部分水泥，可以减小水化热，使自生体积变小。国家建 筑材料研究院研究表明，火山灰质混合材内比表面积( 单位是1 0 4 ) 的大小 是影响水泥收缩的主要因素。当具有较大的内比表面积和吸水能力时，掺 入水泥中使水泥需水性增大，干缩也就较大。通过几种材料的对比，粉煤 灰的内比表面积最小，仅为4 6 m 2 g ，试验中当掺入了4 0 粉煤灰后水 泥净浆的于缩率只有不掺的7 7 ，充分说明了粉煤灰可以降低混凝土的于 缩率。 在大体积混凝土中粉煤灰掺量较高，有的高达5 0 ，有的还用粉煤灰 代替部分细骨私l 一砂，也就是所谓粉煤灰“超量取代”。保持了粉煤灰混凝 七降低水化热温升、提高强度增长率等特点，同时还部分克服了粉煤灰等 浙江人学硕i 研究生学位论文 餐= 取代的混凝土早期强度低的弱点。七十年代开始采用的碾压混凝土，更 足采用了高掺量的粉煤灰，有的高达7 0 ，水泥用量也相对减少。试验也 表明，碾压混凝土的干缩比常规混凝土的小。这对提高混凝土的抗裂性是 有利的。具体的粉煤狄的影响可参见文献1l 。 ( 四)温度影响： 温度影响多个方面。一方面温度升高，会引起水泥石的层间水失去， 引起收缩；另一方面温度升高也对混凝土产生热胀作用，使混凝土膨胀。 更主要是温度的变化对由m g o 产生的自生体积变形过程有影响。试 验表明m g o 产生的自生体积变形是与温度成正比的。 c 一 一 o q 龄期t i f f ( 五)混凝土的配合比 原材料一定的条件下，混凝土配合比对收缩有很大的影响，这罩主要 是单位用水量、单位水泥用量、水灰比、砂率及灰浆率等参数。 在用水量一定的条件下，混凝土收缩随水泥用量的增加而增大。从试 验数据得出混凝土收缩随单位用水量、水泥用量及水灰比的增加而增大。 而且水灰比的影响幅度比单位用水量要大。在水灰比相同条件下，混凝土 的收缩随砂率的增加而加大，但增大的幅度较小。 ( 六)其它因素 通常还采用掺加外加剂的方式来达到某一特定的要求。常见的有减水 浙江大学硕十研究生学位论文 剂、引7i 剂、早强剂等。般说柬，掺用化学外加剂都使混凝土收缩有不 同程度的增大，因此我国混凝土外加剂标准规定，掺外加剂的混凝士收缩 比不掺的基准混凝土收缩不得大于2 0 。同样美罔、h 本等圈家也对此都 做出了一定的限制。 环境的温湿条件养护条件也会对混凝土的收缩有一定影口叭因此要严 格地对施工进行管理，以保证混凝土的质量。 第六节氧化镁混凝土在应用时的注意事项 作为一种外掺剂，对氧化镁含量( o r e 7 5 1 9 9 9 ) 做出了规定：水泥中氧 化镁含量不宜超过5 ，如水泥压蒸安定性试验合格，可放宽到6 ( g b l 7 6 ) 规定。以上规定把氧化镁作为一种有害成分加以限制主要是针对一般民 用建筑物的要求而言。三十多年来的试验研究及施工实践证明，大体积混 凝土为了降低自身体积收缩及温降收缩，在掺有3 0 以上粉煤灰的情况下， m g o 总含量可以控制在7 左右。含量过低就达不到补偿收缩要求，过大 则会因膨胀量过大而造成结构物的破坏，或由于过量的m g o 而造成混凝土 表面粉化、剥蚀。 使混凝土含有m g o 有两种方式：种是使用含有m g o 的水泥，称为 内含方式；将一定细度的m g o 按一定掺量，直接投到混凝土拌和机内，与 水泥、骨科等拌和，这种方式称为外掺方式。 内含方式由于在水泥生产中均化较好，因而m g o 含量波动小，在混 凝土中分布也较为均匀，是一种经济、实用、简便地利用m g o 配制补偿收 缩混凝土的方案。外掺方式则可以不改变混凝土级配、不增加拌和时州， 更不需要特制水泥和改变现有的工艺设备，还可以灵活地进行调整，火大 地简化了施工，关键是m g o 在混凝土中的均匀性。 夕r 掺m s 。含量c ，= 写i i i ；：；：；i t 。 在掺量已定的情况下，为了减少混凝土的裂缝问题，施工中应该注意 浙江人学硕十研究，l 学位论文 的事项： 1 加强混凝土表面养护 利用m g o 的延迟性微膨胀的作用，来防止混凝十坝丌裂，这是一种 内因的作用，利用保温技术，防止大坝发生表面裂缝面发展至深层裂缝， 这是保证混凝土坝体不开裂的重要外因。根据已施工的混凝土工程产生裂 缝原因，大多数都是保养不好，造成混凝土产生冷急温差裂缝，失水干缩 开裂，产生不均匀沉降缝等。因此混凝土麓工时，特别是冬季施工，应加 强保温保温养护，最好在上下游面喷涂或铺设泡沫塑料保温材料。夏季施 1 二应加强保湿养护，在上下游喷涂混凝土养护剂，表层混凝土采用塑料管 穿小洞，长期喷水养护。夏季高温施工时对仓面喷雾、保湿、保温，保证 混凝土施工时振捣密实。 2 保证外掺m g o 含量的均匀性 为了保证m g o 微膨胀混凝土的均匀性，在大中型工程中宜配制高含 量m g o 水泥，或在水泥研磨前，把轻烧m g o 熟料按要求量掺入水泥中一 起磨制，以保证m g o 含量的均匀性。在中、小型水电工程中宜采用外掺 m g o ，其混凝土拌和时间应延长1 m i n 一2 m i n ，或拌和时间按不少于4 m i n 控制。应用计量系统的微机自动记录反馈m g o 投料量，以此评定其掺量及 均匀性。 3 按不同要求调整m g o 含量 m g o 的微膨胀量与施工期温度、掺合料以及施工配合比有直接关系， 即温度高，其膨胀量大，因此，m g o 掺量应根据设计要求的膨胀量，根据 不同施工气温及配合比随时适当地调整m g o 含量，以达到不同气温及坝体 要求的补偿应力的微膨胀量。 4 m g o 总量不宜超过8 根据有关资料介绍，m g o 含量大于水泥的8 后，混凝土表面将会产 生粉比剥蚀。为了满足混凝土膨胀量的要求，可以通过优化水泥矿物成份， 掺用多功能混凝土外加剂，以及通过优化混凝土施工配合比解决。 5 加强混凝土施工质量控制 混凝土施工质量管理，是保证微膨胀混凝土施工质量的关键，因此， 浙江人学硕士研究生学位论文 必须加强对拌和计量的监控和m g o 拌和均匀性，混凝土低坍落度，骨料防 分离，仓面充分振捣密实，台阶法搭接良好等各环节的管理和监控。 第七节推广微膨胀混凝土技术的重点问题 可以看出，微膨胀混凝土作为一种新兴技术，表现出了它的优势与发 展潜力，为了更广地应用需要着重解决的问题，也是研究的发展方向： 1 研究氧化镁含量的合理限制 如果根据国家现有水泥标准，把氧化镁掺量控制在5 以内，一年的自 生体积膨胀大多在1 2 5 x 1 0 4 以内，只有华南地区，可利用m g o 混凝土建筑 通仓常态混凝土重力坝并全年施工，或在冬季三个月内浇筑中小型常态混 凝土拱坝，从全国范围来看，筑坝水平难有大的改观。如果能突破5 掺率 的限制，把混凝土1 年的自生体积膨胀提高到2 0 0 3 0 0 x 1 0 4 ，那么在全国 范围内常态混凝土重力坝，可以取消纵缝、通仓浇筑并全年施工，常态混 凝土拱坝也有可能取消横缝并全年施工，如果能突破5 的限制，碾压混凝 土重力坝的施工速度也可能进一步提高。可见5 掺率的限制是否能突破是 m g o 混凝土筑坝技术能否改观的关键。尤其在水工结构中突破5 是完全 可能的，应通过试验，制定m g o 掺量的新规定。 2 改善混掺工艺 氧化镁混凝土的另一个重要问题是要膨胀均匀，如果膨胀不均匀就可 能破坏混凝土内部结构，降低混凝土质量。掺加氧化镁的方式有水泥内含、 水泥厂内掺和水泥厂外掺等三种。对于前两种方式，均匀性一般是有保证 的，但对水泥厂外掺能否做到均匀，目前存在着争议。在现场外掺可以根 据情况变化及需要随时调整掺量，这是一大优点，但施工现场的工艺设备 及情况的多变也增加了其掺量的多变性，是否能保证均匀还需要研究出科 学的工艺设备及检测方法来改进。 3 改善氧化镁品质 浙汀人产硕十研究生学仿沦文 氧化镁的煅烧温度、磨细粒度等对m g o 混凝土质量有重要影响。f 1 前国内氧化镁的生产设备和制造工艺比较落后，难以满足大蜘模应用的需 要，应采用先进的生产设备和工艺，改善氧化镁品质。为满足今后大规模 应用的需要，氧化镁应在严格的生产程序下产出，能严格保证产品质量 并能广泛而稳定地供应巾- 场。 4 研制具有不同膨胀速率的膨胀剂 除了氧化镁外氧化钙和钙矾石等也可引起自生体积膨胀，但它们具 有与m g o 不同的膨胀速率，另外，粉末粒度也影响水化速率从而影响膨胀 速率，因此，适当地改变掺加料的成份和粒度，有可能得到不同速率的膨 胀剂系列，以适应不同的结构需要。 浙i 人学颂卜m 究生学位沦义 第四章大体积微膨胀混凝土优化选型基 本原理及算法 第一节有限元计算温度瘗由场 对于均匀的各向同性体，由微元体热流量平衡，可得热传导方程为： 塑：口( 窑+ 窑+ 窑) + 娑 ( 4 1 ) 一8 t 卸【可+ 萨+ 萨) + 百 其中口为导温系数，单位m 2 h ，口为混凝土的绝热温升，单位。t 为温度 参数，t 为时间参数。 l 第一类边界条件 混凝土表面温度t 为已知函数，满足： r ( f ) = t o ( t ) ( 4 2 ) 混凝土与水接触时，表面温度等于已知的水温，属于这类边界条件。 2 第二类边界条件 混凝土表面的热流量是时问的己知函数，满足： 一五娶：厂( f ) ( 4 3 ) 式中1 1 _ 为表面的外法线方向，五为导热系数，单位k l ( m h 。c ) ，若表面 绝热，则有坚：0 。 3 第三类边界条件 混凝土表面与空气接触时，经过混凝土表面的热流量是： a r q 。一 a n 假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度t 和气温t a 之羞成正 比即： 一五坚：( 丁一n ) ( 4 4 ) 浙j l ：大学埘l 研究0 学位沦义 式中为表面放热系数，单位为k j ( m 2 h 。c ) 。 当表面放热系数趋于无穷大时，t = t o ，转化为第一类边界条件。 当表面放热系数口趋于0 时，又转化为第类边界条件。 4 第四类边界条件 当两种不同的固体接触时，如果接触良好，则在接触面上温度和热流 量都是连续的，边界条件如下： r ，r ：， 塑：a ：丝f 4 5 1 锄加 两种不同的固体接触不良，则温度是不连续的，t i t 2 ，这时需要引 进热阻的概念。假设接触缝隙中的热容量可以忽略，那么接触面上热流量 应保持平衡，因为引入如下的边界条件： 五l 掣： ( m7 1 ) ，无孚勘娑 ( 4 6 ) a hr 。、 7 a n0 n 式中皿为接触不良时产生的热阻，可由试验确定。 以上的四种边界条件，前三种是大体积混凝土结构中经常出现的，第 四种边界条件在考虑接缝传热时可以引入。实际工程中因为接缝热阻测定 的困难，通常没有多大的实际意义。 考虑空间问题，应根据变分原理，等价于求解泛函的极值问题： 温度r ( x ，y ，z ，f ) 在t = o 时取给定的初始温度t o ( x ，y ，z ) ，在第一类边界c 上 取给定的边界温度t a ，并使下列泛函取极小值： 咿，州( 矾飘针挣刮一 。， + 删刀2 一面7 1b 右边第一大项对于二维问题是求解域r 内的面积分，对于三维问题是求解 域r 内的体积分：第二大项对于二维问题是在第三类边界c 上的线积分， 对于三维问题是在第三类边界c 上的面积分。 把求解区域划分为有限个单元，设单元e 的结点为i ，j ，m ，p ， 浙扛人学顺f ：研究生学位论文 结点温度为r ( f ) ，乃( f ) ，n ( f ) ，昂( r ) ，单元内任一点的温度用结点的温度表 示如下： 丁。( x ，y ，z ，f ) = ，( z ，y ，z ) z ( r ) + m ( x ，y ，z ) 乃( f ) + - + ( 工，y ，三) 昂o ) 【，m 坼】 l 乃 ： n 【】8 ( 4 8 ) 仕上虱，彤幽裂m 【x ，y ，z j 是坐杯x ，y , z 明幽裂，口姑息强厦【f ) 是h 1 日jt 的函数。 由式( 4 8 ) 可得单元内任一点的温度变化速率： o 西t _ no a t + m 署+ “- + 坼堡o t - 】 百o t ) 。 ( 4 t 9 ) 因此把单元e 作为求解域r 的一个子域a r ，在这个子域的泛函值就可以由 式( 4 9 ) 表示出来。 对上式在积分号内求微商，得到： 磊= 船+ 蟮乃+ t + 协“署+ 呼鲁+ 娣鲁 ( 。，o ) 吖警城五+ 或n + 爵昂一l 式中 巧= 烈芸警+ 喾等+ 警警卜纰 c 。j o t a ， = j 1l 驱n 蹦d x d y d z ( 4 1 0 胡 仔：毋蚴( 4 1 0 c ) g ；2 去g 出 一1 0 d ) 线2 醛n 矗s ( 4 1 0 t c ) 其中薛和是在第三类边界c 上的面积分( 或是线积分) ，只有当节点落 浙江人学坝j 研究生学位论文 在边界ck l , t a 有值。 在单元足够小的条件下，可用各单元泛函值之和代表原泛函，即： 咿) 兰，。( 7 1 ) ( 4 1 1 ) 为了使泛函1 ( t 1 实现极小值应有： 旦兰y 塑：0 a t , 拿c 3 t , 把( 4 1 0 ) 代入( 4 1 2 ) 有- ： 州r + 尺楞卜 - o 其中【h 】， r 】， f ) 的元素如下： 胁= ( 巧+ g ；) r u = 舌 f = ( 一，。- p t t o ) 式中表示对结点i 有关的单元求和。 f 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) ( 4 1 3 a ) ( 4 1 3 _ b ) ( 4 1 3 c ) m ) 驯孙