掺氧化镁溷凝土建造高碾压溷凝土重力坝的温度补偿计算方法

1、掺氧化镁混凝土建造高碾压混凝土重力坝的温度补偿计算方法胡平，杨萍(中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038)摘要：本文探讨了大坝混凝土掺氧化镁后温度徐变应力的变化规律，建立了考虑温度历时效应的氧化镁微膨胀混凝土仿真计算方法，计算中考虑了温度对混凝土自生体积变形的影响，严格按照混凝土龄期和温度场的分布状况，选取与之相对应的自生体积变形增量。并以一工程为实例，比较了坝体混凝土掺或不掺氧化镁的温度徐变应力的不同。得出的结论认为，在大体积混凝土内部，掺氧化镁能够起到补偿温度应力的作用，但是，对靠近边界部位的混凝土，由于混凝土表面一定范围内的温度梯度较大，加之边界周边环境因素的影响，如

2、没有采取有效的表面保护措施，将会引起局部膨胀量的不一致，从而削弱掺氧化镁的补偿作用，甚至有可能增加局部混凝土的拉应力，引起早期表面裂缝。关键词：氧化镁；微膨胀混凝土；温度历时效果；混凝土大坝中图分类号：TV642.2文献标识码：A大体积混凝土结构由于水泥水化热作用及周围介质温度的变化，往往使结构产生较大的温度徐变应力，从而导致结构出现裂缝。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，合理的调节水泥的矿物成分，使混凝土产生膨胀性的自生体积变形，将会有效地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。其中有效的措施之一，就是在混凝土中掺入氧化镁膨胀剂。氧化镁在混凝土中发生水化反

3、应，生成氢氧化镁；由于其水化反应较慢，因此在混凝土中产生延迟性的膨胀变形，得以补偿混凝土内部由于温度和干缩所引起的收缩变形，减少结构的收缩应力，防止裂缝的发生。目前，已有一些水利工程，在局部或特殊部位(如东风拱坝的基础填塘、陡坡等部位)使用了该项技术。本文阐述了掺氧化镁对大坝各部位混凝土应力补偿的功效，所得结果可供设计和施工参考。1 温度补偿计算方法的研究随着在混凝土中外掺氧化镁技术的不断完善，在一些世界级的高碾压混凝土坝的设计和施工中，该项技术已逐步推广到主体结构的混凝土中。经过科研人员长期的研究试验，人们对掺氧化镁混凝土的特性，已经达成如下共识1：(1)由氧化镁水化生成氢氧化镁的速度与温度

4、有关，温度越高水化速度越快，氧化镁混凝土的膨胀速率与氧化镁的水化速度成正比，因此，掺氧化镁混凝土的自生体积变形，不仅是龄期t的函数，同时还是温度T的函数；(2)氧化镁混凝土的最终膨胀量只取决于其所掺氧化镁的含量；而达到最终膨胀量所需要的时间，则与温度有关；(3)氧化镁的水化反应不可逆，由此而产生的膨胀亦不可逆，且单调增加。因此，氧化镁混凝土的膨胀性单调递增且不可逆。混凝土结构在热、力作用下单元的温度徐变应力矩阵方程为Knene=Pnttce+Pcbne+PnTe+Pone+Fne(1)式中：Kne为单元刚度矩阵，；ne为单元结点位移增量向量；Pnttce为瞬态徐变等效荷载；Pcbne为n时段基

5、本徐变增量等效荷载；PnTe为单元温差变形增量等效荷载；Pone为自生体积变形增量等效荷载；Fne为n时段单元结点力增量。集合所有单元，即可求得整体域上的应力分析矩阵方程Kn=Pnttc+Pcbn+PnT+Pon+Fn(2)求出n时段的位移增量n后，即可求得应力增量。对于其中的自生体积变形增量等效荷载Pone，有：(3)式中：on为n时段自生体积变形增量。考虑氧化镁混凝土的膨胀特性后，大量的试验资料表明，氧化镁混凝土的自生体积变形0(t)满足以下条件：(1)龄期t,0(t)/t=0；(2)温度T=C，0(t)随t单调增加；(3)t=0，0(t)=0；(4)T/t>0,0随t的增大而单调增

6、加(依赖T)；(5)T/t<0,0随t的增大也单调增加；(6)T/t=0，0随t的增大而单调增加(依赖T)。由此可知，0(t)除与龄期有关外，尚与温度T有关，即0=0(T,t)，于是可设其自生体积变形0(T,t)为：(4)式中：，其中i=1，2，3，n。本文根据掺氧化镁混凝土自生体积变形随温度变化的特性，拟合出一个便于数学处理的混凝土膨胀变形计算方法，合理地模拟其随混凝土龄期和周边温度的变化，以膨胀变形增量作为初应变，求解延迟型膨胀混凝土结构的徐变应力，并编制了相应的计算软件2。2 实际工程算例以目前国内在建的一高碾压混凝土重力坝的实际挡水坝段为算例。图1是基础约束区三级配碾压混凝土，掺

7、氧化镁后，在20、40、60恒温养护条件下的自生体积变形试验结果，以及在20恒温养护条件下，不掺氧化镁的自生体积变形试验结果。由图1可见，掺氧化镁混凝土的自生体积变形，在相同龄期的条件下，随周边温度的升高而增加。以第150d的试验值为例，20恒温条件下，不掺氧化镁混凝土的自生体积变形量为收缩9.8×10-6；而外掺氧化镁的混凝土，在20恒温条件下，自生体积变形量为膨胀15.98×10-6；在40恒温条件下，自生体积变形量为膨胀46.02×10-6；在60恒温条件下， 自生体积变形量为膨胀73.85×10-6。因此，在大坝混凝土温度徐变应力仿真计算中，在模

8、拟坝体内任意一点的自生体积变形时，须考虑它既是时间的函数，又是变温(温度变化或温差不同)的函数，使之符合氧化镁混凝土的自生体积变形特性。在不同时间、不同部位、不同的温度条件下，用掺氧化镁来补偿坝体混凝土温度徐变应力的效果都不尽相同。该坝块实际长160.0m，宽20.0m，高180.0m。因是对称结构，取一半10.0m宽度计算，计算高度至40.0m(见图2)。坝块基础部位6m为常态混凝土垫层，以上为三级配碾压混凝土RI。计算中混凝土的材料参数见表1，徐变度参数见表2。入仓温度为1620，浇筑层厚1.01.5m，浇筑间歇期7d，上下游面、上表面与气温接触，对称面为绝热边界。分别计算外掺氧化镁和不掺

9、氧化镁两个方案，分析掺氧化镁对基础块碾压混凝土温度应力的影响。图1 外掺氧化镁混凝土的自生体积变形图2 基础块计算示意计算结果显示，混凝土内部最高温升分别是：掺氧化镁方案为37.60，不掺氧化镁方案为35.80。选取A-A断面的计算结果加以分析(如图2所示，A-A断面为位于三级配碾压混凝土RI中209.0m高程的水平断面)。图3为不掺氧化镁方案，A-A断面碾压混凝土历时温度应力分布。图4为掺氧化镁方案，A-A断面碾压混凝土历时温度应力分布。图中应力方向为上下游方向，拉为正，压为负。图3 不掺氧化镁时A-A断面温度徐变应力历时分布(单位：×10-1MPa) 表1 混凝土与基岩

10、的材料参数项目常态混凝土三级配碾压混凝土基岩掺氧化镁不掺氧化镁掺氧化镁不掺氧化镁弹性模量/GPa*39.037.439.743.416.0泊松比0.1670.1670.1630.1630.270容重/(kg/m3)24502450240024001700线胀系数/(×10-5/)0.70.70.70.70.7比热/(kJ(kg·)-1)0.96720.96720.96720.96720.9672导温系数/(m2/h)0.00370.00370.00390.00390.0037导热系数/(kJ(m·h·)-1)8.7768.7769.2709.2708.7

11、76表面散热系数/(kJ(m2·h·)-1)4242424242绝热温升/()26.0/(1.007+)25.3/(1.007+)23.0/(3.257+)20.7/(3.257+)注：*其中弹性模量为90d的值由图3和图4对比可见，在其他条件相同的情况下，不掺氧化镁，混凝土内部运行期的最大拉应力为1.3MPa；掺氧化镁后，混凝土内部运行期的最大拉应力为1.1MPa，减小了0.2MPa。而在混凝土表面，掺氧化镁后，由于表面810m范围内，混凝土的温度梯度较大，加之边界周边环境因素的影响，导致在表面附近混凝土局部膨胀量的不一致，由图中可见，这些部位应力曲线的变化比较剧烈。图4

12、掺氧化镁时A-A断面温度徐变应力历时分布(单位：×10-1MPa)根据混凝土的徐变试验结果，按以下徐变度公式(5)进行拟合，各参数列于表2。(5)  表2 徐变度参数参数常态混凝土碾压混凝土参数常态混凝土碾压混凝土A04.57385.1642B111.61809.6545A123.40814.248B20.00018.622A26.29570.016952K214.46203.1968A30.0001240.000034D14.46201.1997A40.305670.26341K30.0153920.00247733 几点认识(1)掺氧化镁混凝土的自生体积变形增量随温度的

13、升高而增大，研究中考虑到这一因素，将有助于人们更合理地评估掺氧化镁后对混凝土收缩变形的补偿作用；(2)掺氧化镁混凝土补偿温度应力的作用是有条件的。在大体积混凝土内部，掺氧化镁后能够起到相应的补偿作用；而对靠近边界部位的混凝土，如没有采取有效的表面保护措施，由于混凝土表面一定范围内的温度梯度较大，加之边界周边环境因素的影响，会引起局部膨胀量的不一致，将有可能削弱掺氧化镁的补偿作用，甚至有可能增加局部混凝土的拉应力，引起早期表面裂缝1；(3)在碾压混凝土重力坝主体部位的施工中，采用掺氧化镁混凝土时，要重视表面保温，减小表面混凝土中的温度梯度；同时，要从掺混工艺和结构形式多方面入手，使得掺氧化镁后混凝土的膨胀尽可能均匀。(4)对于结构约束条件对掺氧化镁的补偿作用的影响