外掺MgO快速筑坝技术难点与实施建议

黎耀贵,吕 锋

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

外掺MgO快速筑坝技术难点与实施建议

黎耀贵,吕 锋

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

本文针对凉天沟水库外掺MgO混凝土拱坝，从外掺MgO快速筑坝技术原理、掺入方法及实施的控制难点，分析实施过程中存在的风险。结合凉天沟水库拱坝基本概况及目前工程建设模式采用的是传统业主负责制的建设管理模式(业主主导，设计、施工、监理配合)分析，提出建议类似项目采用的管理模式。

凉天沟水库；拱坝；MgO混凝土

1 凉天沟水库工程概况

凉天沟水库坝型为C20常态混凝土外掺MgO双曲拱坝，泄洪方式采用表孔自由溢洪，取(放)水口布置在大坝左坝段，紧靠溢洪道布置。坝顶长167.77 m，坝顶宽5 m，坝底最大宽度14 m，最大坝高60.2 m，坝体混凝土方量4.5万m3。

凉天沟水库拱坝初步设计阶段设计采用MgO筑坝技术作为坝体的主要的温控手段。一直以来全坝外掺MgO快速筑坝技术均推广应用于总承包项目，以设计为主导，业主、施工单位、监理单位配合完成，故实施外掺MgO技术关键在于集中的管理模式。目前凉天沟水库工程建设模式采用的是传统业主负责制的建设管理模式(业主主导，设计、施工、监理配合)，设计单位只负责设计工作。MgO快速筑坝技术对施工要求高，在此项目上应用存在一定的不可控风险，有别于设计单位利用EPC(或PMC)全方位掌控(即设计主导，业主、施工、监理配合)工程施工的管理协作模式。

2 外掺MgO快速筑坝技术原理及掺入方法

2.1 MgO膨胀补偿原理

氧化镁(MgO)由菱镁矿(MgCO3)加热至600 ℃以上分解而成。当煅烧温度1200 ℃以内时，MgO遇水易水化生成Mg(OH)2，此时其体积增加90%～120%。因此，将MgO掺入混凝土内拌和形成的混凝土具有膨胀性能。由于MgO的水化速度较慢，混凝土的膨胀稳定期较长，表现为28 d以后的后期微膨胀，这一后期的微膨胀与大体积混凝土的水化热达到峰值以后的温降过程同步相似，起到混凝土温降收缩的补偿作用。

将高含MgO水泥或直接将粉状MgO膨胀剂同生产混凝土的其他原材料一起搅拌，即可制得MgO混凝土。通过调节MgO膨胀剂的质量和掺量来控制混凝土膨胀变形的速率、发生时间、稳定时间、膨胀量等，从而补偿混凝土温降时产生的体积收缩，提高混凝土自身的抗裂能力。利用MgO快速筑坝技术可简化大体积混凝土的温控措施，有效防止混凝土裂缝，缩短工期，加快工程建设。

2.2 在混凝土中掺入MgO的方法

MgO掺入混凝土的方法有以下四种：

(1)在配制水泥生料时，掺入适量的菱镁矿或高镁石灰石或白云石，然后与其他生料共同磨细后煅烧，使水泥成品中含MgO组分(一般为4%～6%)，简称共烧内含MgO水泥或高含MgO水泥。

(2)在水泥熟料磨制水泥成品的过程中，加入适量的MgO熟料(即轻烧镁砂半成品),与水泥熟料共同粉磨，简称共磨外掺MgO水泥。

(3)在水泥厂将适量的粉状MgO膨胀剂与水泥成品事先混合均匀，简称共混外掺MgO水泥或厂掺MgO水泥。

(4)在混凝土拌和现场，将适量的MgO膨胀剂成品直接加入拌和机中，与水泥、砂子、石子、水等原材料一起拌制混凝土，简称机口外掺MgO混凝土。

第一种方法由于水泥锻烧温度过高，MgO膨胀性性能受到一定限制。后三种方法使混凝土含有MgO的方法均为外掺MgO。

根据工程实践采用第二、三种方法在厂内外掺，可利用水泥厂比较完备的生产流程系统与检测称量仪器，在生产过程中的输送倒运过程，可以进一步混合MgO与水泥，均匀性控制得较好[1]。但这两种方法的缺点在于凉天沟拱坝水泥用量较少。水泥厂往往规模较大，让其改进工艺、流程专门生产符合大坝使用的水泥或者让水泥厂配合厂内外掺的额外费用可能也较多。

第四种方法由于采用机口外掺MgO方式，可根据不同部位的边界条件和应力补偿需要，通过调节MgO的煅烧温度、保温时间、窑型、原料入窑粒度和MgO膨胀剂的掺量等，比较灵活地调整混凝土膨胀变形的发生时间、稳定时间、膨胀速率、膨胀量等[2]。所以，大多数工程均使用机口外掺MgO膨胀剂方式来生产MgO微膨胀混凝土。此种方法对现场施工管理要求较高，从原材料采购、保存至混凝土浇筑、养护，以及大坝变形监测与评价等全过程均要求建立较强的质量意识，全程监控。

3 外掺MgO快速筑坝技术实施的控制难点

3.1 MgO的储存

MgO易受潮，必须采取防潮措施，施工过程中必须严格防止MgO存放期内受潮结块。失去活性的MgO不允许使用。

施工单位需要建立储存MgO的干燥总库。干燥库应是密封的、不透气的。库内地面应比屋外高，四周排水畅通，避免水往库内倒灌。要求有防雨棚的装卸汽车，防止装车卸车时MgO被雨淋湿受潮。

3.2 MgO在混凝土内的均匀性

MgO在混凝土内的均匀性非常重要，局部超量会引起混凝土过度膨胀，局部过少会使补偿不足，膨胀量不均匀将破坏混凝土内部结构，致使混凝土破坏[3]。因此，施工单位必须严格通过相应的工程措施控制混凝土内MgO的均匀性，不满足要求的混凝土拌和物禁止浇筑，确保MgO混凝土质量。

根据工程经验，要获得均匀性满足要求的MgO混凝土产品，首先需要控制好原材料质量，确保原材料符合设计要求；其次要求配置比较准确的原材料称量计量系统，实时监控，防止部分原材料超量或者少量，影响混凝土质量；控制好拌和物的均匀性，主要是通过拌和时间控制，要求拌和设备可以调整拌和时间，不能调整拌和时间的搅拌机禁止使用。

正式施工前，必须进行现场生产性拌和试验，将拌和出混凝土中MgO均匀性符合要求的时间，作为用于生产的拌和时间。在开始大坝混凝土浇筑后，每班组生产第一仓混凝土都需进行机口取样检测混凝土的拌和均匀性。只有均匀性满足要求的混凝土才能入仓使用。

3.3 MgO混凝土配合比试验

混凝土胶凝材料中MgO总量>5%时，应进行压蒸安定性试验。试验的目的在于确定混凝土中MgO的最大掺量。试验需模拟工地环境温度进行不同养护温度下MgO混凝土的自生体积变形试验，提出混凝土的膨胀曲线作为仿真计算的基本资料。试验研究工作量大，试验周期长(按坝体混凝土强度设计龄期，一般为90 d或180 d)，但必须进行该项工作，以便给出指导施工使用混凝土的配合比。

3.4 MgO的现场投料

MgO属于不溶于水的粉剂，最好是拌和楼自动控制，电子秤称量投料。人工投料有“干掺”与“湿掺”两种方法。干掺是按每一次拌和混凝土量计算出MgO重量，投入拌和机。湿掺是设置一套自动搅拌装置，布置在水斗中，当MgO经螺旋机给料，称量完毕后，自动投入到拌和水箱中，搅拌器把MgO、外加剂加水搅拌后混合成悬浊液一起投入混凝土搅拌机拌和混凝土。MgO的现场投料无论是电子秤称量投料还是人工投料误差(偏差)要求均<1%。

3.5 MgO混凝土浇筑与养护

外掺MgO混凝土为干硬性混凝土，其浇筑要求与常态混凝土有一定差异，主要体现在两个方面：

(1)浇筑采用通仓连续浇筑。一旦开始浇筑施工，中途不得停止。

(2)必须采用高频振捣器振捣。必须高度重视振捣工作，严禁漏振和超振，这是确保工程质量的关键。

施工过程中需按设计要求作好混凝土温度控制工作，必要时准备好温度急剧变化时保护措施(覆盖保温材料)，防止混凝土开裂，并长期对混凝土进行养护等。

3.6 安全监测要求

MgO混凝土拱坝的安全监测除常规的监测外，还应重视其特殊性。MgO混凝土的膨胀变形在混凝土浇筑后即开始发生。因此，对MgO混凝土自生体积变形观测、坝体温度场观测的工作应自仪器埋设后随即展开，中间不能停顿。

4 外掺MgO快速筑坝现场应用模式建议

根据前述内容与工程实践，要控制好MgO混凝土大坝工程施工质量，首先，需要从勘察设计工作开始，以拟选择的混凝土骨料、水泥、粉煤灰、外加剂、轻烧MgO等开展试验，按试验取得的有关试验数据开展工程施工有限元仿真计算工作，确定最终的混凝土配合比以完成设计技术文件。其次，依据设计文件及工程现场条件编制专项施工技术方案，对施工单位、监理、检测以及现场管理等人员进行技术培训，做好现场人员准备工作。第三是组织好现场施工，跟踪、指导、评价、调整、控制好现场各个环节所有人员、工序等。最后是做好混凝土浇筑后的养护管理与监测、评价，以及开展验收等相关工作。

5 结 论

由于外掺MgO混凝土筑坝对工程质量控制的要求比常规混凝土筑坝工程高得多，风险也大。从风险可控的角度考虑，一直以来仅用于总承包项目，即业主授权，以设计为主导，施工、监理等单位配合完成。类似工程施工单位和监理单位没有外掺MgO混凝土筑坝的经验，实施风险较大。因此，建议类似项目业主单就MgO混凝土筑坝部分的工程内容采用项目管理模式，授权设计单位主导，监理、施工配合进行，按预定质量、进度目标完成工程建设。

[1] 杨强.外掺氧化镁快速筑拱坝技术在老江底水电站大坝上的应用与管理.贵州水力发电，2012，26(3):41-44.

[2] 陈昌礼. 氧化镁混凝土筑坝技术应用情况分析.贵州水力发电,2015(4):51-53.

[3] 陈昌礼.外掺氧化镁混凝土的均匀性检测与评价.水力发电学报,2007(4):75-78.

黎耀贵(1983-)，男,壮族，广西宾阳人，工程师，主要从事水工结构设计工作。E-mail:81756512@qq.com。

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