（水工结构工程专业论文）掺MgO混凝土自生体积变形对温度应力的敏感性分析.pdf

摘要 论文题目：掺m g o 混凝土自生体积变形对温度应力的敏感性分析 学科专业：水工结构工程 薪究生：鞠静春签名：秘盗 指导教师：李守义教授 签名：二琴錾文 摘要 碾压混凝土坝是近2 0 年来发展起来的一种新坝型。许多已建工程不同程度存在裂缝， 严寒地区碾压混凝土坝裂缝尤为严重。裂缝降低了混凝土坝的完整性、抗渗性和耐久性， 降低了大坝的安全度。研究表明，碾压混凝土坝温度应力是导致坝体裂缝的主要荷载作用， 其他荷载作用所引起的应力与温度应力相比相对较小，温度应力起着控制作用，因此，施 工期温度应力与温度控制的研究对预防裂缝、保证工程的安全具有重要意义。由于严寒地 区冬季气候寒冷、年气温变化幅度大，碾压混凝土坝采取通仓浇筑、不分纵缝以及越冬长 。间歇式的施工方法，使其具有独特的温度应力时空分布规律，更增加了碾压混凝土坝温控 与防裂难度。使严寒地区碾压混凝土重力坝温度应力与温控防裂成为关键技术问题之一。 工程实践证明，利用m g o 混凝土筑坝技术，辅以其他适当措施，可以部分或全部取 代传统的混凝土坝的温控措施( 如取消水管冷却、加冰拌和等) ，有效解决大坝混凝土的 温控防裂问题，并且可以实现长块、厚层、通仓、全天候连续浇筑混凝土，从而加快施工 进度，节省工程投资。本文主要内容如下： ( 1 ) 综述了大体积混凝土氧化镁筑坝技术的由来、国内外研究现状、m g o 膨胀特点和 机理以及氧化镁筑坝技术存在的主要问题； ( 2 ) 研究分析了m g o 混凝土的自生体积变形规律，并重点对m g o 混凝土的自生体积 变形的双曲线模型，尤其对模型中参数变量的推求及模型的建立过程作了详细分析； ( 3 ) 对m g o 混凝土的自生体积变形及徐变变形的计算原理进行了探讨，在此基础上， 编制了程序对碾压混凝土坝温度场、徐变应力场进行了全过程的仿真分析，并验证了程序 的正确性，并分析了碾压混凝土坝体温度场和应力场实时仿真的原理以及前后处理方法； ( 4 ) 不同区域m g o 的膨胀量对结构整体的影响和对延迟膨胀的时间加以控制是外掺 m g o 微膨胀混凝土技术的两个关键问题。本文深入研究外掺m g o 混凝土浇筑块温度应力 的时空效应，比较不同部位、不同浇筑层m g o 掺率、不同混凝土入仓温度对温度应力的 敏感性影响。根据研究结果，提出了掺m g o 混凝土结构设计的的一般原则。 关键词：碾压混凝土坝；m g o 混凝土；温度应力；自生体积变形；敏感性分析 t i t l e ：t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i so n a u t o g e n o u s v o l u m ed e f o r t m a t i o n m a j o r ：h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g n a m e ：j i n g c h u nj u s u p e r v i s o r p r o f s h o u y il i a b s t r a c t t h e r m a ls t r e s s0 f m i x e dm g oc o n c r e t e s i g n a t ur e 工丝坐。卜 s i g n a t u r e = 丝噬乙 r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a mi san e w t y p ed a md e v e l o p e di nr e c e n t2 0v c a r s c r a c k s o c c u ro nm a n yb u i l td a m s ，e s p e c i a l l yo nr c cd a m si nh a r s hc l i m a t er e g i o n c r a c k sd e c r e a s e t h ei n t e g r i t y , a n t i - s e e p a g e ，d u r a b i l i t ya n ds a f e t yo fc o n c r e t ed a m s r e s e a r c hi 1 1 d i c a t e s t 1 1 a t t h e r m a ls t r e s si st h ec h i e fl o a dl e a d i n gt oc r a c k si nr c c d a m ，a n ds t r e s s e sc a u s e db vo t h e r l o a d sa r e s m a l l e r t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nt h e r m a ls t r e s s d u r i n gc o n s t r u c t i o np e r i o da n d t e m p e r a t u r ec o n t r o li sv e r yi m p o r t a n tt op r e v e n tc r a c k sa n dg u a r a n t e et h es a f e t y d a mm a t e r i a l s a n ds t r u c t u r et y p ea s op l a ya n i m p o r t a n tr o l ei nc a u s i n gc r a c k s i nh a r s hc l i m a t er e g i o n t h ea i r c h a n g e sg r e a t l yb e t w e e nw i n t e ra n ds u m m e r r c cd a ma r eu s u a l l yf r e ei nw i n t e r t h u s i t t s u m q u ep l a c e dw i t h o u tb u l ka n dl o n g i t u d i n a lj o i n t s ，a n dl e f t t h e r m a ls t r e s s t i m e s p a c e d i s t r i b u t i o nr u l ei n c r e a s e st h ed i f f i c u l t yo f t e m p e r a t u r ec o n t r o la n dc r a c kc o n n d lo fr c cd a m 1 h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e p r o v e st h a tt h eu s i n go fd a m b u i l d i n g t e c h n o l o g y o fm g o c o n c r e t ew i t hs o m eo t h e ra s s i s t a n t a p p r o p r i a t em e a s u r e sc a n r e p l a c et h e t r a d i t i o n a l t e m p e r a t u r e 。c o n t r o l l e dm e a s u r e so fc o n c r e t ed a mp a r t l yo rc o m p l e t e l y ( s u c ha sn o c o o l i n gb y w a t e rp i p e 、n o - m i x i n gr o u n dw i t hi c e ，a n ds oo n ) ，a n di tc a ns o l v e p r o b l e mo fc r a c kp r e v e n t i o n o fh y d r a u l i cd a mc o n c r e t ee f f e c t i v e l y m e a n w h i l e ，i tc a n a c h i e v el o n gb l o c k s 、t h i c kl a y e r s 、o p e n s l l o 、a l l 。w e a t h e rc o n t i n u o u sc o n c r e t ep o u r i n gs oa st oe x p e d i t et h ec o n s t r u c t i o nr a t eo f p r o g r e s s a n de c o n o m i z ee n g i n e e r i n gi n v e s t m e n t t h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t h i sp a p e rt h ea u t h o ro v e r v i e w sm a s sm a g n e s i ac o n c r e t ed a mt h c h n i c a lo r i g i n 。t h e p r e s e n ts t a t u sh e r ea n da b r o a d ，a n dt h em g o e x p a n s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dh l e c h a n i s m a n d a v a i l a b l ep r i m a lp r o b l e m s ： ( 2 ) t r a n s f o r m a t i o nr u l e so fm g o m i x e da u t o g e n o u sv o l u m ed e f o n n a t i o n 扣e s t u d i e d h y p e r b o l am o d e lo fm g o - m i x e dc o n c r e t e se s p e c i a l l yd e d u c eo ft h em o d e l sp a r a m e t e ra n d b u i l d i n gp r o c e s so ft h em o d e la r ea n a l y z e di nd e t a i l ；： ( 3 ) c a l c u l a t i n gm e t h o do fa u t o g e n o u sv o l u m ed e f o r m a t i o na n d c r e e pa r ed i s c u s s e d b a s e d i i a b s t r a c t o nt h e s e ，a p p l yt h ep r o g r a m st oa n a l y s i st h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt e m p e r a t u r es t r e s sf i e l do fa r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m ，p r o v i n gt h ep r o g r a m sa l er i g h t ，t i m e l y s i m u l a t i o nt h e o r yo f r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a mt e m p e r a t u r ef i e l d 、s t r e s sf i e l da n dp r e - p r o c e s s 、b a c k p r o c e s s m e t h o da l em a i n l ys t u d i e d ； ( 4 ) t h ei n f l u e n c eo fg e n t l em g oe x p a n s i v ev o l u m ei nd i f f e r e n tp a r ta n di t sa d j u s t a b l e d e l a y i n ga l et h et w ok e y si nm g o c o n c r e t et e c h n i q u e t h ee f f e c to ft h et h e r m a ls t r e s so fm i x e d g e n t l em g o c o n c r e t es l a ba l es t u d i e di nd e t a i l m i x i n gw i t hm g oi nc o n c r e t ed a mc a nm a k e t e n s i l es t r e s sl e s s e ni ns t r u c t u r e i ti si m p o r t a n tt oe n s u r et h a tt h es w e l l i n go fm g om u s tb e c o i n c i d e n c ew i t hu p d o w nd i f f e r e n ts l a b se a c ho t h e r t h er e s u l t ss h o wt h ep r o p e r t yo fm i x e d m g oc o n c r e t et h e r m a ls t r e s s k e yw o r d s ：r o l l e rc o m p a c t e dc o n c r e t ed a m ；m g oc o n c r e t e ；t h e r m a ls t r e s s ； a u t o g e n o u s v o l u m ed e f o r m a t i o n ； s e n s i t i v i t ya n a l y s i s h i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：驺耋猛抑缉岁月，7 日 学位论文使用授权声明 本人辜氛啦在导师的指导下创作完成卓业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：啦导师签名：二整氢蔓之h 它年3 月，7 日 绪论 1 绪论 1 1 混凝土坝温控技术应用现状 混凝土坝的设计中，温控设计是其中一个重要环节。由于混凝土坝往往需要采用大体 积的混凝土筑坝，混凝土在凝结硬化过程中，水泥与水发生反应放出大量水化热，而混凝 土的导热性能差，水化热就在混凝土中积蓄，导致混凝土内部温度迅速升高，对于大体积 混凝土，可达3 0 - 5 0 ，甚至更高，与外界形成较大温差1 1 - 1 2 1 。放热结束，混凝土内部 温度达到最高值。之后混凝土内部温度开始缓慢降低，降温过程的同时伴随着混凝土体积 收缩。当混凝土受到基础约束时，则在其内部产生温度应力( 收缩拉应力) ，冷却到环境 温度时，温度应力达最大值。此外，同时伴随的干燥收缩、化学收缩等都可能使混凝土内 部产生拉应力，与温度应力迭加，使得混凝土内部存在很大的收缩拉应力。而混凝土是脆 性材料，抗拉能力很差，若混凝土内部因收缩而产生的拉应力超过了混凝土的抗拉强度， 或拉伸应变超过了混凝土的极限拉伸值，就会导致混凝土产生微裂纹甚至开裂，故有“无 坝不裂之说。这些裂缝的发生及发展不仅影响工程的美观，而且使混凝土坝整体性遭到 破坏，改变大坝的受力状态，甚至造成大坝的集中渗漏通道，成为大坝的安全隐患。 传统的温控设计思想就是想方设法控制温差并改善约束条件以减少温度变化对坝体 的影响，从而达到控制温度应力、防止坝体开裂的目的 z z - l n l 。在实际施工中，传统的温 控措施主要包括：改善骨料级配、采用外加剂等措施以降低混凝土中水泥用量；在混凝土 拌和中加冰、给骨料预冷、给骨料搭建凉棚等以降低入仓温度；预埋循环冷却水管并通入 冷却水以降低水化热温度；分缝分块浇筑或限制浇筑层厚及间歇时间以加快混凝土散热； 合理选择拆模时间，进行混凝土表面保温以降低温度梯度等。在实际施工中，当混凝土浇 筑量超过一定规模时，往往需要同时采用多种温控措施来综合控制温差的影响。 迄今为止，我国乃至世界上在建或已建的大部分混凝土坝，其温控措施均主要采用了 这些传统的措施，取得了较好的成果。如我国著名的葛洲坝重力坝、二滩拱坝、广东省泉 水拱坝、流溪河重力拱坝、广东长潭、枫树坝、新丰江等重力坝等。所有这些传统的温控 措施，随着科研工作的不断深入，设计经验的不断总结，在工程上的广泛应用而日臻完善， 为目前混凝土坝中普遍采用。同时，随着传统的温控设计方法、温控措施的广泛应用，其 存在的缺点也日益突现出来，如：温控措施繁琐、受温控影响而导致施工工期延长、温控 费用较高等，这些都给工程建设带来一定的困难1 t 0 1 0 1 2 掺m g o 混凝土筑坝技术的起源和研究现状 由于传统温控筑坝技术存在的种种缺点，促使我国工程技术人员寻找新的温控方法。 外掺氧化镁( m g o ) 筑坝技术就是我国工程技术人员在实际工程应用中发现并探索出来的 一种新的筑坝方法和温控技术。该技术就是在大坝混凝土中掺入适量特制的氧化镁 西安理工大学硕士学位论文 ( m g o ) ，利用其延缓性微膨胀性能补偿大坝混凝土的收缩和温度变形，从而达到防裂和 快速筑坝的目的，与传统温控的防裂筑坝技术相比，是另一种截然不同的筑坝防裂途径和 方法m 1 。 2 0 世纪7 0 年代在我国吉林省东北严寒地区修建的白山重力拱坝，在基础温差普遍超 过4 0 的情况下，没有产生基础贯穿性裂缝，表面裂缝也很少，大坝自1 9 8 2 年蓄水至今 没有漏水现象，从无意中取得了较好的温度补偿收缩效果。为此，我国多家部门合作对此 现象进行了大量研究工作。国家电力公司成都勘测设计研究院科学研究所测得白山大坝基 础混凝土和内部混凝土自生体积变形为正值，亦即白山大坝的混凝土本身具有微膨胀性。 南京工业大学对白山重力拱坝中使用的抚顺水泥厂水泥微膨胀性能及膨胀机理进行了研 究，指出：抚顺厂水泥具有微膨胀性的主要原因是水泥原料中氧化镁含量较高( 2 4 ) ， 因而熟料中含有较多的方镁石，晶粒多小于或等于5 9 m ，在大坝混凝土内部较高温度条 件( 4 0 - - 5 0 ) 下，其内部水化产生的水化热促使氧化镁晶体水化加快，一个月内就能部分 水化而生成m g ( o h ) 2 ，致使混凝土在温降阶段产生自生体积膨胀，相当于产生预压应力 抵消了温降收缩时的拉应力，起到了补偿温降收缩的效果，从而避免了大坝产生裂缝。在 1 9 8 4 年1 2 月北京会议上，原水电总局确认了“抚顺水泥具有延迟性膨胀，对白山电站大 坝基础混凝土温降收缩起了补偿作用，方镁石是该水泥具有膨胀性的主要原因”。为验证 抚顺水泥的膨胀作用，1 9 8 6 年在白山电站下游的红石电站重力坝，全部采用内含高镁抚 顺大坝水泥施工，取消了温控措施，未采用降温措施，也取得同样效果，这就进一步肯定 了m g o 微膨胀混凝土的补偿作用。白山和红石电站大坝所用的抚顺大坝水泥是内含m g o 的水泥，1 9 8 5 年以后我国开始着手研究外掺m g o 混凝土筑坝技术，并陆续在一些工程中 试验应用 1 8 - 1 9 。 2 0 0 0 年，国家自然科学基金委在河海大学召开的专家会议上也提议将该课题列为国 家自然科学基金重点项目。有关专家指出：为了抓住机遇，加快水利水电工程建设的速度， 特别是从实现2 0 1 0 年我国水电装机规模的宏伟目标和提高水电竞争能力的长远目标考 虑，积极开展具有我国自主知识产权的掺m g o 混凝土筑坝技术研究是有特别重要意义的， 掺m g o 混凝土筑坝技术是大体积混凝土施工的革命，要在确保质量、确保安全的前提下 勇闯禁区，争取有所突破 2 0 1 。 对于微膨胀混凝土的研究，目前在国外仅有少量的室内试验结果。如美国的p k m e h t a 教授对煅烧m g o 掺入水泥中所产生膨胀的研究；日本的井树力生对外掺膨胀剂使混凝土 产生膨胀的研究；前苏联对提高m g o 含量生产高镁水泥的研究等。这些研究只是处于探 索性的室内试验，还未曾有意识的应用于工程实践中。而我国是组织多学科共同攻关，对 m g o 混凝土筑坝技术已进行了长期不懈的研究，对其基础理论和应用科学试验研究工作 已经进行了2 0 余年，在研究深度和广度上均超过了国外的已有成果，而且在m g o 水泥 化学机理、混凝土变形性能、大坝温度应力补偿和施工工艺控制等方面已经取得了较大的 成功，并在十几座大中型水利水电工程中应用，且获得了成功1 2 1 - 2 3 1 。 2 绪论 1 3 掺m g o 混凝土自生体积变形的机理和特点 掺m g o 水泥的膨胀机理可概括为 2 4 1 掺m g o 水泥浆体的膨胀起因于m g ( o h ) 2 的生 成和发育，膨胀量取决于m g ( o h ) 2 晶体所在的位置、形状和尺寸，膨胀能来自m g ( o h ) 2 晶体的吸水膨胀力和结晶生长压力。在水化早期，浆体的膨胀主要起因于极细小的 m g ( o h ) 2 晶体的吸水膨胀力；随着m g ( o h ) 2 晶体的长大，晶体的结晶生长压力对浆体的 膨胀起主导作用。 掺m g o 混凝土的自生体积膨胀，实质上是水泥结石产生的体积膨胀，骨料本身并未 膨胀。这是它同混凝土因温度升高而引起膨胀的本质区别。因此，只要清楚了m g o 水泥 结石的膨胀机理，即明白了m g o 混凝土的膨胀机理。 南京化工大学崔雪华教授、邓敏教授、唐明述院士等人通过多年研究后认为，经过高 温锻烧的方镁石( m g o 晶体) ，水化作用很缓慢，在水化生成m g ( o h ) 2 过程中引起的自 生体积膨胀出现得较迟；由m g o 水化而来的m g ( o h ) 2 晶体的形成和发展，是水泥结石产 生延迟性膨胀的源泉；m g o 水泥结石的膨胀能来自于m g ( o h ) 2 晶体的肿胀力和结晶生长 压力，水化早期的m g ( o h ) 2 晶体很细小，晶体的肿胀力是水泥结石膨胀的主要动力，随 着m g ( o h ) 2 晶体的长大，晶体的结晶生长压力转变为膨胀的主要动力：m g o 水泥结石的 膨胀量取决于m g ( o h ) 2 ，晶体存在的位置、晶体的尺寸和形貌。m g o 水泥结石和混凝土 的膨胀性能主要取决于m g o 膨胀剂的质量和掺量，其次与环境温度、混合材的种类和掺 量、水泥熟料的矿物组成和游离m g o 含量等因素有关1 2 5 - 2 7 1 。 根据国家电力公司成都勘测设计研究院科学研究所对峨眉5 2 5 号硅酸盐大坝水泥及 渡口5 2 5 号硅酸盐大坝水泥的长期试验研究，结果表明氧化镁混凝土的自生体积变形具 有下列特性： ( 1 ) 对于给定水泥和骨料等材料的m g o 混凝土的最终膨胀量只与m g o 含量有关。这 是因为m g o 混凝土的膨胀性能来自于水泥中所含的m g o 晶体水化生成氢氧化镁时的体 积膨胀。其最终膨胀量决定于m g o 完全水化后产生的体积膨胀，因此，对于一定m g o 含量的混凝土，经过足够长时间达到的最终膨胀量是一定的。 ( 2 ) 在常温条件下，m g o 的水化是一个不可逆过程，即m g o 可以水化成m g ( o h ) 2 而产生膨胀，但m g ( o h ) 2 不能还原成m g o 从而使混凝土收缩。因此由于m g o 膨胀引起 的混凝土自生体积变形是一个单调增的过程。如图1 1 所示，m g o 混凝土在养护温度突 变条件下自生体积变形过程仍然是单调增的过程。 ( 3 ) 由于m g o 水化生成氢氧化镁速度与温度有关，温度越高水化速度越快，m g o 混 凝土的膨胀速率与m g o 的水化速度成正比，因此，m g o 混凝土的膨胀速度与温度成正比。 另外升温时m g o 混凝土是膨胀的，降温时m g o 混凝土仍然是膨胀的。这一点是m g o 混 凝土与常规混凝土温度变形的最根本区别。 ( 4 ) m g o 混凝土的早期变形速率大，随着水化作用的逐步发展，变形速率逐渐减小， 3 西安理工大学硕士学位论丈 当氧化镁全部水化时，变形结束，变形速率趋于零。 图l - 1m g o 混凝土在养护温度突变条件下自生体积变形过程 f i g 1 - la u t o g e n o u sv o l u m ed e f o r m a t i o np r o c e s sc u r v eo fm g o c o n c r e t e u n d e rt h et e m p e r a t u r em u t a t i o n s 1 4 微膨胀混凝土筑坝技术在水工结构中的应用 利用m g o 混凝土微膨胀对温度应力的补偿的性质，有希望将束缚大坝浇筑速度的传 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。由于m g o 混凝土的膨胀变形具有延迟性， 在膨胀变形过程线确定后，m g o 混凝土补偿应力不随层厚和间歇时间的改变而改变，因 而高块浇筑、短间歇或连续浇筑所产生的补偿应力都一样，故此m g o 混凝土可以实现连 续浇筑。另外m g o 混凝土还适合于通仓浇筑，不设纵缝。这对加快施工进度，提高大坝 质量都是很有利的 2 8 1 。 表1 1 为我国部分已建混凝土坝运用m g o 筑坝技术的情况汇总表。 从目前氧化镁微膨胀混凝士在工程中的应用情况来看，大致可以分为以下几种： a 重力坝基础约束区 如广东的青溪、飞来峡，福建的水口等，其中青溪大坝无应力计实测混凝土白生体积 变形值多数为( 8 0 - - 一1 0 0 ) 微应变，应变计所测基础约束应力为0 8 m p a ，补偿应力将近达 0 6 m p a ，可以满足设计要求。水口大坝内埋设无应力计观测到自生体积变形一般为( 4 0 - - - 6 0 ) 的微应变膨胀，而常态混凝土测得为一( 2 0 - 3 0 ) 的微应变收缩，因此，有效膨胀变 形可达( 6 0 一- - 8 0 ) 微应变，提供补偿应力0 3 - 0 5 m p a 。 b 基础深槽、基础垫层、导流洞封堵等 4 绪论 贵州的东风高薄拱坝基础深槽回填工程，取消了纵缝，取消了加冰和冷却水管等温控 措施。经对深槽工程的检查，未发现裂缝。贵州普定、四川铜头等，导流洞堵头也采用 m g o 混凝土，均取得了很好的效果。 表1 1 部分已建混凝土坝运用m g o 筑坝技术的情况汇总表 t a b l ei 一1t h et a b l eo fp a r to fc o n s t r u c t e dc o n c r e t ed a m sm i x e dm g o 氧化镁含量， 工程名称修建时间( 年)坝型施工和运行状况 ( ) 原型观察混凝土有微膨胀，预留的分 刘家峡1 9 6 6重力坝内含4 ：2 缝灌浆不吸浆或吸浆极少 温差超过4 0 时，混凝土内没有出现 白山电站1 9 7 3重力拱坝内含4 5 裂缝 红石电站1 9 8 2重力坝内含4 5原型观察混凝土有微膨胀 微膨胀达( 8 0 - - 1 0 0 ) 微应变，补偿 青溪电站 1 9 9 0重力坝 外掺5 0 应力0 6 m p a 微膨胀( 4 0 - - - 6 0 ) 微应变，补偿应力 水口电站 1 9 9 1重力坝外掺4 6 ( 0 3 0 5 ) m p a 拱坝基础垫 内含1 8 外掺 东风电站1 9 9 0微膨胀达9 0 微应变 层3 5 内含4 0 外掺 铜街子电站 1 9 8 9 重力宽缝微膨胀( 4 2 - - , 8 0 ) 微应变 3 5 内含2 5 外掺 微膨胀达1 3 3 微应变，坝体无裂缝， 长沙拱坝 1 9 9 9双曲拱坝 4 5连续浇筑，无温控措施 微膨胀达( 1 0 0 1 2 0 ) 微应变，坝体 沙老河水库 2 0 0 1 双曲拱坝外掺4 5 不分缝，全年施工， c 压力钢管外围混凝土 四川龙潭、福建黄兰溪等工程的压力钢管外围回填m g o 混凝土，混凝土的变形膨胀 量可达( 9 5 11 0 ) 的微应变，从而使得钢管和混凝土与周围岩石结合紧密，压力钢管的 工作性能得到了很大的改善。 d 全断面使用 广东省阳春市长沙拱坝是我国外掺氧化镁( m g o ) 筑坝技术在拱坝中应用的首例工程 实践，也是我国第一座全断面使用氧化镁微膨胀混凝土的大坝。该拱坝采用全坝外掺氧化 5 西安理工大学硕士学位论文 镁、利用氧化镁混凝土的微膨胀补偿大坝的收缩变形，不另外采用其他温控措施。坝体不 分横缝，通仓浇筑，快速上升。大坝从1 9 9 9 年1 月6 日开始坝体混凝土浇筑，1 9 9 9 年4 月5 日大坝封顶，历时约9 0 天，其快速筑坝速度为目前围内所罕见。 1 5 微膨胀混凝土筑坝技术存在的主要问题 尽管目前大力推广应用微膨胀混凝土筑坝技术，但工程技术人员对m g o 的长期安定 性，仍然心存疑虑，而且坝体补偿部位、补偿时间、补偿量以及补偿的预期效果等，在大 坝施工前都需要进行深入的分析研究。另外，由于实际工程中，一般掺加大量粉煤灰，而 粉煤灰对膨胀一般有抑制作用，因此，尚需进一步研究粉煤灰对m g o 混凝土膨胀的影响 规律 1 3 1 。 1 5 1 如何确定自生体积变形在变温场中的膨胀模型 氧化镁的膨胀量，同氧化镁的掺量、原材料、混凝土的配合比、环境温度密切相关， 随时间的延长而加大，呈不可逆膨胀变化，并且经过一段时间的膨胀后趋于稳定。采用外 掺氧化镁( m g o ) 技术修建拱坝，需要确定氧化镁( m g o ) 混凝土在实际环境中的膨胀 量，以研究坝体的应力及其补偿效应。我国已进行的工程实践，目前都是通过室内恒温自 生体积膨胀试验来确定氧化镁混凝土的膨胀模型，而坝体混凝土实际处于一个变温环境， 其实际膨胀量与室内恒温试验取得的氧化镁( m g o ) 膨胀模型有所不同，因而，如何确 定氧化镁( m g o ) 在变温场中膨胀模型，研究其数学表达，并运用来进行分析坝体应力 及其补偿效应，仍有待科研技术人员进一步研究完善。 1 5 2 如何确定氧化镁混凝土在坝体补偿部位、补偿时间、补偿量 黄善和认为：若用m g o 混凝土防止表面裂缝而在坝表层浇筑微膨胀混凝土，内部浇 筑常规混凝土，利用常规混凝土对表层微膨胀混凝土的约束在坝表层产生补偿应力。但是 表层产生预压应力的同时在坝体内部产生附加拉应力，对于较薄坝体则更为不利，因此这 是不可取的。并认为m g o 混凝土的有效补偿部位，在混凝土的基础约束区，有人试图通 过对大坝的施工期及运行期的温度场和温度应力场的全过程仿真计算，分析补偿应力在坝 内的分布和时间过程，从而得出坝体上哪些部位需要补偿，补偿的时间和补偿量。但是目 前的常规的温度场及徐变应力场仿真计算程序或软件都难以考虑m g o 随着坝体掺加部位 的不同而不同，这主要是由于m g o 混凝土的膨胀量和膨胀时间与坝体不同部位温度密切 相关的，而坝体不同部位的温度又因边界条件和混凝土外加剂材料等因素而随时间而变 化。因此，采用室内试验和常规的仿真程序计算出的m g o 的掺量是不合理，甚至是错误 的。这是掺m g o 混凝土所产生的补偿应力常常并不能产生预想的效果的原因所在。外掺 m g o 混凝土坝的应力场是一个极其复杂的非线形问题有待新的适合外掺m g o 混凝土坝 的温度应力仿真理论与算法技术的提出，从而更准确地计算出补偿部位、补偿时间和补偿 且【1 7 - 1 9 1 里 o 6 绪论 1 5 3 微膨胀混凝土延迟时间和膨胀量的控制 根据大体积混凝土散热缓慢的特点，要求微膨胀混凝土在龄期1 个月左右膨胀( 3 0 - - 5 0 ) * 1 0 击，半年左右达到( 1 0 0 - - 1 5 0 ) 木1 0 击，并趋于稳定，并且膨胀不能过早，以便存储 较多的变形能。要实现对m g o 膨胀延迟的时间和膨胀量有效控制，只有全面系统地研究 膨胀剂的制备工艺、掺入方式，掌握m g o 微膨胀的自生体积变形规律。混凝土的膨胀性 能主要取决于膨胀剂的膨胀性能，其次与水泥熟料的矿物组成、游离c a o 的含量、混合 材种类和掺量、环境温度等有关。理论上，若能完整地得出m g o 随煅烧温度、高温下停 留时间、胶凝材料的品种和掺量、细度及其在不同温度下的水化速度，则大坝混凝土温度 应力补偿的要求是能够满足。当然，就目前解决实际工程问题而言，还需要作大量细致的 研究。 1 5 4 微膨胀混凝土的安定性 根据目前国内仅有的少量m g o 混凝土力学与变形性能室内试验结果表明m g o 混凝 土的自生体积变形是稳定的，长期力学性质是安定的。目前国内外一直沿用水泥净浆试件 在2 m p a 压力下( 温度2 1 6 0 c ) ，压蒸3 h ，使m g ( o h ) 2 全部反应完的膨胀量，并以此作为 m g o 合格含量的评定标准。然而任何物质的化合反应在高温高压和常温常压状态下，是 有显著的差别的，特别是活性较低的内含m g o 在常温下其反应速度极为缓慢，可延长至 几十年：但外掺m g o 在高温高压下，其反应速度十分激烈迅速，且加速化学反应可能会 产生额外的体积膨胀，从而导致水泥净浆压蒸测得的膨胀值与实际工程m g o 的膨胀值相 比偏大。另外，该方法没有考虑到混凝土配合比的影响，没有考虑到胶凝和混凝土存在着 的差距。鉴于此，有人建议用“混凝土条件压蒸试验法 ，采用施工用混凝土配合比及材 料( 掺和料、外加剂等) 制成混凝土测长标准试件，养护2 8 d 后用2 0 个大气力压蒸，最后 测定膨胀量。以膨胀量不超过某一极限值为标准，决定m g o 的极限掺量。 1 5 5 外掺m g o 的均匀性 在石塘水电站采用机口外掺m g o 技术，试验结果为实测的离散点落在概率为9 5 4 的理论置信区间。据此认为：按照现行规定的混凝土搅拌工艺流程和搅拌时间，外掺m g o 膨胀剂的掺加量和实测结果基本一致，且均值基本是稳定的。机口外掺m g o 的均匀性是 有保证的。但是m g o 外掺到混凝土中能否完全均匀与施工的质量控制有密切的关系，万 一出现分布不均匀现象，将可能产生严重的后果。因此必须对浇筑m g o 混凝土进行分布 均匀性检测，可以将混凝土中m g o 含量的方差、极差、离差系数等作为待检指标。 1 6 本文研究内容 利用m g o 混凝土自生体积变形膨胀来解决坝体温度应力的技术现已得到了广泛的应 用，因此必须就混凝土自生体积变形对温度应力的补偿效应和补偿规律进行深入细致的研 7 西安理工大学硕士学位论文 究。本文的主要研究内容就是围绕这一主题展开的。 ( 1 ) 查阅大量相关资料，较为全面的综述国内外研究混凝土自生体积变形现状、机 理和特点，叙述微膨胀混凝筑坝技术存在的几个关键问题； ( 2 ) 详细阐述混凝土的温度场、温度应力场分析的基本理论和有限元计算方法； ( 3 ) 对m g o 微膨胀混凝土的自生体积变形的各种数学表达式进行了深入的研究， 分析了这些表达式的优缺点，然后提出建立比较符合m g o 混凝土自生体积变形特点的数 学模型； ( 4 ) 根据已选定的计算模型编制计算碾压混凝土坝温度场有限元程序及温度徐变应 力的有限元程序，并编制与上述计算程序相对应的前处理和后处理程序； ( 5 ) 结合工程实例计算分析自生体积变形膨胀量、膨胀速率、膨胀时间以及膨胀过 程曲线的形态对于温度应力的效果，研究自生体积变形对混凝土坝体温度应力的时空规 律； ( 6 ) 研究混凝土自生体积变形在不同地基约束、不同入仓温度、不同层面掺率、外 界气温条件下对于坝体温度应力的影响，为实际工程的温控措施提供参考，也为m g o 混 凝土材料的推广应用提供依据。 8 混凝土温度场和温度徐变应力场三维有限元计算原理 2 混凝土温度场和温度徐变应力场三维有限元计算原理 2 1 热传导基本理论 2 1 1 热传导方程 假设一均匀各向同性体，内含有热源，从中取出 一个无限小的六面体d x d y d z ，如图2 1 所示，单位时 间内沿x 方向进入的热量为q x d y d z ，流出的热量为 g 肿出d y d z ，则单位时间内沿x 方向进入的净热量为k ” q ，= ( q ，一q 计出胁比 ( 2 。1 ) 由固体热传导理论，热流密度q ( 单位时间内通 过单位面积的热流量( 姗m 2 ) ) ，可表示为 q ，：一名望 ( 2 2 ) 。2 一以i l 厶z 夕 d z 式中 五一导热系数( k j m h ) ； f i g 2 1h e a tc o n d u c t i o ns h e m a t i cd i a g r a m ，则出= _ ( 每卜譬习 泣3 ) 姨= 五鲁蝴 ( 2 4 ) 同理，沿y 、z 方向进入的净热量分别为 g = 力窘姗疵 泣5 ) q z = 2 窘蝴 眨6 ) 则六面体吸收的总净热量为：q 。= q ，+ q y + q 由于水泥水化热作用，在六面体内单位时间发出的热量为 q ：= 印警嫩 ( 2 7 ) 式中：c 一混凝土的比热( k j k g ) ；p 一混凝土的密度( k g m 3 ) ； 矽一混凝土的绝热温升( ) 。 在单位时间内，六面体由于温度升高所吸收的热量为 q 3 - 印署撕 ( 2 8 ) 由热量平衡原理 3 0 - 3 7 ，混凝土温度升高所吸收的热量必须等于从外界进入的总净热 西安理工大学硕士学位论文 量与混凝土本身水化热之和，即 0 3 = a l + 2 。 ( 2 9 ) 带入q l 、q 2 、q 3 的表达式，化简后得固体中热传导方程( 2 1 0 ) 警= d 警+ 鲁+ 窘卜瓦3 0 c 2 舯， 瓦2 1 丽+ 矿+ 可j + 瓦 屹j 式中口一混凝土的导温系数( m ：i h ) ，口= 三，其中五、c 、p 的含义与上述相同。 c p 若式( 2 1 0 ) 中的娑0 、婴0 ，即温度场不但受混凝土水化热的影响，而且还随 时间变化，则为所谓的非稳定温度场。 若式( 2 1 0 ) 中的錾：0 、孥0 ，即混凝土内无热源情况，但温度场还随时间的变 化而变化，则为准稳定温度场。 若式( 2 1 0 ) 中的警：0 、_ 3 t ：0 ，即混凝土内不但没有热源，而且温度场不随时间 变化，则为稳定温度场。 2 1 2 导热问题的定解条件 热传导方程( 2 1 0 ) 建立了物体的温度与时间、空间的关系，但满足热传导方程的解 有无限多，为了唯一确定需要的温度场，还必须知道初始条件和边界条件。 1 初始条件 初始条件指的是初始瞬时( 彳= o ) 导热物体的温度分布，即 r ( x ，y ，z ，t ) = t o ( x ，y ，z ) v = o( 2 1 1 ) 2 三类边界条件 导热问题的边界条件，即物体边界上的换热条件，常用的有以下三种形式。 第一类边界条件 混凝土表面温度r 是时间7 的已知函数，即 丁( 力= 以( 力 彳 0 ( 2 1 2 ) 第二类边界条件 混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即 名要： ( f ) 彳 0( 2 1 3 ) 式中n 为表面外法线方向。若表面是绝热的，有 。3 t ：0( 2 1 4 ) 混凝土温度场和温度徐变应力场三维有限元计算原理 第三类边界条件 假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度r 和气温乙之差成正比，即 一彳婴：( 丁一瓦) ( 2 1 5 ) o n 式中：一混凝土表面的等效热交换系数( k j l ( m 2 h ) ) ； 艺一环境温度( ) ；五一混凝土的导热系数( k j ( m h ) 。 当表面放热系数趋于无限大，r = l ，转化为第一类边界条件；当表面放热系数 ：0 ，娑：0 ，又转化为绝热边界条件。 o n 2 2 三维有限元基本理论 取如图2 2 所示边长为2 的8 结点正六面体单元为母单元，建立原点在单元形心的局 部坐标系( 孝，刁，0 ，通过坐标变换，可得到曲面曲边的空间8 结点等参元。坐标变换关系 式如( 2 1 6 ) 所示 3 8 - 4 1 | 。 工= f ( 孝，r ，o x , i = 1 8 y - 2 ；n ，( 孝，r ，f ) y ， i = 1 8 z = n 肜，刀，f ) z ， 则单元的位移函数为： n 。( f ，r ，o u ， i = 1 8 l ( 手，r ，o v ， i - l 8 n ，( 孝，i ，o w , ( 2 1 6 ) 图2 2 空间8 结点等参元 ( 2