（水工结构工程专业论文）掺MgO微膨胀混凝土结构的温度应力及其有效应力法研究.pdf

梅明荣河海大学博士学位论文 摘要 本文综述了大体积混凝土m g o 筑坝技术发展现状，在深入研究m g o 膨胀机理的基 础上，对现有计算方法进行了探讨，利用细观力学的随机颗粒模型方法和基于b i o t 有效应 力的多场耦合半耦合理论对掺m g o 微膨胀混凝土结构温度应力问题进行了系统的研究。 全文的重点在理论、方法以及在工程中的运用。论文的主要研究内容如下： 论文首先介绍了常规掺m g o 混凝土温度应力分析的基本理论和计算方法，展示了常 规掺m g o 混凝土温度应力分析的有限元方法初应变法，编写了相应的计算程序，据 此对龙滩碾压混凝土重力坝掺m g o 的温度应力进行了仿真计算。对m g o 混凝土的自生体 积变形曲线的数学表达式进行了深入的讨论，建议用表格插值法直接得到m g o 随时间、 温度变化的膨胀量。并对现有常规计算方法存在的几个重要问题提出了自己的看法。 对影响混凝土温度应力的主要因素混凝土绝热温升进行了试验研究。采用先进的 仪器设备测定混凝土的水化热绝热温升，设计出合理的实验装置来测量混凝土绝热温升。 研究绝热温升随水泥用量、配合比、添加剂等因素变化的规律。采用实验与数值计算相结 合的方法，提出了温度补偿修正因子，使得所的结果更符合实际。 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 掺率对温度应力的影响。根据研究结果， 提出了掺m g o 混凝土结构设计的“要掺一齐掺，而且掺量应接近”的原则。 采用细观力学中相关模型的思想，对掺m g o 混凝土的膨胀作用进行了细观分析，提 出了掺m g o 砂浆膨胀法，即在细观层次上，区分砂浆与骨料膨胀的差别，计算掺m g o 微 膨胀混凝土的温度应力。指出基于整体开裂概率指标，m g o 砂浆膨胀法可作为判断掺m g o 混凝土结构的实际工作状态的有效方法之一。 首次提出了基于b i o t 理论的掺m g o 微膨胀混凝土温度有效应力解法，建立了相应的 支配方程及其边界条件，详细推导了相应的有限元计算公式。用类比的方法确定“膨胀 扩散流”方程的边界条件。编制了相应的有限元程序，在此基础上进行了相关算例的分析 计算，表明该方法是可行的。 关键词：水工结构、m g o 微膨胀混凝土、温度应力、水化热绝热温升、试验与计算结合方 法、有效应力、比奥理论、有限元 i i 梅明荣河海大学博士学位论文 a b s t r a c t as t a t e - o f - t h e - - a r t so ft h em i x e d g e n t l em g o o fm a s sc o n c r e t et e c h n i q u ei nd a m e n g i n e e r i n g a r er e v i e w e d ，t h em e r i t sa n dd e f e c t so ft h et r a d i t i o n a la n a l y t i cm e t h o da r ed i s c u s s e d a c c o r d i n g t ot h ec o n c e p t i o no fm i c r o l e v e lo rm e s o l e v e lm e c h a n i c sa n dm u l t i - p h r a s ep o r o u sm e d i a ，t h e s t u d yo fc o n c r e t et h e r m a l s t r e s sw i 也m i x e dg e n t l em g oa r eg e n e r a l l yc a r r i e do u ti n t h i s d i s s e r t a t i o n t h ep u r p o s eo f t h ed i s s e r t a t i o nl i e so nt h et h e o r y , a l g o r i t h ma n di t sa p p l i c a t i o n t h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf c l l l o w s ： f i r s t l y , t h et r a d i t i o n a la n a l y t i c a lm e t h o do f t h e r m a ls t r e s so fm a s sc o n c r e t ew i m m g o a r e b r i e f l yi n d u c e d b yi n i t i a l s t r a i nm e t h o d ，t h et h e r m a ls t r e s so fl o n g t a n sr o l l e rc o m p a c t e d c o n c r e t eg r a v i t yd a mi sa n a l y s e s e d t h ea u t h o rs u g g e s t st h a tg e n t l em g o a u t o g e n o u se x p a n s i v e v o l u m ec a nb ed e n o t e d b ye x p e r i m e n t a lt e s t i n gt a b l e s e c o n d l y , t h ee a r l ya g ea d i a b a t i ct e m p e m t u r ed e v e l o p m e n t o fc o n c r e t ei si n v e s t i g a t e d t h e a p p a r a t u sa r es e tu pf o rm e a s u r i n gt e m p e r a t u r er i s e o f11 t y p e sc o n c r e t es p e c i m e n b a s e do n h y b r i de x p e r i m e n t a l n u m e r i c a lt e c h n i q u e ，t h ec o m p e n s a t i v ec o r r e c tf a c t o rf o rt h ee x p e r i m e n t a l d a t ai sp r e s e n t t h ei n f l u e n c eo f e x p e r i m e n t a le r r o ri sd i s c u s s e d t h i r d l y , 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 d i t sa d j u s t a b l e d e l a y i n g a r et h et w o k 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 r em g o c o n c r e t es l a ba r 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 l lm 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 e 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 o c o n c r e t et h e r m a ls t r e s s f o u r t h l y , a c c o r d a n c ew i 也t h er a n d o mp a r t i c l em o d e li nm i c r o m e c h a n i c s ，t h en e w c e m e n t p a s t em a t r i xs w e l l i n gm o d e lh a sb e e ne x p r e s s e d ，w h i c hi s s u i t a b l ef o rm g oc o n c r e t e t h i s m o d e lc a l ld i s t i n g u i s hb e t w e e nt h ea g g r e g a t ea n d p a s t em a t r i x i nm g oc o n c r e t e f i n a l l y , e f f e c t i v es t r e s s e sm e t h o do f t h e r m a ls t r e s sa n a l y s i st om i x e dg e n t l em g o e x p a n s i v e c o n c r e t es t r u c t u r ei sf i r s tp r e s e n t e d b a s e do nb l o t c o u s s yt h e o r y , t h eg o v e r n i n ge q u a t i o na n d i t sb o u n d a r yc o n d i t i o na r ee s t a b l i s h e d w i t ht h ea p p l i c a t i o no f t h ew e i g h t e d r e s i d u a lm e t h o d ，t h e f e mf o r m u l aa r ed e d u c e d t h er e l a t i v ef e mp r o c e d u r ei sd e c o d e d s o m ee x a m p l e sp r o v et h e n e wm e t h o dc o r r e c t n e s s k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs t r u c t u r e ，g e n r em g o a u t o g e n o u se x p a n s i v ec o n c r e t e ，t h e r m a ls t r e s s ， a d i a b a t i ct e m p e r a t u r er i s e ，h y b r i de x p e r i m e n t a l n u m e r i c a lt e c h n i q u e ，e f f e c t i v es t r e s s ，t h eb i o t s c o n s o l i d a t i o nt h e o r y , f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 1 i i 梅明荣河海大学博士学位论文 前言 温度应力及其温度控制是混凝土大坝建设的一个瓶颈问题，而水工大体积混凝土掺 m g o 筑坝技术可以减少混凝土出现裂缝、简化温控措施、加快施工进度，是大体积混凝 土施工的革命。为了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 m g o 筑坝技术研究是有特别重要意义，要在确保质量、确保安全的前提下勇闯禁区，争 取有所突破。 相比普通混凝土，掺m g o 微膨胀混凝土更有其特殊性。需要研究不同区域m g o 的 膨胀量对结构整体的影响，并找出适当的膨胀量来加以控制，如果膨胀时间过迟，上、下 层新老混凝土之间变形不协调，可能引起混凝土内部有较大的应力出现。因此，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时间的控制是值得深入研究的。混凝土是 一种多相强化型复合材料，随着近些年越来越多的新型特种混凝土出现的，传统的计算方 法已经不适合新材料所具有的力学、热学等特性。常规的混凝土温度应力计算不能完全适 合m g o 的特点，需要在微细观层次上才能弄清m g o 混凝土的各组成间相互作用关系， 即根据各组分材料的体积含量、性质以及微结构特性来预测m g o 混凝土宏观性能，因此， 着眼于随机颗粒的细观力学模型为寻求符合m g o 微膨胀混凝土特性的计算方法提供了新 的途径。另一方面从工程和实用角度来看，用微，细观计算模型将无法满足实际的需要， 应寻求新而实用的分析方法，基于b l o t 有效应力的多孔介质的多场耦合理论可以更有效地 解决工程实际问题。采用物模与数模相结合的方法来研究混凝土材料的性质，可以充分发 挥物模与数模各自的优势，有着很好的发展前景。 本文针对目前掺m g o 微膨胀混凝土研究中存在的一些问题，就上述几个问题进行较 为深入的研究。本文的主要创新点是： ( 1 ) 首次提出了基于b i o t 理论的掺m g o 微膨胀混凝土温度应力的有效应力解法的思 想。建立了相应的支配方程及其边界条件。根据加权余量法，导出相应的计算公式。 ( 2 ) 针对掺m g o 混凝土的膨胀机理，采用细观力学中相关模型的思想，提出了掺m g o 砂浆膨胀法计算温度应力。完善和补充了常规计算方法体系。 ( 3 ) 详细研究外掺m g o 微膨胀混凝土结构温度补偿的时空效应。分析不同区域m g o 的膨胀量对结构整体的影响，提出了掺m g o 微膨胀混凝土结构设计原则。 设计出合理的实验装置来测量混凝土绝热温升。采用实验与数值计算相结合的方 法，提出温度补偿修正因子，使得所的结果更符合实际。 学位论文独创性声明： 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 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负 全部责任。 论文作者( 签名) ： 柏螂葛 2 0 0 4 年1 2 月1 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 桶价芬 2 0 0 4 年1 2 月1 日 梅明荣河海大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 m g o 微膨胀混凝土筑坝技术 我国的氧化镁( m g o ) 混凝土应用始于七十年代在东北高寒地区修建的白山重力拱坝 【“2 l 。当时旆工过程中有6 0 的基础混凝土在夏季浇注的，混凝士内部的最高温度接近 5 0 0 c ，其基础温差也普遍大大超过规范的要求。然而，施工后经勘测，没有发生基础贯穿 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。从原型观测中发现， 白山大坝混凝土具有微膨胀性能，对减小温度裂缝具有明显的效果。后经东北勘测设计院、 南京化工大学和成勘院科研所等单位( 特别是曹泽生、唐明述、李承木等研究者) 的大量 实验研究证明，白山大坝所采用的抚顺水泥中m g o 的含量较高，m g o 水化后产生的膨胀 是白山大坝裂缝较少的根本原因。因此可以说，白山重力拱坝是我国利用m g o 微膨胀混 凝土的第一座大坝。然而，白山拱坝利用m g o 微膨胀混凝土并非完全是有意识的举措， 设计人员为迸一步验证抚顺水泥的品质作用，1 9 8 6 年又在白山电站的下游建造了红石电 站重力坝，全部采用抚顺高镁大坝水泥施工，取消了温控措施，也取得了同样的效果，验 证了m g o 微膨胀混凝土应用技术的可行性。 温度应力及其温度控制是混凝土大坝建设的一个瓶颈问题口 ，而水工大体积混凝土外 掺m g o 可以简化温控措施、加快施工工期。m g o 混凝土筑坝技术研究自白山重力拱坝开 始到现在已有三十多年的时间，已在国内5 - 6 座大中型混凝土坝上使用，累计浇注坝体混 凝土达3 0 0 万立方，取得了一定经济和社会效益，充分说明m g o 筑坝技术是大体积混凝 土施工的重大改进。国家有关部门对m g o 混凝土筑坝技术十分重视。9 9 年下半年国家电 力公司水电水利规划设计总院召开专门研讨会，讨论m g o 混凝土筑坝技术实施的有关问 题【4 1 。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m g o 筑坝技术研究是有特别重要意义的，m g o 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。 1 1 1 m g o 微膨胀混凝土温度应力补偿原理 对于水工混凝土结构，传统的混凝土温度控制是通过降低混凝土内部温度来减小降温 梅明荣河海大学博士学位论文 时混凝土的收缩变形，防止基础混凝土产生贯穿性裂裂5 3 1 。例如常规的温控措施有骨料 预冷、掺冰拌和、布置冷却水管。也有从结构上采取措施，如结构的分缝、分层、跳仓施 工，控制浇注块的相邻高差等等一系列措施，但这样的施工工艺复杂，影响施工进度。而 m g o 微膨胀混凝土筑坝技术是在生产大坝混凝土时加入适量的、特制的m g o ，利用其水 化后具有延迟微膨胀来补偿混凝土收缩和降温变形，即由间接控制( 控制温度来控制混凝 土变形) 到由直接控制混凝土变形，在相当程度上减小了混凝土出现裂缝的可能性，尤其 是在基础部位，从而简化温控措施，提高了施工效率。另一方面，虽然m g o 混凝土的自 生体积膨胀对混凝土结构降温过程中产生的拉应力有一定补偿作用，但这种补偿只对外部 约束引起的温度应力起作用，而对非外部约束引起( 如内外温差) 的温度应力，m g o 混 凝土的补偿作用很小。这是因为把m g o 混凝土的自生体积变形看成是宏观均匀的话，则 不会有内约束。但如果能研制出m g o 的水化反应受温度影响很大的话，那么混凝土内部 的体积变形就是非均匀的，内部约束也成为主要因素之一。因此，m g o 微膨胀混凝土筑 坝技术有其特殊性，比如坝体哪些部位需要补偿、什么时候发生膨胀有利、多大膨胀量适 合一这些都是值得研究的。 1 1 2 m 9 0 微膨胀混凝土筑坝技术在水工结构中的应用f l 从目前m g o 微膨胀混凝土在坝工中的应用来看，大致可以分为以下几种： ( 1 ) 重力坝大坝基础约束区的使用。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自生体积变形值多数为8 0 1 0 0 微应变，应变计所测基础约束应 力为o 8 m p a ，补偿应力将近达o 6 m p a ，可以满足设计要求。水e l 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 微应变膨胀，而常态混凝土测得为- 2 0 3 0 微应变收缩， 因此，有效膨胀变形可达( 6 0 8 0 ) 微应变，提供补偿应力o 3 o 5 m p a 。 ( 2 ) 拱坝的基趟垫星! 羹趟遂擅的使用。如贵州的东风、普定，l 四) l l 的沙牌等。其中东 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。 ( 3 ) 用于塑坦! 昱真迥封靖。如石塘电站下游护坦。现场量测得到m g o 混凝土的自生体 积变形膨胀量为8 0 微应变，而不掺的混凝土则为收缩的。贵州普定、四川铜头等，导流 洞堵头也采用m g o 混凝土，效果良好。 ( 4 ) 用于堡发翅笪处垦回基。四川龙潭、福建黄兰溪等工程的厘力翅譬处邑回奠m g o 混 凝土，混凝土的变形膨胀量可达9 5 1 1 0 的微应变，从而使得钢管和混凝土与周围岩石结 2 梅明荣河海大学博士学位论文 合紧密，压力钢管的工作性能得以改善。 ( 5 ) 小型堕拯题全斯面使用。1 9 9 9 年在广东阳春建造我国第一座全断面使用m g o 微膨 胀混凝土的小型薄拱坝。总的混凝土方量为3 5 万m 3 ，根据设计要求，分尉在大坝的上、 中、下部外掺不同量的m g o 。全坝不分缝整体浇筑，每4 天上升2 5 m ，1 0 0 天建成。 下表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列表。 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 建造时间 工程名称坝型 含氧化镁 ( 年)( ) 施工和运行状况 原型观察砼有微膨胀，预 1 9 6 6刘家峡重力坝内含4 2留分缝灌浆不吸浆或吸浆 极少。 温差超过4 0 0 c 时，混凝土 1 9 7 3白山电站重力拱坝内含4 5 无裂缝。 原型观察混凝土有为微膨 1 9 8 2红石电站重力坝内含4 5 胀。 微膨胀达8 0 1 0 0 1 0 ，补 1 9 9 0青溪电站重力坝外掺5 0 偿应力o 6 m p a ， 微膨胀达4 0 6 0 1 0 ，补 1 9 9 1水口电站重力坝外掺4 6 偿应力o 3 - 0 5 m p a ， 1 9 9 0东风电站拱坝基础内含1 8 外掺3 5微膨胀达9 0 1 0 1 6 1 9 8 9 1铜街子电站重力宽缝内含4 0 外掺3 5微膨胀达4 2 8 0 1 0 6 微膨胀达1 3 3 1 0 ，连续 1 9 9 9 1长沙坝双曲拱坝内含2 5 外掺4 ，5铺筑，无温控，但坝体有 个别裂缝。 微膨胀达1 0 0 1 2 0 1 0 一， 2 0 0 1 3 1 0沙老河水库双曲拱坝外掺4 5 坝体不分缝全年施工。 综上所述，m g o 混凝土筑坝技术有许多优点，不仅可以简化或取消某些温控措旌、 加快施工进度，减小混凝土出现开裂的可能性，而且m g o 原材料的备制也不困难，现场 拌和质量可以得到有效控制，是一项很有发展前途的混凝土施工新技术。 梅明荣河海大学博士学位论文 1 1 3 m g o 微膨胀混凝士筑坝技术的几个关键问题 ( 1 ) m g o 膨胀延迟的时间控制【1 0 1 利用m g o 特殊的“延迟”膨胀作用，在混凝土 降温收缩时提供相当的膨胀量，以抵消部分收缩变形，这就要求能对延迟的时间加以控制。 膨胀时间过早，混凝土弹性模量低，起不到补偿的作用；膨胀时间过迟，上、下层新老混 凝土之间变形不协调，又可能引起混凝土内部有较大的应力出现。因此，m g o 膨胀延迟 的时间控制是一个关键的问题。 ( 2 ) 不同材料区域m g o 膨胀量的控制。在水工建筑物中，结构的不同部位由于其 功能的差异，不同区域采用不同性能的混凝土。对于m g o 混凝土施工技术而言，需要研 究不同区域m g o 的膨胀量对结构整体的影响，并找出适当的膨胀量来加以控制。 ( 3 ) 外掺m g o 均匀性控制及施工质量。对于内含m g o 的水泥，由于在烧制过程中 原材料内本身均匀含有m g o ，因此其均匀性可以得到一定的保证，而对于施工现场的外 掺m g o 混凝土其均匀性及旋工质量是值得关注的。因为如果m g o 混凝土均匀性得不到保 证就会产生不均匀膨胀，引起变形不协调。 ( 4 ) 接缝问题。普通大坝水泥其自生体积变形是收缩的。因此，施工缝一般是张开 的，以便后期接缝灌浆。然而m g o 混凝土却由于膨胀使得接缝变窄或缝面发生接触，这 将影响结构的受力状态。关于有缝结构的受力分析文献【1 2 1 3 1 有较详细的论述。 ( 5 ) m g o 筑坝技术多在重力坝上应用，而在拱坝上应用阳春拱坝则是第一次 1 “。拱 坝作为空间结构，其受力状态要远比重力坝来得复杂。首先，如果拱坝坝体不分横缝整体 浇注、连续上升，其约束条件和温度应力就十分复杂；其次，坝体在施工期和运行期的温 度应力可能很大，对拱坝不仅降温要控制，升温也要控制( 就整体施工而言) 。因此，研 究m g o 能否达到应力补偿设计要求以及如何利用m g o 延迟膨胀性来补偿温度收缩是十分 有意义的。 ( 6 ) m g o 混凝土的安定性。m g o 含量必须在国家控制标准内，否则会产生安定性 问题。一般认为m g o 是有害成分【5 】，其对混凝土的影响需要通过压蒸试验来验证。水利 水电规划总院在1 9 9 5 年7 月制定了“氧化镁微膨胀混凝土筑坝技术暂行规定( 试行) ”， 用于指导该项技术的运用。若加大m g o 的含量以满足补偿的要求，则需要研究控制标准。 这部分工作属于材料性能方面的研究工作。 1 2 膨胀混凝土国内外的研究与应用背景 膨胀混凝土的研制和使用已不是什么新生事物。自从廿世纪三十年代法国人发明了膨 胀水泥以来，其发展经历了不平凡的过程。在膨胀混凝土发展的早期，美国、日本和前苏 4 梅明荣河海大学博士学位论文 联进行了大量的研究开发工作，取得了令人满意的效果。然而国外目前仅有部分室内实验 结果，尚未应用于工程实践中，也未见在水工大体积混凝士结构中运用。其实，对大体积 混凝土温度应力补偿的概念国外也有，1 9 7 6 年日本的井树力生等人曾提出要制造一种理 想的补偿冷缩的膨胀混凝土：在混凝土7 天龄期后仍具有继续膨胀的作用。1 9 8 0 年美国 m e t h a , e k 撒授曾进行m g o 混凝土的试验研究【l 5 ”l 。然而，他们意识到下面二个是难以 解决的问题：如何在实际工程以及不同部位的混凝土的降温速度保持一致? 如何确保m g o 在后期( 一年后) 不继续膨胀? 因此他们的研究工作只是停留在实验室阶段。也就在同时， 我国工程技术人员发现m g o 的膨胀效应，并坚持进行试验研究，基本解决了内含m g o 混 凝土的安定性标准和外掺m g o 混凝土的含量指标以及均匀性要求，在很多水工混凝土建 筑物中，大量使用m g o 微膨胀混凝土，取得了较好的效果。因此，我国在这个领域处于 领先地位。这也是我国在大体积混凝土施工技术领域中，唯一的具有自主知识产权的技术 创新。 我国从五十年代后期就开始膨胀混凝土的研制工作，虽然曾经一段时间有所停顿，但 近二十年发展很快，成为国际上生产膨胀水泥及其制品的大国。膨胀混凝土按约束膨胀应 力大小分为两类：一类为约束膨胀产生的压应力较小，能大体补偿收缩应力，称为补偿混 凝土；另一类约束膨胀产生的压应力较大的，其收缩、徐变完成后仍有较大的压应力，称 为自应力混凝土【1 5 】。吴中伟院士是我国补偿收缩自应力混凝土科学的“奠基人和指导者” 1 7 1 。他在膨胀混凝土的性能、补偿收缩原理及模式、膨胀混凝土应用的设计等方面提出了 有独到见解的理论和方法。他提出的“相向与背向变形”概念是分析补偿混凝土的理论依 据1 8 】。关于补偿收缩模式，他提出了三种限制程度的补偿模式。这些应用研究成果已在许 多工程中运用，并取得了良好的效果，特别在工民建等领域【1 7 - 2 2 o 文献 1 7 】全面介绍我国膨胀水泥和膨胀剂的理论研究和应用的沿革，归纳了膨胀混凝 土在4 个方面的成功运用：( 1 ) 结构自防水技术；( 2 ) 大体积结构混凝土裂渗控制的新方 法；( 3 ) 膨胀剂在高性能混凝土中的应用；( 4 ) 膨胀混凝土在灌注桩的应用。文献 1 9 】则 从哲学的角度来分析低热微膨胀水泥的研制与应用。指出低热微膨胀水泥研制的成功是突 破了对水泥的传统观念和所谓的“禁区”的结果。“传统理论有两重性，它既提供知识和 力量，同时又设置障碍。英国物理学家贝尔纳说构成我们学习最大障碍是已知的东西， 而不是未知的东西( 刘崇熙) 。从有关文献的查阅来看，研究微膨胀水泥的材料性质， 介绍低热微膨胀水泥的应用的文献比较多【“9 1 17 1 ，而将这种新材料性能反映在结构分析与 计算的文章则不多。从某种角度来说，在m g o 微膨胀混凝土筑坝技术领域里，材料性能 梅明荣河海大学博士学位论文 的研究已走在结构计算的前面。 1 2 1 m g o 微膨胀混凝土机理的研究 南京化工大学、成勘院科研所和水电十二局科研所等有关单位【1 2 】对m g o 混凝土进 行了多年的试验研究工作，全面系统地研究了膨胀剂的制备工艺、掺入方式、m g o 微膨 胀水泥的变形规律及其影响因素、m g o 微膨胀水泥基本性能和膨胀机理。研究表明，调 整菱镁矿的煅烧温度和最高温度下的停留时间，均能改变m g o 膨胀剂的膨胀量、膨胀速 率和膨胀终结时间，得出了用于大体积混凝土降温收缩的适宜煅烧温度。 研究表吲“博】：m g o 膨胀剂、煅烧温度、水泥熟料的质量和组成、m g o 的细度、掺 入方式、混合材的种类等均对m g o 水泥混凝土的膨胀规律有影响。文献【1 5 】通过微膨胀 试验研究，阐明了水泥中m g o 的膨胀机理，研究了碱对m g o 水泥膨胀的影响，晶体结晶 特性( 生成位置、尺寸和形貌) ，混合材( 矿渣和粉煤灰) 对m g o 膨胀的抑制作用。通过 膨胀应力测定和理论计算得出：水泥早期浆体体积膨胀主要起因于极细的m g ( o h h 晶体 吸水肿胀，随着m g ( o h ) 2 晶体长大，结晶生长对浆体膨胀起的主导作用。这些基础研究 为正确理解和解释m g o 膨胀剂的特性，有效合理使用m g o 延迟性膨胀水泥奠定了原材料 方面的理论基础 掺m g o 混凝土的膨胀变形与工民建使用的低热微膨胀水泥混凝土的膨胀变形是不同 的【1 82 0 1 ，后者的膨胀变形基本上发生在龄期7 天以前，膨胀量还受到湿度的影响较大与 温度无关；但掺m g o 混凝土的膨胀变形属于延迟性的膨胀，对湿度不敏感，受温度的影 响较大，这已为大量的试验结果所证实。 1 2 2 掺m g o 混凝土膨胀变形的特点 m g o 微膨胀混凝土分为内掺m g o 和外掺轻烧m g o 。所谓内掺m g o 是指水泥生产过 程中，水泥成份内含的m g o ：而外掺轻烧m g o 则是在制造混凝土时，m g o 作为外加剂 掺入到混凝土内。外掺轻烧m g o 混凝土，除了在施工中存在均匀性问题外，与内掺m g o 混凝土在热学、力学性能上并无大的差异 2 3 l2 6 1 。 自生体积变形在一定条件下，由于水泥浆体变化引起的混凝土体积变化称为自生体积变 形。普通的硅酸盐水泥以及纯大坝水泥拌制的混凝土自生体积变形是收缩的，而掺粉煤灰 的混凝土则早期略有膨胀 1 5 、2 3 1 。李承木做了有关内外掺m g o 混凝土的变形试验，得到自 生体积变形的规律田1 “1 ： 6 梅明荣河海大学博士学位论文 ( 1 ) m g o 混凝土的自生体积膨胀是随着m g o 的掺量增加而增大，其最终量可达约 1 2 0 x1 0 一，并随观测龄期的延长而稳定增加 ( 2 ) m g o 混凝土的自生体积膨胀具有一定的延迟性，其膨胀主要在中期发生，大约 有8 0 的膨胀量在2 0 1 0 0 0 天完成。 ( 3 ) m g o 混凝土的自生体积膨胀受温度影响较大，养护温度愈高膨胀量愈大。有试 验结果显示5 0 0 c 养护温度下，外掺4 m g o ，3 0 粉煤灰的5 2 5 号硅酸盐大坝水泥，其自 生体积变形约有2 0 0 x 1 0 4 。 ( 4 ) 通过长达数十年的试验观察研究，m g o 混凝土的自生体积变形是趋于稳定的。 叠塞龚型m g o 混凝土徐变的变形规律与普通混凝土徐变基本一致。但m g o 混凝土的徐 变系数大于普通混凝土，其中加荷初期的徐变速率比普通的要大2 0 左右，若掺粉煤灰则 徐变进一步变大【2 42 5 1 。 共焦应茔二垫堂睦丝m g o 混凝土的抗拉、压强度比普通的有所提高，这主要是m b o 膨 胀作用使得混凝土更加密实。而m g o 混凝土的弹性模量、泊松比则与普通混凝土基本一 样。在热学方面，m g o 对水泥水化热和混凝土绝热温升影响不大，仅有不到5 的增加， 而对混凝土的导温、导热、线膨胀系数均无明显的差异。 1 2 3 m g o 微膨胀混凝土的新发展 浙江大学和长江科学院2 7 书1 根据多年的膨胀水泥研究结果，提出了“双膨胀”水泥 的理论。该理论的要点是：水泥水化早期利用水化硫铝酸钙进行膨胀，后期则利用m g o 的缓慢水化生成氢氧化镁的膨胀，充分利用两种膨胀源各自的优点来达到“双膨胀”的效 应。 “双膨胀”水泥所形成的“膨胀能”除了产生体积膨胀、补偿收缩外还可以对混凝 土内部孔隙产生压缩和迁移，使混凝土结构致密化，改善了混凝土的性能( 3 2 1 。 随着膨胀混凝土的研究与应用深入，该领域一水泥基复合材料学科的研究人员已开始 系统地研究膨胀混凝土的各种物理力学性能和耐久性，逐步发展和形成关于可控膨胀的膨 胀一自应力水泥混凝土及其膨胀剂的生产技术与质量保证体系。由于水工混凝土结构的特 点，其对材料的抗渗抗裂、耐久性和稳定性都有特殊的要求。因此，膨胀混凝土在水工中 的运用还未像工民建领域那样形成相对完整的体系f 3 3 】。 1 3 微膨胀混凝土的温度应力分析方法 7 梅明荣河海大学博士学位论文 1 3 1 温度场计算中绝热温升参数的影响 在混凝土( 包括掺m g o 混凝土) 温度应力计算中，水泥的水化热是一个十分重要的 参数，关系到混凝土结构内的最高温度以及内外温差，反映在温度场计算中的绝热温升0 这一项中。影响混凝绝热温升值及其速率的因素很多，如水泥用量、水泥成分、水泥细 度、水灰比以及养护温度等等。所谓绝热温升是在不与外界发生热交换条件下，混凝土内 部由于水泥的水化热而升高的温度。根据规定，水泥水化热采用直接法( 也称蓄热法) 来 测定水泥在硬化过程所释放的热量。文献 3 4 研制了套混凝土绝热温升测试仪，该仪器 采用二级加热跟踪法来提高边界温度的跟踪精度。所得的测试结果与美国垦务局提出的指 数形式吻合的较好。文献 3 5 研究了混凝土在硬化过程中的水化放热规律，区分了水化反 应与水化放热规律的不同，并给出了混凝土温度场计算中，水化热温升合适的计算模型及 其参数。 水泥的水化热与混凝土龄期关系的表达式通常采用指数形式( 美国垦务局公式) 和双 曲线形式( 蔡正咏公式) 。而绝热温升表达式，在缺乏试验资料时可根据水泥水化热公式 估算混凝土绝热温升： o “) ：q ，- ( t ) ( w - 0 7 5 p ) ( 1 - 1 ) c o 式中，q ，( ，) = o o ( 1 8 - m r ) ，为水化热过程曲线，q 0 为最终的水化热。m 为常数。w 为水 泥用量，p 为混合材用量，c ，p 分别为混凝土的比热与密度。然而，混凝土绝热温升与水 泥水化热是有区别的，文献 3 6 、3 7 认为采用式( 1 1 ) 来计算混凝土绝热温升与实际情况 有相当大的差异，结果往往偏低。实际情况混凝土绝热温升也并不是与水泥用量完全成正 比例关系。因此在有条件情况下，应尽量进行混凝土绝热温升试验。 1 3 2 现阶段微膨胀混凝土温度应力分析方法 值得注意的是，虽然有关介绍应用m g o 的工程实冽以及掺m g o 混凝土材料性能的学 术论文不少，但关于m g o 混凝土温度应力分析方法的文章却不多，更少有比较新的、适 合m g o 混凝土材料特性的研究方法。国内大部分文献主要集中在如何正确反映自生体积 变形的计算方法上，而关于m g o 混凝土膨胀机理则研究较少。国外的文献检索尚未发现 有这方面的文献。 传统的掺m g o 微膨胀混凝土的温度应力分析方法的重点是如何描述膨胀变形的表达 式使之与有限的试验结果吻合。早期关于膨胀的自生体积变形采用等效温度法 3 8 捌，即 梅明荣河海大学博士学位论文 把自生体积变形折算成相应的温度来反映m g o 的膨胀效应，但是这种方法只能表达膨胀 量随时间的变化关系，并不能反映m g o 的膨胀不仅与时间有关还与温度高低密切的相关 性。等效温度法比较粗糙，与实际差别较大。而这种方法的实质就是初应变法。文献 4 0 】 是目前所看到的、比较早的关于m g o 微膨胀混凝士的温度应力计算的论文。文章采用初 应变法来解决各时刻由于膨胀所产生的应力，丁宝瑛等指出m g o 混凝土的自生体积变形 既与混凝土龄期有关，也与温度有关。为此提出了用多项式表示的膨胀变形表达式。 s 。( 丁，r ) = ( 霉，) ( 1 - 2 ) 上式以一个阶梯函数模拟连续变化的膨胀量。在采用上式计算时，时间增量步长必须 取为l 天( a t = 1 ) ，否则与实际的误差就很大。另一方面，李承木随后提出了一个统一的 任意温度下的自生体积变形的经验表达式【2 6 】： ( ，丁) = 8 ( ，) ( 1 一e x p ( - m ( t ) t 5 ) ) ( 1 - 3 ) 上式用连续函数的形式虽然弥补了式( 1 2 ) 的缺陷，但仍有不足，它只在t 5 2 0 。c 条 件下适用。 文献 4 1 1 认为混凝土给定时刻的膨胀率和膨胀量取决于该时刻的温度过程和膨胀过 程，即f 时刻m g o 混凝土膨胀速率与该时刻的温度和膨胀残量成正比： d c g ( t ) d t = 咚厂p ( ，) ，f - ( 1 一毛( ，) 7 咚。) ( 1 - 4 ) 这是一个微分方程，其中的待定参数要根据有限的实验结果来确定，由于求解的困难， 最终只能用p 指数形式的多项式级数展开，最后仍归结为用多项式来表达膨胀量。 文献 4 2 1 认为目前普遍采用的全量型计算模型难以反映膨胀变形的复杂规律，提出了 增量型计算模型： 撕，= 筹筹r s ， 式中一d f 的合适表达式也采用g 指数多项式展开式，上述两种方法本质上没有多大的 口f 区别，只是解决m g o 膨胀量的计算。 文献 4 3 在仔细研究了常规增量型计算模型后发现，膨胀量与实际试验结果不符。提 出了当量龄期的计算方法，并对恒温、温度突升、温度突降三种典型过程进行了分析计算， 梅明荣河海大学博士学位论文 取得了合理的结果。 虽然文献 4 4 1 考虑了m g o 微膨胀混凝土拱坝开裂的非线性模型，但只是考虑混凝土 强度方面的非线性，并没有计及m g o 所引起的非线性作用。m g o 的膨胀仍是均匀的， m g o 的膨胀变形与应力的关系也是线性的。 1 3 3 现有分析方法存在的问题 事实上，m g o 微膨胀混凝土结构的温度应力计算远不止膨胀变形如何描述的问题。 由于对水泥中m g o 的膨胀机理认识深入的不够，目前分析m g o 微膨胀混凝土的温度应力 方法与常规混凝土温度应力方法的相似，将膨胀变形的增量作为初应变来考虑【”l ，而材料 本构关系不变。上述方法都是将混凝土作为一种均匀材料，而其中砂浆内的m g o 膨胀当 作整个区域均匀的膨胀，这样膨胀所产生的预压应力如同温度应力一样是由约束引起的m ”1 ，初应变法应运而生，它概念清楚，程序实现简单。然而采用初应变法计算m g o 微膨 胀温度应力与实际情况并不完全吻合。 前面提到的阳春长沙全断面使用m g o 微膨胀混凝土的小型薄拱坝，尽管事先也进行 了相关的仿真计算和设计，大坝施工完后，还是出现了裂缝【”1 。下游面距坝底l 3 高程附 近的拱冠梁处发现一条竖向的长裂缝以及若干条水平裂缝，并且后期有水渗出。在下游的 坝肩附近也有两条裂缝。另一个例子是，石漫滩大坝基础混凝土采用补偿收缩混凝土，浇 完后，除1 7 “、1 8 4 坝段外，其余大部分坝段都陆续发现程度不同的裂缝，而且大都贯穿到 基岩。文献r 4 9 】认为，虽然大坝出现裂缝原因很多，但主要是对补偿收缩混凝土的期望值 过高。笔者进一步认为现有计算方法一初应变法没有真正考虑m g o 的膨胀机理也是计算 与实际不符原因之一。 张国新等在有关研究5 0 1 认为，掺m g o 对改善约束区应力状态效果明显，而远离约 束区作用不大，甚至出现表面局部应力比不掺m g o 时还增大的现象。事实上，众多的 m g o 运用实例和实测数据表明，掺m g o 的混凝土l i i 现裂缝的可能性要比不掺m g o 小得 多，这也是补偿收缩混凝土的基本性质所在。( 尽管内部及基础是否有贯穿裂缝不易观察 到，但起码表面裂缝的隋况应该是如此。) 王宗昌5 1 1 在1 9 9 8 年就意识到这个问题，“长期以来人们对微膨胀混凝土的抗裂性仅 从补偿收缩的角度分析和考虑，对更深层的机理分析不充分”。“微膨胀混凝土的抗裂能力 不能但从其膨胀量的大小来衡量，而应从不同的角度如膨胀率在整个发展过程的延续时 间、峰值大小和净膨胀率的变化考虑”。 1 0 梅明荣河海大学博士学位论文 事实上，很多学者、专家对微膨胀混凝土抗裂机理进行了深入研究。文献 3 3 2 1 在研 究“双膨胀”水泥时发现，“膨胀能”除了产生体积膨胀、补偿收缩，产生预压应力外， 还可以对混凝土内部孔隙产生压缩和迁移，使混凝土结构致密化，改善了混凝土的性能。 汕头大学的李庚英i s 2 、5 3 1 为此专门做了一组自由和约束两种状态下，普通混凝土与微膨胀 混凝土对比试验，分别进行了微观结构的研究，在扫描电镜下揭示了混凝土孔结构和本体 结构的特征，得到了很好的结果。指出膨胀混凝土在约束状态下，其抗压强度和弹性模量 都有明显的增加。其混