摘要：外掺MgO混凝土筑坝技术是利用MgO混凝土产生的延迟性体积微膨胀补偿混凝土在温降过程中产生的收缩变形，以防止或减少混凝土由于温降产生的裂缝，可以取代或部份取代传统的温控措施，简化施工，加快工程进度，还阐述了外掺MgO混凝土自生体积变形的影响因素，通过对贵州省修建的4座外掺MgO混凝土坝的论述，对设置诱导缝，MgO的合理掺量等问题进行探讨。
关键词：外掺MgO混凝土筑坝技术；微膨胀;温控措施；诱导缝；防裂；探讨
1 概述
MgO混凝土的膨胀源有两种:高镁水泥中所含的MgO（内含MgO）及在水泥或混凝土中掺入的MgO（外掺），高镁水泥由于受料源条件限制，只有少数水泥厂能够生产，因此现更多的工程是采用外掺MgO，故本文只讨论外掺MgO混凝土筑坝的有关技术问题。
2 外掺MgO混凝土自生体积变形影响因素
当混凝土掺入MgO后，方镁石（MgO）晶体水化生成氢氧化镁时体积膨胀（即自生体积变形），这是化学反应过程MgO+H2 O→Mg（OH）2 常温下。方镁石水化缓慢，温度对方镁石水化速率影响较大。相同配比的MgO混凝土:温度每升高10℃，混凝土自生体积变形增加35～48με。外掺MgO混凝土的膨胀量随MgO含量增加而增加（在温度相同的条件下），MgO掺量越大，混凝土膨胀量也越大，MgO掺量越小，混凝土膨胀量也越小。粉煤灰对混凝土自生体积变形有抑制作用，粉煤灰的掺量增加，MgO混凝土的膨胀量将会降低。氧化镁的品质也影响混凝土自生体积变形，1100℃煅烧的MgO比1050℃煅烧的MgO混凝土自生体积变形大得多。其它如环境温度（特别与早期温度关系密切）、水泥品种等与混凝土自生体积膨胀都有影响。外掺MgO混凝土具有良好的微膨胀特性，主要膨胀发生在7d龄期以后，膨胀速率早期大，后期小，180d龄期以后膨胀增长缓慢，根据室内试验，龄期560d膨胀还在缓慢增长，只是膨胀值很小而已。
在这些影响因素中，温度的影响是最重要的，由于MgO混凝土自生体积变形依赖于温度，因此在施工期间混凝土表面保温就显得很重要，特别低温季节更应注意早期混凝土的表面保温。
3 外掺MgO混凝土筑坝技术在贵州省的应用
我国最早应用MgO混凝土筑坝为吉林省桦甸市境内的白山重力拱坝（坝高149.5m，混凝土总量163万m3 ），当地气候严寒，温度条件恶劣，大坝于1975年开始浇筑，采用抚顺水泥（内含MgO4.28%），1982年建成。在蓄水前检查，该坝没有产生基础贯穿裂缝，表面裂缝也很少。从原型观测资料中发现，白山拱坝混凝土具有微膨胀性能，所用抚顺水泥的微膨胀变形起了补偿作用，对大坝防裂起了重要作用。
贵州省于2001年开始采用外掺MgO混凝土筑坝技术，现已完工4座大坝。最早修建的沙老河拱坝位于贵阳市郊区，大坝为三心圆双曲拱坝（最大坝高62.4m，坝顶弧长184.8m，坝体混凝土5.3万m3 ），采用外掺MgO混凝土代替一切温控措施，MgO掺量占4.0%～5.5%，取消横缝，通仓浇筑，每层浇筑厚度（2.5～3.0m），2001年3月开始浇筑，9月大坝浇筑完工，11月份由于气温有所下降，先后出现4条贯穿性裂缝，缝长11.2～23.8m，最大裂缝宽度达8mm，次年4月对4条裂缝进行灌浆处理，同年12月份由于气温下降，已处理的4条裂缝又重新被拉开，并出现了第5条贯穿裂缝，缝宽3～4mm，次年3～4月进行了裂缝灌浆处理，同年6月通过蓄水安全鉴定并开始下闸蓄水，由于水库淹没处理等问题，水库一直低水位运行至今，虽上部未挡水坝体处于夏季高温日晒，冬季风雪袭击的恶劣环境，但坝体未出现新的裂缝。
继沙老河拱坝后，在贵阳市北郊又修建了三江河拱坝，该坝为单心圆双曲拱坝，坝高71.5m，坝顶弧长115.5m，坝体混凝土4万m3 ，全坝掺4.5%MgO，大坝在低温季节浇筑，从2002年12月开始浇筑至次年5月完成，施工期进行喷雾，洒水养护。在坝高25m以下堆渣保温，25m以上低温季节泡沫板保温，最重要的是设置了2条诱导缝。现大坝已竣工4a，只发现1条长1.5m的极细表面裂缝。
2006年10月建成的落脚河水电站大坝为贵州省修建的第3座外掺MgO混凝土土坝，工程位于大方县双山镇境内，坝型为椭圆线性变厚双曲拱坝，坝高81m，坝顶弧长250m，坝体混凝土约11万m3 ，全坝体外掺MgO5.5%，设4条诱导缝，大坝每层浇筑厚度3m。2005年12月开始浇筑垫层，2006年10月全部完成，同年8月通过分期蓄水安全鉴定，9月底开始发电，迄今未出现任何裂缝。
马槽河水电站位于铜仁市大兴镇境内，坝型为混凝土双曲拱坝，最大坝高69.5m，坝顶弧长142.1m，混凝土工程量4.64万m3 ，设置4条诱导缝，采用外掺MgO混凝土浇筑，MgO掺量6.0%，于2007年3月27日开始浇筑，10月大坝浇筑完成。现大坝尚未发现裂缝。
近几年来，外掺MgO混凝土筑坝技术在贵州省发展较快，取得了可喜的成绩，很多经验值得我们认真地总结分析，以使MgO混凝土筑坝技术得到进一步的提高和完善。
4 外掺MgO混凝土筑坝技术的几个问题
（1）设诱导缝是外掺MgO混凝土坝防裂的有效措施。外掺MgO混凝土在一定程度上补偿坝体由于温降所产生的拉应力，但由于MgO的延迟性膨胀明显滞后于混凝土最大温降应力到达的时间，其效果不明显，在施工期掺MgO基本上没有起到降低拉应力的作用，在运行期MgO的延迟膨胀特性会降低坝体由于温降产生的拉应力，但作用并不明显。如果完全依赖外掺MgO，完全取消横缝和各种温控措施估计难以达到预期的目的。根据贵州省三江河拱坝、落脚河拱坝、马槽河拱坝的经验，设置少量带止水和重复灌浆的诱导缝是成功的。诱导缝可以释放施工期的拉应力，减小运行期的拉应力，设置少量的诱导缝，施工方便，不影响施工速度，但起到了巨大的防裂作用。
在南方气温较高的地区，采用外掺MgO混凝土筑坝技术在中小型工程中，完全代替温控措施不分缝通仓浇筑可能成功，如广东省长沙坝。但全国多数地区的气温不如华南高，问题可能较多，如贵州省沙老河拱坝，当地年平均气温15.3℃，气温虽不及华南地区高，但应该还是较温暖的，采用外掺MgO混凝土，取消一切温控措施，在盛夏季节通仓浇筑，结果产生贯穿性裂缝。和沙老河拱坝相距很近的三江河拱坝，设置了2条诱导缝，就避免了裂缝的产生。根据贵州省几个工程的实践证明，在易出现裂缝的部位，设置少量诱导缝是外掺MgO混凝土筑坝防裂的重要经验。
（2）MgO的合理掺量。国标规定水泥的MgO含量是以水泥熟料中的MgO含量为准，我国目前在水工混凝土中外掺氧化镁是以胶凝材料（一般为水泥+粉煤灰）为控制标准，如果根据国家水泥标准，把MgO掺量控制在5%以内，现在看来是不对的。事实上，贵州省有的工程，外掺MgO已达5.5%～6.0%，外掺MgO肯定能突破5%的限制。
由于粉煤灰对混凝土自生体积膨胀有抑制作用，现混凝土中都掺用大量的粉煤灰，尤其是碾压混凝土中粉煤灰掺量有的高达60%以上，如掺入常规数量的MgO，混凝土自生体积膨胀量便达不到我们的期望值，因此便要提高MgO的掺量。以某工程室内压蒸试验为例，不掺粉煤灰时，MgO的极限掺量为5.67%;粉煤灰掺量为30%时，MgO极限掺量为7.68%;粉煤灰掺量为40%时，MgO极限掺量8.58%。如乘以0.85的安全系数，MgO的掺量分别为4.82%（不掺粉煤灰）、6.5%（掺30%粉煤灰）和7.3%（掺40%）粉煤灰。因此MgO的合理掺量应通过压蒸试验来确定。
水泥熟料中的MgO水化十分缓慢，有的水化需10a以上，而外掺轻烧MgO，3个月便可基本水化，因此水泥熟料中的MgO与外掺轻烧MgO有本质的不同，即使它们的含量相同，其效果也决不相同，在实际应用中应以外掺为主。
（3）关于原型观测值低于室内试验值的问题。从大坝原型观测资料来看，坝体MgO混凝土自生体积膨胀值低于室内试验值，以沙老河为例，在MgO掺量为4.5%时，在20℃和30℃养护条件下，180d膨胀值分别为90με和130με，而施工期的膨胀值约为60με和110με，室内混凝土自生体积变形是在20℃和30℃甚至40℃条件下进行的，而工程现场环境温度很多时间达不到试验设定的温度，尤其是在夜间和清晨。如避开高温季节，在低温季节浇筑，达不到试验设定的温度时间会更长，这可能是原型观测的膨胀值低于室内试验值的原因之一。落脚河拱坝也同样，大坝实测的自生体积膨胀量均低于室内试验值和设计期望值。
室内自生体积膨胀试验，制作试件时，进行湿筛，将大于40mm的粗骨料剔除，沙老河、三江河、落脚河、马槽河几个工程均采用四级配混凝土，大于40mm的粗骨料，约占混凝土总量的40%。就MgO混凝土自生体积膨胀而言，外掺MgO使水泥石产生体积膨胀，而骨料本身不产生膨胀，将大粒径骨料剔除，实际上增大了水泥石的体积，无疑室内试验测得的自生体积膨胀值将大于大坝的实际膨胀值。在大坝现场埋设观测仪器时，无应力计周围的混凝土也经过湿筛，因此现场测得的体积变化也偏大，埋设观测仪器周边的混凝土，如不进行温筛，测得的膨胀量应更符合实际。
（4）MgO掺量在不同部位产生的效果也不相同，因此拱坝坝体MgO不应是同一掺量，总的说来对上部混凝土拉应力的抑制作用强于下部，拱坝上部MgO的掺量应大于下部。
（5）大坝建成后最好不要空库越冬，蓄水与否对坝体最高温度没有太大影响，但对上部混凝土降温速度有一定影响，坝体建成后满库蓄水可改善坝体应力状态。沙老河拱坝浇筑完成后，遇气温下降，便产生贯穿性裂缝，次年3、4月份对裂缝进行了灌浆处理，但一直未蓄水，以致冬季处理的裂缝又重新拉开，并出现新的裂缝，现大坝虽长期低水位运行，但坝体未出现新的裂缝。如果2002年对坝体裂缝进行灌浆处理后，当年就下闸蓄水，灌浆处理后的裂缝就不一定会被重新拉开。
（6）外掺MgO混凝土的膨胀必须均匀，如果膨胀不均匀就可能破坏其内部结构，影响混凝土质量。在施工现场掺MgO必须称量准确，切不可采用体积比，根据青溪、水口水电站1000多次的试验及贵州省几个工程的实践证明，适当延长拌和时间（大于240s），外掺MgO混凝土的均匀性就不成问题。由于外掺MgO混凝土自生体积膨胀与温度密切相关，要获得期望的膨胀量，施工期间，表面保温显得十分重要。以上仅是笔者的认识，谬误之处，望专家予以指正。
5 结语
通过以上分析，我们可以认识到:
（1）外掺MgO混凝土筑坝技术与传统的施工工艺相比，可以大大简化混凝土温控措施，大大加快施工进度，使工程提前投入运行，产生巨大的经济效益，因此应进行更深入的试验研究，使这项技术更加完善。
（2）实践证明，设置少量的诱导缝是外掺MgO混凝土筑坝技术的成功经验。
（3）MgO的掺量不应被5%的禁区限制，应通过压蒸试验来确定，特别是粉煤灰掺量较高的混凝土。
（4）外掺MgO混凝土坝建成后，如果能够当年蓄水，可改善坝体应力状态，避免和减小坝体产生裂缝的可能性。
（5）由于温度是影响MgO混凝土自生体积膨胀的重要因素，施工期应注意混凝土的表面保温，以获得期望的膨胀量及减小混凝土开裂的可能性。
