水工混凝土掺用氧化镁在大型钢坝闸设计中的应用

水工混凝土掺用氧化镁在大型钢坝闸设计中的应用

王宁  ,范杰利  ,赵泮杰

淄博市水利勘测设计院有限公司，山东 淄博 255000

【摘要】近年来，水生态文明城市建设的步伐逐年加快，城市水环境得到不同程度的改善，河道生态治理工程也成为生态淄博建设的重点任务，在河道治理过程中挡水建筑物的型式也出现了新的变化，越来越多的景观水闸如钢坝闸、气动盾形闸等在工程设计中得到了很好的应用，景观水闸与传统水闸相比建筑物底板及墩壁厚度变厚，大体积混凝土施工中极易产生温度裂缝，会对建筑物结构产生不利影响。本文主要通过工程实例介绍水工混凝土掺用氧化镁在大型钢坝闸设计中的应用，为类似工程设计提供参考。

【关键词】钢坝闸；氧化镁；温度

1  项目概况

项目位于淄博经济开发区孝妇河上，孝妇河是淄博的母亲河，也是淄博经济开发区的中心轴，对于提升城市形象具有重要意义。淄博经济开发区孝妇河（联通路-青银高速）综合治理工程于2016年4月开工建设。

淄博经济开发区孝妇河综合治理工程规划将现状橡胶坝拆除，对河道进行扩挖后，形成蓄水湖，湖区面积约为210亩，蓄水量约为56万m3。新建挡水建筑物位于现状橡胶坝下游约500m处，设计挡水高度为5.5m，共3跨，单孔净宽为27m，闸室总宽为93m。河道治理标准为50年一遇，钢坝闸过流能力为1285m3/s，工程规模属于大（2）型。从挡水高度及跨度综合评价，其工程规模在山东省尚属首例。

该钢坝闸最大的特点是闸底板及闸墩厚，底板上游端厚度为3.7m，下游端厚2m，齿墙厚1m，闸墩最大厚度为1.5m，高8.3m，闸室段混凝土总浇筑量为6800m3。底板基础换填深4.5m，单块混凝土尺寸19×15m，混凝土方量1.1万m3。闸室底板及闸墩均属于大体积混凝土施工，极易产生温度裂缝引起结构变形，而钢坝闸中心轴变形最大应控制在3-5mm，根据工期要求，钢板闸要求在7月份通水，施工高峰期在6月份，现场施工温度较高，极易产生温度裂缝引起结构变形。因此控制温度裂缝，减少混凝土徐变是本次设计应着重考虑的重要内容。

2  大体积混凝土产生裂缝的原因

（1）浇筑混凝土时温度变化影响：大体积混凝土浇筑后集聚在内部的水泥水化热不易发散，混凝土内部温度将显著升高，混凝土产生自内向外的膨胀，就在混凝土内部产生压应力，在外表面产生拉应力，由于此时混凝土的强度低，自有强度不足以克服拉应力即产生表面裂缝。

在降温阶段新浇混凝土产生收缩，但存在较强的地基或基础的约束而不能自由收缩。升温阶段快，混凝土弹性模量低，徐变的影响大，所以降温时产生的拉应力大于升温时产生的压应力。差值过大时，将在混凝土内部产生裂缝。

（2）混凝土水灰比过大，浇筑后混凝土收缩量大，形成裂缝：水灰比过大时，新生成的胶体水泥浆浓度低，水化后混凝土体内的多余游离水分往往先附着在骨料上，胶体与骨料粘结面积减小，粘结力下降，混凝土硬化时会产生细小裂纹，从而降低了混凝土强度。

3  钢坝闸设计中氧化镁掺量

通过对新型材料SK、氧化镁膨胀剂等材料进行分析对比、调查研究、建模分析等，本工程采用掺加氧化镁膨胀剂的方式，减少大体积混凝土徐变产生的结构应力变化。氧化镁膨胀剂在水化过程中产生体积膨胀补偿水泥基材料的收缩，是防止其收缩开裂的有效措施，氧化镁膨胀剂掺加量按混凝土中胶凝材料总量的5%左右控制，根据实验结果其掺量为每方混凝土约为30kg。

4  效果分析与检查

对钢坝闸大体积混凝土效果分析主要采用建模分析法及现场检测法。

（1）建模分析法

分析结果见表1、表2。

表1           建模参数表

表2       氧化镁添加前后应力变化情况表

通过对钢坝闸底板混凝土掺加氧化镁前后应力进行分析，能有效控制施工后裂缝开度，钢坝闸大体积混凝土内部应力能够减少40%，有效的降低了大体积水工混凝土裂缝率。

（2）现场检测法

一是主要对氧化镁混凝土及普通混凝土表面裂缝开度进行了现场对比，见图1。可见掺加氧化镁膨胀剂的混凝土表面不会发生贯穿裂缝，氧化镁膨胀剂在水化过程中产生体积膨胀会补偿水泥基材料的收缩。

             普通混凝土                 氧化镁混凝土

图1   混凝土表面切割情况

二是钢坝闸施工过程中在混凝土内部布设电子测温计测温查看混凝土掺加氧化镁后对混凝土内部温度的改变，经现场观测，施工时室外温度为10℃，混凝土内部最高温度为55℃，根据以往施工经验，普通混凝土在该施工温度下浇筑时，混凝土最高温度能够达到75℃。因此，在大体积混凝土内掺加氧化镁膨胀剂对于控制施工温度变化，控制温度裂缝的产生是效果显著的。

5  结束语

通过对淄博经济开发区钢坝闸大体积混凝土中掺用氧化镁的案例进行分析，得出如下结论：在大体积水工混凝土设计中掺加氧化镁膨胀剂能有效的减少混凝土收缩产生的裂缝开度，降低混凝土内部应力；同时能够对降低混凝土施工温度起到一定的作用。氧化镁膨胀剂在该工程的成功应用对于类似水工混凝土结构设计起到一定的借鉴作用。

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