王立新，霍 燚

青蘭渡槽大體積混凝土溫控技術(shù)研究

王立新，霍 燚

（河北省水利工程局，河北石家莊050021）

對平板支撐大體積混凝土施工質(zhì)量、施工工藝及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等關(guān)鍵技術(shù)展開深入研究和分析論證。結(jié)合不同工況采用溫控仿真有限元模型程序，通過溫度場、應(yīng)力場等平板支撐混凝土結(jié)構(gòu)計算和裂縫分析，研究混凝土溫度控制及裂縫防治措施，探索混凝土應(yīng)力計算及裂縫防治新技術(shù)，找出變化規(guī)律，指導施工實踐。圖2幅，表9個。

大體積混凝土；溫控；工程施工；仿真計算；有限元模型

1 概 述

青蘭渡槽是大型分離式扶壁型式，為1級建筑物，設(shè)計流量為235m3／s，加大流量為265m3／s，此種結(jié)構(gòu)型式的渡槽在水利工程中應(yīng)用尚屬首次。

平板支撐結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)尺寸為69.2m× 58.792m，厚度為1.5～3m，混凝土工程量總計7242.79m3，設(shè)計沒有考慮分縫。

由于整體工期壓縮，按照節(jié)點工期安排施工時間為6月初至8月底。青蘭渡槽平板支撐預應(yīng)力混凝土是在高溫季節(jié)和泵送施工各種最不利條件疊加情況下施工的大體積預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。因此，高溫季節(jié)施工制定切實可行的溫控措施是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 配合比的優(yōu)選

是使混凝土具有較好的抗裂能力，就是要求混凝土的絕熱溫升較小、抗拉強度較大、極限拉伸變形能力較大、熱強比較小、線脹系數(shù)較小，自生體積變形最好是微膨脹，至少要是低收縮。

混凝土原材料的品質(zhì)和配合比決定了混凝土熱學、力學性能，它從減少混凝土絕熱溫升、提高抗裂能力兩方面防止裂縫的產(chǎn)生。摻入外加劑（主要指減水劑）、摻和料（主要為粉煤灰）可以減少用水量，改善混凝土的和易性和強度。另外，還可選用材質(zhì)好、級配佳的粗細骨料以減小混凝土的線脹系數(shù)，摻入膨脹劑、減縮劑以減少收縮量等。

平板支撐澆筑混凝土等級為C40F150。配合比經(jīng)過實驗室反復論證和試驗分析，并根據(jù)專家論證結(jié)論的進行了優(yōu)化（見表1）。

選擇混凝土原材料、優(yōu)化混凝土配合比的目的

表1 配合比

3 施工工藝

3.1 分縫

雖然設(shè)計從結(jié)構(gòu)整體性考慮整個平板結(jié)構(gòu)沒有分縫，但是根據(jù)施工進度安排，混凝土施工期正趕上高溫季節(jié)，考慮工程的結(jié)構(gòu)受力特點和混凝土溫控防裂要求等因素，應(yīng)力應(yīng)變各角度分析均應(yīng)分施工縫澆筑。

為此專門請專家召開論證會，經(jīng)設(shè)計同意，確定分10倉澆筑，防止應(yīng)力約束產(chǎn)生的裂縫，并作出專門的溫度控制方案。

3.2 平板支撐結(jié)構(gòu)溫控防裂優(yōu)化方案

3.2.1 參數(shù)選擇

（1）氣象條件

施工環(huán)境溫度取值：4月份平均氣溫T＝19.35℃。取氣溫為A＝12.3℃，氣溫年變幅為B＝14.6℃，最高氣溫日期距離1月1日的天數(shù)為C＝210d。

地下水水溫：3～4月18℃，5月20℃，6～8月22℃，9～10月20℃。通水水溫按與混凝土最高溫度不大于25℃控制。

（2）混凝土的熱力學參數(shù)

近似地認為混凝土彈性模量不同齡期的變化規(guī)律與抗壓強度變化規(guī)律相同（見表2、表3）。

表2 平板支撐結(jié)構(gòu)混凝土熱學性能參數(shù)

表3 平板支撐結(jié)構(gòu)混凝土力學性能參數(shù)

水化熱溫升計算公式采用下式：

式中，a為水化熱達到一半的齡期。

（3）水管參數(shù)

冷卻水管采用蛇形均勻鋪設(shè)，間距1.0m、距離周邊1.0m、進出水管口間距1.0m、出露長度不小于20cm（見表4）。

3.2.2 計算模型及模擬方法

由于平板支撐結(jié)構(gòu)平行水流方向分有1條施工縫，因此溫控模型選取中間的1個結(jié)構(gòu)段，即長度為63m、寬度為11.75m的結(jié)構(gòu)段。模型中考慮了下部支柱結(jié)構(gòu)的影響，在支柱結(jié)構(gòu)與平板支撐結(jié)構(gòu)連接部位，通過建立彈簧單元（COMBIN40和COMBIN14）來模擬支柱與平板支撐結(jié)構(gòu)間的接觸問題?；炷两Y(jié)構(gòu)采用8節(jié)點等參單元（見圖1）。

表4 冷卻水管參數(shù)

圖1 計算模型網(wǎng)格剖分

（1）計算荷載以及邊界條件

4個支柱底部給予絕熱邊界條件和全約束力學邊界條件；模板和混凝土表面在溫度場計算中，拆模前是光滑鋼表面與空氣熱對流邊界條件，拆模后是光滑固體表面與空氣熱對流邊界，拆模前渡槽襯砌段混凝土表面的等效放熱系數(shù)統(tǒng)一取風速為零時鋼表面（光滑）的放熱系數(shù)18.46kJ／（m2?h?℃），拆模后考慮風速影響，混凝土表面放熱系數(shù)取為30.0kJ／（m2?h?℃）。在拆模后灑水養(yǎng)護時，有灑水養(yǎng)護的表面成為混凝土表面與灑水熱對流邊界，這些邊界屬于第三類熱學邊界條件。

計算溫度場時，混凝土單元的初始溫度為澆筑溫度，下部支柱的初始溫度為夏季的平均氣溫。

（2）計算結(jié)果特征點的選取

沿長度方向截取平板支撐結(jié)構(gòu)的中心縱斷面，如下圖所示，選取3個橫截面（截面1、截面2、截面3）代表點（上、中、下）的溫度場和溫度應(yīng)力場進行分析（見圖2）。

圖2 代表點選取示意

3.3 平板支撐結(jié)構(gòu)混凝土夏季澆筑溫控方案優(yōu)選

（1）夏季澆筑基本工況分析

夏季澆筑基本工況條件為：澆筑溫度為30℃，采用C40F150泵送混凝土，開澆3d后拆模，表面灑水養(yǎng)護28d，無溫控措施。

（2）溫度場分析

由溫度計算結(jié)果可知，所選取的不同截面最高溫度均出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)中間部位。從溫度歷時曲線來看，平板支撐結(jié)構(gòu)混凝土的溫度場均經(jīng)歷了水化熱溫升、溫降和隨環(huán)境氣溫周期變化3個階段，各個截面代表點的演化趨勢基本一致。各截面最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)于澆筑后的第3、5、7d不等，最高溫度值出現(xiàn)于澆筑后的第2～5d不等。

（3）應(yīng)力場分析

由應(yīng)力計算結(jié)果可知，所選取的不同截面代表點溫度應(yīng)力變化經(jīng)歷了壓應(yīng)力增長、壓應(yīng)力減小、產(chǎn)生拉應(yīng)力、拉應(yīng)力快速增長并達到最大值、拉應(yīng)力再減小并進入隨氣溫周期性變化的演化趨勢（見表5、表6）。

表5 各截面代表點對應(yīng)齡期第一主應(yīng)力值對比

表6 各截面代表點對應(yīng)齡期安全系數(shù)值對比

對比各個截面代表點第一主應(yīng)力值和安全系數(shù)值可以看出，當平板支撐結(jié)構(gòu)混凝土夏季澆筑溫度為30℃時：對于截面1，上部表面點各齡期拉應(yīng)力較小，最大值為1.77MPa，中間點和下部表面點的拉應(yīng)力在冬季均比較大，最大值分別為4.48MPa和5.96MPa，相應(yīng)最小抗裂安全系數(shù)分別為1.08和0.81，均在1.5以下，不滿足規(guī)范抗裂安全要求。對于截面2，3個代表點拉應(yīng)力在冬季均較高，其中上部表面點和下部表面點的最小抗裂安全系數(shù)值偏低，分別為1.35和1.38，也不滿足規(guī)范抗裂安全要求。對于截面3，上部表面點最大拉應(yīng)力較小，為1.19MPa，而中間點的最大拉應(yīng)力值為3.48MPa，相應(yīng)最小抗裂安全系數(shù)為1.4，與相關(guān)規(guī)范比較偏小。

綜上可知，對平板支撐結(jié)構(gòu)，夏季混凝土澆筑溫度為30℃時，混凝土大部分區(qū)域拉應(yīng)力值偏大，極易出現(xiàn)裂縫。故應(yīng)增加一定的溫控措施，以減小溫度應(yīng)力，提高混凝土的抗裂安全系數(shù)。

3.4 溫控方案分析

夏季澆筑溫控方案條件為：澆筑溫度為24～28℃，開澆3d后拆模，表面灑水養(yǎng)護28d，并采取相應(yīng)溫控措施，其中冬季保溫是指氣溫低于14℃時即采取保溫措施（見表7）。

表7 計算方案選擇

（1）溫度場分析

根據(jù)不同方案下所得溫度計算結(jié)果，所選取的3個截面的最高溫度均出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)中間部位。從溫度歷時曲線來看，混凝土各代表點溫度場均經(jīng)歷了水化熱溫升、溫降和隨環(huán)境氣溫周期變化3個階段，各計算方案演化趨勢基本一致。各截面的最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)于澆筑后的第3、5、7d不等，最高溫度值出現(xiàn)于澆筑后的第2～5d不等。

（2）應(yīng)力場分析

根據(jù)不同方案下所得應(yīng)力計算結(jié)果，所選取的不同截面代表點溫度應(yīng)力變化經(jīng)歷了壓應(yīng)力增長、壓應(yīng)力減小、產(chǎn)生拉應(yīng)力、拉應(yīng)力快速增長并達到最大值、拉應(yīng)力再減小并進入隨氣溫周期性變化的演化趨勢，各計算方案的演化趨勢基本一致。

截面1應(yīng)力計算結(jié)果可以看出，方案1、方案2、方案4下，截面1區(qū)域混凝土抗裂安全系數(shù)均偏低，方案3和方案5中采取的溫控措施可使截面1區(qū)域基本滿足相關(guān)規(guī)范的抗裂要求。

截面2應(yīng)力結(jié)果可以看出，各方案中采取的溫控措施均可使截面2區(qū)域混凝土抗裂安全系數(shù)達到相關(guān)規(guī)范的抗裂要求。

截面3應(yīng)力結(jié)果可以看出，各方案中采取的溫控措施均可使截面2區(qū)域混凝土抗裂安全系數(shù)達到相關(guān)規(guī)范的抗裂要求。

綜上可知，平板支撐結(jié)構(gòu)最易出現(xiàn)裂縫的區(qū)域在截面1處，其次為截面2，截面3區(qū)域的拉應(yīng)力較小，基本上不會有裂縫產(chǎn)生。方案1施工條件下，截面1中間點和下部表面點拉應(yīng)力較大，極易產(chǎn)生溫度裂縫。因此一方面，當降低澆筑溫度至24℃，并采取通水措施，通水溫度為20℃，通水時間為15d，在冬季改用保溫效果較好的保溫被保溫時，截面1下表面點的最小抗裂安全系數(shù)為1.45，基本上滿足抗裂要求。另一方面，考慮到實際施工中澆筑溫度降低至24℃比較困難，仿真計算了方案5條件下的溫控效果，即在26℃澆筑條件下，采用25mm外徑的PE管通冷卻水，通水溫度為15℃，通水時間為20d，并在冬季氣溫較低時用保溫被給混凝土表面保溫，此種情況下截面1下表面點最小抗裂安全系數(shù)為1.46，也基本滿足規(guī)范要求。

方案1～方案5中的通水冷卻措施在混凝土結(jié)構(gòu)中布置的水管為單排水管。現(xiàn)考慮在放寬澆筑溫度的前提下，在平板支撐結(jié)構(gòu)中布置雙排冷卻水管，進行通水冷卻，即方案6。在方案6情況下，最易出現(xiàn)裂縫的截面1下部表面點處的最小抗裂安全系數(shù)出現(xiàn)在220d齡期，為1.45，對應(yīng)的第一主應(yīng)力為3.37MPa，混凝土抗裂安全性基本滿足規(guī)范要求。

3.5 優(yōu)選結(jié)果

夏季澆筑溫度為30℃時，所選取的代表點拉應(yīng)力均偏大，混凝土易產(chǎn)生溫度裂縫，應(yīng)當采取溫控措施減小溫度應(yīng)力（見表8、表9）。

表8 不同截面處各方案下的最高溫度及最大內(nèi)表溫差值

表9 不同截面處各方案下的最小抗裂安全系數(shù)及對應(yīng)的主應(yīng)力值

根據(jù)以上方案比選，方案5截面1下表面點最小抗裂安全系數(shù)最高，也基本滿足規(guī)范要求。同時，PE管施工具有方便、快捷、價格低廉的特點，高溫季節(jié)澆筑溫控方案應(yīng)選用方案5。

4 平板支撐施工

4.1 溫度控制

（1）控制目標

混凝土澆筑溫度不大于26℃，混凝土內(nèi)外溫差控制標準為不大于20℃。預冷混凝土運輸、澆筑過程中溫度回升率不大于0.25。

（2）降低出機口溫度的措施

骨料倉采取搭設(shè)遮陽篷、堆高骨料等措施，澆筑前噴灑冷水預冷。拌和水采用地下水和加冰屑，保證拌合水溫度不大于10℃。延長靜置時間，水泥廠、粉煤灰廠貯藏降溫后進場，現(xiàn)場在水泥罐周圈盤冷卻水管降溫等措施。水泥控制溫度不超過50℃，粉煤灰控制溫度不超過30℃。

（3）減少溫度回升

對混凝土攪拌運輸車采取隔熱保溫措施，進料時對運輸車灑冷水，降低車體溫度。

減少暴露時間：采用混凝土泵車入倉，混凝土入倉后及時平倉振搗，加快覆蓋速度，縮短曝曬時間。

澆筑安排在下午18時至次日上午8時進行，并且白天倉面采用覆蓋措施，避免陽光直射。

混凝土施工時，外界氣溫較高，為防止混凝土初凝及氣溫倒灌，在倉面設(shè)置1臺倉面噴霧機，以降低倉面小環(huán)境的溫度，營造濕潤小環(huán)境。

（4）控制水化熱溫升

埋設(shè)冷卻水管進行初期通水，以降低混凝土最高溫度并削減內(nèi)外溫差，滿足內(nèi)外溫差要求。冷卻水管的布置按照上述方案5執(zhí)行，單排PE管，水管水平間距1m，布置于厚度方向的中間部位，單根水管長50m。

在開始澆筑時即開始通水，前4d通水采用制冷水，通水溫度控制在15～18℃，以后通水采用地下水，水溫20℃，通水流量為35L／min，總通水時間15d。

混凝土的測溫初期1h觀察1次，1d后每2h觀察1次并記錄，氣溫和混凝土內(nèi)部溫度變化大時要加大觀測密度；做好溫控過程中的數(shù)據(jù)記錄和分析，及時指導溫控工作。

（5）熱工計算

做好以上的溫度控制，運輸環(huán)境為28℃，采用混凝土攪拌車運輸α＝0.25；泵送混凝土轉(zhuǎn)運2次，自運輸?shù)綕仓r的時間為0.06h。熱工計算結(jié)果是：混凝土的澆筑溫度T1＝25.0℃。

滿足上述方案5的內(nèi)部溫升和抗裂要求的計算條件。

混凝土收面后采用1層塑料薄膜和1層棉氈覆蓋保溫保濕，定期灑水保濕養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于28d。對平板支撐結(jié)構(gòu)下部進行圍封，噴水保濕，保持底部的溫度和濕度。

4.2 溫度控制情況

通過實際測量，平板支撐混凝土澆筑溫度均低于26℃?；炷羵}面澆筑開始后即進行通水降溫，每2h測冷卻水管的進出水溫，冷卻水管通水的流速為0.926～1.051m／s?；炷翝仓瓿?4～30h后混凝土內(nèi)部最高溫度達到最高70℃，達到最高溫度2～3h以后混凝土內(nèi)部溫度開始下降，冷卻水出水溫度最高達到53℃，混凝土表面溫度最高為56℃，混凝土表面最高溫度56℃，當時氣溫36℃?；炷羶?nèi)外溫差不大于25℃，符合設(shè)計及規(guī)范要求，平板支撐混凝土未發(fā)現(xiàn)裂縫。

實際測溫結(jié)果比原方案計算最高溫度要高，分析原因是傾向于水泥較以前顆粒變細，早期強度提高，水化熱反應(yīng)提前集中，降溫水管運行不是像計算設(shè)定那樣穩(wěn)定等因素造成。

5 結(jié) 論

大體積混凝土其裂縫形成的原因和客觀因素復雜，特別是在施工階段，還摻雜有人為因素。根據(jù)大體積平板支撐應(yīng)力的仿真計算分析，影響平板支撐結(jié)構(gòu)裂縫的主要因素仍然是溫變所致的溫度應(yīng)力和混凝土收縮性自生變形應(yīng)力。

（1）通過采用科學的施工方法和嚴格施工管理措施，可以杜絕裂縫的出現(xiàn)。施工中，通過減小混凝土內(nèi)外溫差、降低外界條件對混凝土變形的約束、提高混凝土自身的抗裂能力等技術(shù)和管理措施，可以達到混凝土防裂的目的。

（2）通過優(yōu)選原材料和配合比，可以明顯改善混凝土的性能，結(jié)合使用外加劑，保證混凝土的強度及抗?jié)B、抗凍性能。

（3）從平板支撐不同部位溫度和應(yīng)力的計算結(jié)果來看，混凝土裂縫的發(fā)生和發(fā)展可根據(jù)裂縫出現(xiàn)的時間和啟裂點位置來分，主要可分為溫升期裂縫和隨后的降溫期裂縫兩類。溫升期出現(xiàn)的裂縫都發(fā)生在澆筑初期，裂縫的形式一定都是啟裂于表面的、由表向內(nèi)擴裂的“由表及里”型裂縫，啟裂點往往位于混凝土表面的中心區(qū)域。它們主要是由混凝土內(nèi)外溫差導致的，內(nèi)部溫度相對高的混凝土要約束外部溫度較低的表面混凝土的收縮變形，從而產(chǎn)生表面溫度拉應(yīng)力。內(nèi)外溫差越大，早期表面拉應(yīng)力就越大，出現(xiàn)表面開裂的風險也越大。當表面裂縫出現(xiàn)后，在外在不利因素的引導下，很可能向縱深發(fā)展并最終成為貫穿性裂縫或深層裂縫。因此，施工時要特別重視混凝土表面裂縫出現(xiàn)的可能性和相應(yīng)的施工防裂方法，混凝土的防裂工作首先要設(shè)法防止溫升期這類裂縫的產(chǎn)生。

責任編輯 吳 昊

2014－12－12

王立新（1968－），男，教授級高級工程師，主要從事水利工程施工管理工作。