陳參軍 孔祥偉

邳州站混凝土早期溫度裂縫控制研究

陳參軍 孔祥偉

一、工程概況

南水北調(diào)東線邳州泵站位于江蘇省邳州市八路鎮(zhèn)，為大（1）型泵站，設(shè)計(jì)流量100 m3/s。泵站底板混凝土強(qiáng)度等級C25，順?biāo)鞣较蜷L38 m，垂直水流方向38.2 m。進(jìn)水側(cè)底板厚度1.3m，出水側(cè)1.7m，局部厚度約3.8m。底板設(shè)計(jì)豎直方向不能分縫分塊，只能分層澆筑，屬大體積混凝土。泵站流道混凝土強(qiáng)度等級C25，抗?jié)B等級W6，抗凍等級F100。進(jìn)水流道斷面的寬度為8.0m，進(jìn)口斷面的高度為5.2m，出水流道出口斷面的寬度為7.5m，出口斷面的高度為5.22m，亦屬大體積混凝土，施工時(shí)須做好溫控措施防止裂縫產(chǎn)生。

二、邳州泵站溫控措施

混凝土出現(xiàn)裂縫的原因是混凝土內(nèi)部應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度，特別是混凝土拆模后，混凝土結(jié)構(gòu)尚未受到外部荷載作用時(shí)，此時(shí)出現(xiàn)的裂縫，基本上屬于此種類型。為了有效控制施工期混凝土裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，必須從控制混凝土的水化升溫、延緩降溫速率、減少混凝土收縮、提高混凝土極限拉伸強(qiáng)度、改善約束條件和設(shè)計(jì)構(gòu)造等方面全面考慮，結(jié)合實(shí)際采取措施。

1.降低混凝土澆筑溫度

控制混凝土入倉溫度不超過28℃，由于泵站底板施工是在8月份，天氣溫度較高，采取了下列措施來降低混凝土拌合物溫度：

（1）在骨料堆搭設(shè)遮陽棚，混凝土泵管覆蓋草袋，避免陽光直射，降低拌和物的入模溫度。

（2）使用溫度較低的井水作為拌和用水（經(jīng)較長時(shí)間觀測，井水溫度一直穩(wěn)定在16℃～17℃）作為拌和用水。

（3）預(yù)冷骨料，對石子噴冷水進(jìn)行預(yù)冷，在澆筑倉面噴霧降低倉面溫度。水泥罐和粉煤灰罐外側(cè)搭設(shè)遮陽棚，避免陽光直射，降低水泥溫度。

（4）混凝土入倉后及時(shí)平倉振搗，加快覆蓋速度，縮短混凝土在空氣中的暴露時(shí)間。

（5）混凝土澆筑盡可能利用陰天及早晚、夜間進(jìn)行。

（6）混凝土收光抹面后，采用塑料薄膜和土工布及時(shí)覆蓋。

2.降低混凝土的水化溫升

在基礎(chǔ)內(nèi)部預(yù)埋Φ50聚乙烯冷卻水管，通入循環(huán)冷卻水，強(qiáng)制降低混凝土中水泥水化熱引起的升溫。通水時(shí)間一般為15～20d，混凝土與水溫之差不宜超過25℃。管中水的流速以0.6m/s為宜，水流方向每24h調(diào)換一次。每天降溫不宜超過1℃。

3.加強(qiáng)表面保護(hù)降低混凝土內(nèi)外溫差

混凝土澆筑后，加強(qiáng)混凝土的保溫保濕工作，避免暴曬，混凝土終凝后及時(shí)覆蓋塑料薄膜和土工布保濕養(yǎng)護(hù)。用土工布封閉流道兩端進(jìn)口及豎井口，避免形成穿堂風(fēng)，使混凝土緩慢變溫，保持混凝土溫度內(nèi)外差不超過25℃。充分發(fā)揮混凝土的徐變特性，降低溫度應(yīng)力。底板保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得低于14d。規(guī)定合理的拆模時(shí)間，延緩混凝土降溫時(shí)間和速度，充分發(fā)揮混凝土應(yīng)力松弛效應(yīng)。結(jié)構(gòu)完成后，適時(shí)回填土，混凝土避免長時(shí)間暴曬。

4.加強(qiáng)溫差監(jiān)控

表1 底板施工進(jìn)度表

在底板內(nèi)埋設(shè)電子測溫計(jì)，測溫計(jì)分上中下三層布置，上下層距表面10cm左右布置。在流道墩墻內(nèi)埋設(shè)電子測溫計(jì)，測溫計(jì)分上中下三層布置，上層在高程18.0（進(jìn)水側(cè)）、18.7（出水側(cè)）布置；中間在15.0（進(jìn)水側(cè)）、15.5（出水側(cè)）；下層在13.1（進(jìn)水側(cè)）、12.6～13.8（出水側(cè)）布置，平面分四個(gè)測區(qū)。在混凝土澆筑后7d內(nèi)觀測溫度變化，外部混凝土每天觀測最高、最低溫度，前3d每2h觀測一次，其后6h觀測一次，氣溫驟降期間增加溫度觀測次數(shù)。

5.增加抗裂鋼筋

在流道墩墻底板以上2m，頂板以下1m范圍內(nèi)增加抗裂鋼筋，鋼筋規(guī)格和間距是B16＠100，原鋼筋設(shè)計(jì)是B16＠200。

6.在混凝土中加入聚丙烯纖維

施工摻量1kg/m3。

三、溫控研究

為做好裂縫控制研究，委托河海大學(xué)建立溫控計(jì)算模型，進(jìn)行溫控計(jì)算，通過溫控計(jì)算，取得了相關(guān)施工控制參數(shù)，具體如下。

1.計(jì)算工況（見圖1、圖2）。

圖1 多年各月平均氣溫變化圖

圖2 底板施工相關(guān)月份氣溫變化圖

2.底板混凝土澆筑施工安排

根據(jù)施工單位澆筑新施工方案，其進(jìn)度如表1所示。

混凝土熱性能參數(shù)參考李樓泵站試驗(yàn)結(jié)果?；炷两^熱溫升過程線如圖3所示，最大絕熱溫升47.98℃。

3.水管冷卻布置

冷卻水管分布位置如圖4所示，前后平均間距1m，個(gè)別較厚斷面增加水管布置。

圖3 混凝土絕熱溫升過程線圖

圖4 水管單元網(wǎng)格示意圖

水管直徑為Φ50mm，為三向一維傳導(dǎo)桿單元。底板中間位置布置1層，豎井周邊布置3層。水管通水溫度控制在17℃。

4.研究結(jié)果

根據(jù)施工方案，冷卻水管根據(jù)底板的不同厚度進(jìn)行布置，并在施工開始通冷卻水，水溫設(shè)定為17℃，而各批次澆筑混凝土的入倉溫度為28℃。從計(jì)算結(jié)果來看，由于保溫措施完善（土工布+薄膜），混凝土澆筑塊表面放熱系數(shù)接近絕熱，因此，溫度主要向地基傳熱，底板表面區(qū)域形成較高溫度區(qū)。另外由于分區(qū)施工的緣故，底板上下游施工的時(shí)差有1～2d，這樣各自達(dá)到最高溫度的時(shí)間不同。冷卻水管的作用明顯，可迅速降低內(nèi)部溫度；水泵井側(cè)墻由于沒有水管的冷卻，溫度最高達(dá)51℃，大概為該區(qū)澆筑后的第5d。隨著時(shí)間發(fā)展，底板的最終溫度將趨于水管的冷卻水溫17℃。

澆筑初期，在入倉溫度（28℃）和水化熱（絕熱溫升47.98℃）共同作用下，與冷卻水管的水溫（17℃）形成強(qiáng)烈的溫差，因此在水管周圍的應(yīng)力急劇變大，形成一個(gè)一個(gè)的應(yīng)力包，中心應(yīng)力分別是：第7d的大主應(yīng)力是6.28 MPa；第14d為5.6 MPa，均超出水管周圍混凝土的抗拉強(qiáng)度。而混凝土的應(yīng)力并不大，其中第7d的大主應(yīng)力是-0.42～0.54 MPa；第14d為1.08～1.98 MPa；第28d是2.59 MPa，這些都是在抗拉強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。

水泵井有兩個(gè)部位的應(yīng)力變化需要引起特別注意：首先，水泵井底層混凝土區(qū)域，在完成澆筑后間隙3d再開始后續(xù)施工，因此與上面后續(xù)混凝土在接觸面應(yīng)力變化比較大；其次，底板與墻的接觸處在第28d的大主應(yīng)力為4.6 MPa。應(yīng)采取必要防裂措施。

從計(jì)算結(jié)果來看，冷卻水管的水溫為17℃，與入倉溫度加水化熱溫度差別較大，明顯在水管周圍形成應(yīng)力包，其值超過了混凝土的強(qiáng)度，建議相應(yīng)提高冷卻水管的通水溫度，并適時(shí)停止水管冷卻。

四、結(jié)語

南水北調(diào)邳州泵站混凝土施工通過采取溫控措施，混凝土裂縫控制取得了良好的效果。邳州站包括泵站、節(jié)制閘、清污機(jī)橋、公路橋等五座建筑物，共出現(xiàn)13條裂縫，最大裂縫寬帶0.24mm，最小0.06mm，均為非結(jié)構(gòu)性缺陷裂縫，對結(jié)構(gòu)安全不影響。

從邳州站工程實(shí)踐中看出，預(yù)防和減少混凝土早期溫度裂縫，必須結(jié)合工地的實(shí)際條件，從控制混凝土的水化升溫、延緩降溫速率、減少混凝土收縮、提高混凝土極限拉伸強(qiáng)度、改善約束條件等方面全面考慮。而在施工條件受到限制的情況下，對混凝土采取保溫措施，降低混凝土內(nèi)外溫差，是減少溫度裂縫的關(guān)鍵■

（作者單位：江蘇省徐州市水利工程建設(shè)有限公司 221000 山東省濟(jì)寧市南水北調(diào)工程建設(shè)管理局 272000）

（專欄編輯：周 權(quán)）