程中凱,李金河,黃耀英,周宜紅,田開(kāi)平,武先偉

(1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司溪洛渡工程建設(shè)部,云南 永善 657300)

0 引 言

實(shí)際工程資料表明,大體積混凝土中的裂縫絕大多數(shù)是由氣溫變化引起的表面裂縫,且有一部分將可能發(fā)展為貫穿性或深層裂縫,危害到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性.因此,在大體積混凝土的施工過(guò)程中,必須設(shè)法防止表面裂縫的產(chǎn)生.通過(guò)理論分析與試驗(yàn)證明混凝土表面保溫是防止表面裂縫非常有效的措施[1-4].

目前大體積混凝土施工中主要采用聚苯乙烯泡沫塑料板 (以下簡(jiǎn)稱 "苯板")作為表面保溫材料,且苯板的保溫能力主要通過(guò)粘貼苯板后混凝土表面放熱系數(shù)的大小來(lái)體現(xiàn).然而影響表面放熱系數(shù)的因素有很多,主要包括苯板厚度、風(fēng)速、密度、比熱容、運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、混凝土表面尺寸和粗糙度等[4-5].表面放熱系數(shù)是受多變量作用的復(fù)雜函數(shù),對(duì)其進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)描述十分困難.朱伯芳[4]提出了基于材料熱阻的表面放熱系數(shù)估算方法和更能反映實(shí)際情況的基于實(shí)測(cè)值反演混凝土表面放熱系數(shù)的方法.

在混凝土表面粘貼苯板的保溫效果研究文獻(xiàn)中,表面放熱系數(shù)反演大多是基于室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)的混凝土試塊在不同深度埋設(shè)點(diǎn)溫度計(jì)的測(cè)值進(jìn)行的,而基于現(xiàn)場(chǎng)典型澆筑倉(cāng)或部位的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行苯板保溫效果反饋的文獻(xiàn)較少.朱岳明等[6]基于工程現(xiàn)場(chǎng)的混凝土立方體試塊內(nèi)不同深度埋設(shè)的點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)值對(duì)試塊表面粘貼不同厚度苯板的保溫效果進(jìn)行了反饋.由于受試驗(yàn)條件等因素的限制,此法很難模擬真實(shí)工況,確定的熱學(xué)參數(shù)也難以體現(xiàn)混凝土的真實(shí)性能,甚至?xí)休^大差異.

在現(xiàn)場(chǎng)典型混凝土澆筑倉(cāng)埋設(shè)點(diǎn)溫度計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)時(shí),由于實(shí)際混凝土施工質(zhì)量的隨機(jī)性,采用點(diǎn)溫度計(jì)的監(jiān)測(cè)值反演的熱學(xué)系數(shù)會(huì)存在一定的隨機(jī)性.埋設(shè)具有快速、高精度、自動(dòng)化程度高且可以連續(xù)線溫度監(jiān)測(cè)的分布式光纖進(jìn)行監(jiān)測(cè),并用其監(jiān)測(cè)值反演得到混凝土熱學(xué)參數(shù)將會(huì)更有代表性[7-9].本文結(jié)合西南某在建混凝土拱壩,在其典型混凝土澆筑倉(cāng)表面附近不同深度埋設(shè)分布式光纖,利用其測(cè)值對(duì)此混凝土澆筑塊的表面放熱系數(shù)進(jìn)行反演分析,為苯板保溫效果評(píng)價(jià)提供參考依據(jù).

1 表面放熱系數(shù)反分析[4]

1.1 基于材料熱阻的表面放熱系數(shù)估計(jì)

當(dāng)混凝土表面附有模板或保溫層時(shí),進(jìn)行表面放熱系數(shù)等效來(lái)考慮其對(duì)溫度的影響后,仍可按第三類邊界條件計(jì)算.等效表面放熱系數(shù)βs為

式中,β為模板或保溫層在空氣中的表面放熱系數(shù);hi為第i層保溫層厚度;λi為第i層保溫層導(dǎo)熱系數(shù).

1.2 基于實(shí)測(cè)溫度的表面放熱系數(shù)反分析

考慮半無(wú)限體表面,埋設(shè)3支電阻溫度計(jì)a、b、c,在某一瞬時(shí)實(shí)測(cè)溫度分別為Ta、Tb、Tc,當(dāng)時(shí)混凝土表面溫度為Ts,如圖1所示.外界氣溫為Ta0.把坐標(biāo)原點(diǎn)放在溫度計(jì)a點(diǎn)上,設(shè)x點(diǎn)溫度標(biāo)示為T=T(x),則表面溫度為Ts=T(-a),使用二次插值法推算表面放熱系數(shù)β.

設(shè)表面附近溫度表示如下:

圖1 混凝土表面附近溫度分布

在混凝土表面x=-a時(shí)

式中,Ta0為為外界環(huán)境氣溫;Ts為混凝土表面溫度;λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù).

通過(guò)式(5)不僅可以反演得到表面裸露狀態(tài)下的表面放熱系數(shù),而且可以求出反映表面保溫材料保溫效果的等效表面放熱系數(shù).

2 工程實(shí)例

西南某在建水電站大壩為特高雙曲拱壩,最大壩高285.5 m,大壩分為31個(gè)澆筑壩段,為達(dá)到溫控防裂的目的,在混凝土澆筑倉(cāng)埋設(shè)常規(guī)溫度計(jì),且在4個(gè)典型壩段埋設(shè)分布式光纖進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè).此拱壩混凝土溫度控制施工技術(shù)要求:上下游面混凝土在拆模后5 d內(nèi)分別粘貼厚5、3 cm聚苯乙烯泡沫塑料板作為永久保溫.利用室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定的材料熱阻,按式(1)估算得到混凝土表面等效表面放熱系數(shù)如表1所示.

2.1 試驗(yàn)方案

選取5號(hào)壩段第25倉(cāng) (5號(hào)-025)作為典型澆筑倉(cāng),該倉(cāng)混凝土標(biāo)號(hào)為C18035,層厚3 m,共分6個(gè)坯層澆筑,混凝土的配合比見(jiàn)表2,澆筑過(guò)程典型時(shí)刻見(jiàn)表3.在距倉(cāng)底面0.4 m和1.9 m處各布置一層水管,水管間距1.5 mX1.5 m.在上下游表面附近埋設(shè)不同距離的分布式光纖實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)上下游表面保溫效果,試驗(yàn)光纖分別埋設(shè)于該倉(cāng)第3坯層下游面和第6坯層上游面附近,與表面距離分別為10、20、40、80 cm,光纖埋設(shè)布置示意如圖2.分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng) (DTS系統(tǒng))自動(dòng)采集數(shù)據(jù)周期為2 h,且由于單點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)具有一定隨機(jī)性,因此在每個(gè)距離的光纖上取多個(gè)典型測(cè)點(diǎn)溫度,采用其等效平均溫度.

表1 粘貼苯板后混凝土表面等效表面放熱系數(shù)kJ/(m.h.℃)

圖2 光纖埋設(shè)示意(單位:cm)

表2 混凝土材料配合比

表3 試驗(yàn)倉(cāng)5號(hào)-025典型時(shí)刻

2.2 表面放熱系數(shù)反演分析

大壩混凝土導(dǎo)熱系數(shù)采用設(shè)計(jì)值λ=184.9 kJ/(m.d.℃),分別采用溫度監(jiān)測(cè)值的日變化值和日平均值,試驗(yàn)澆筑倉(cāng)分成表面粘貼苯板前后,選取典型時(shí)段利用式(5)進(jìn)行混凝土表面放熱系數(shù)的反演分析.反演分析工況、選取的典型時(shí)段及其反演使用的測(cè)值對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)表4,典型時(shí)段2012年8月8日~2012年8月18日的外界氣溫及上下游面附近光纖測(cè)值如圖3,上下游面表面放熱系數(shù)反演結(jié)果如圖4,反演得到的表面放熱系數(shù)均值見(jiàn)表5.

表4 反演分析工況及其典型時(shí)段和測(cè)點(diǎn)埋設(shè)位置

圖3 2012年8月外界氣溫及上下游面附近溫度光纖測(cè)值

根據(jù)圖4和表5分析可知:

(1)采用日變化溫度反演得到的表面放熱系數(shù)在一天內(nèi)的變化規(guī)律同氣溫變化規(guī)律呈相關(guān)性,在一天內(nèi)變幅較大,穩(wěn)定性較差,而采用日變化溫度反演得到的表面放熱系數(shù)穩(wěn)定性要優(yōu)于前者,反演值應(yīng)更合理.

(2)由于典型時(shí)段2012年2月14日~2012年2月23日正處于混凝土中期一次控溫階段,混凝土溫度受到水化熱影響較大,而典型時(shí)段2012年8月8日~2012年8月18日處于混凝土中期二次控溫和二期降溫階段,此時(shí)混凝土水化熱基本完成,所以時(shí)段2012年8月8日~2012年8月18日反演得到的表面放熱系數(shù)更加合理.混凝土粘貼苯板后,上下游面表面放熱系數(shù)的反演均值分別為3.482 4、8.5847 kJ/(m2.h.℃),均大于由材料熱阻估算的等效表面放熱系數(shù)值.

圖4 2012年8月上下游面表面放熱系數(shù)反演值

表5 不同工況各典型時(shí)段上下游面表面放熱系數(shù)反演均值

(3)從反饋結(jié)果來(lái)看,由混凝土溫度日變化值或日平均值反演得到的表面放熱系數(shù)同外界環(huán)境溫度變化規(guī)律呈相關(guān)性.當(dāng)外界氣溫低于混凝土溫度時(shí),表面放熱系數(shù)規(guī)律與氣溫變化規(guī)律相同;當(dāng)外界氣溫高于混凝土溫度時(shí),表面放熱系數(shù)規(guī)律與氣溫變化規(guī)律相反.這是因?yàn)槔檬?5)反演表面放熱系數(shù)時(shí),對(duì)比各測(cè)點(diǎn)溫度的光纖實(shí)測(cè)值與外界環(huán)境溫度可知,各測(cè)點(diǎn)處溫度變幅相對(duì)于外界氣溫變幅很小,而且粘貼苯板后混凝土內(nèi)部溫度梯度基本穩(wěn)定.表面放熱系數(shù)反演值的變化主要由外界環(huán)境溫度的變化引起,外界氣溫同混凝土內(nèi)部溫度 (混凝土表面溫度Ts正好位于兩溫度之間)的大小關(guān)系則正好對(duì)應(yīng)了表面放熱系數(shù)的反演值與外界環(huán)境溫度正負(fù)兩種不同的相關(guān)性.

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)采用日平均溫度反演得到的表面放熱系數(shù)比采用日變化溫度反演得到的表面放熱系數(shù)更合理.混凝土粘貼苯板后,上下游面表面放熱系數(shù)的反演均值分別為3.482 4、8.584 7 kJ/(m2.h.℃),均大于由材料熱阻估算的等效表面放熱系數(shù)值.

(2)由于苯板保溫效果好,當(dāng)外界氣溫低于混凝土溫度時(shí),表面放熱系數(shù)規(guī)律與氣溫變化規(guī)律相同;當(dāng)外界氣溫高于混凝土溫度時(shí),表面放熱系數(shù)規(guī)律與氣溫變化規(guī)律相反.而且采用各測(cè)點(diǎn)溫度及外界氣溫的日均值反演得到的表面放熱系數(shù)的規(guī)律,仍然存在與氣溫日均值變化規(guī)律的相關(guān)性,但由于氣溫日均值變化的幅度減小,反演得到的表面放熱系數(shù)也相對(duì)穩(wěn)定.

(3)在混凝土壩面粘貼苯板后,上游面 (5 cm苯板)的表面放熱系數(shù)小于下游面 (3 cm苯板)的表面放熱系數(shù),說(shuō)明5 cm苯板保溫效果優(yōu)于3 cm苯板.可見(jiàn)反演得出的表面放熱系數(shù)能真實(shí)反映保溫材料性能,滿足仿真分析計(jì)算和實(shí)際工程需要,可為評(píng)價(jià)苯板的保溫效果提供參考依據(jù).

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