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(duì)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(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等平板支撐混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)算及裂縫防治新技術(shù)，找出變化規(guī)律，指導(dǎo)施工實(shí)踐。圖2幅，表9個(gè)。

大體積混凝土；溫控；工程施工；仿真計(jì)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(jí)建筑物，設(shè)計(jì)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(jì)7242.79m3，設(shè)計(jì)沒有考慮分縫。

由于整體工期壓縮，按照節(jié)點(diǎn)工期安排施工時(shí)間為6月初至8月底。青蘭渡槽平板支撐預(yù)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。因此，高溫季節(jié)施工制定切實(shí)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(qiáng)度較大、極限拉伸變形能力較大、熱強(qiáng)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(xué)、力學(xué)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(qiáng)度。另外，還可選用材質(zhì)好、級(jí)配佳的粗細(xì)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(jí)為C40F150。配合比經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室反復(fù)論證和試驗(yàn)分析，并根據(jù)專家論證結(jié)論的進(jìn)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(jì)從結(jié)構(gòu)整體性考慮整個(gè)平板結(jié)構(gòu)沒有分縫，但是根據(jù)施工進(jìn)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(diǎn)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(qǐng)專家召開論證會(huì)，經(jīng)設(shè)計(jì)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(xué)參數(shù)

近似地認(rèn)為混凝土彈性模量不同齡期的變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)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(xué)性能參數(shù)

表3 平板支撐結(jié)構(gòu)混凝土力學(xué)性能參數(shù)

水化熱溫升計(jì)算公式采用下式：

式中，a為水化熱達(dá)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(jìn)出水管口間距1.0m、出露長(zhǎng)度不小于20cm（見表4）。

3.2.2 計(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)段，即長(zhǎng)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(diǎn)等參單元（見圖1）。

表4 冷卻水管參數(shù)

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格剖分

（1）計(jì)算荷載以及邊界條件

4個(gè)支柱底部給予絕熱邊界條件和全約束力學(xué)邊界條件；模板和混凝土表面在溫度場(chǎng)計(jì)算中，拆模前是光滑鋼表面與空氣熱對(duì)流邊界條件，拆模后是光滑固體表面與空氣熱對(duì)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(fēng)速為零時(shí)鋼表面（光滑）的放熱系數(shù)18.46kJ／（m2?h?℃），拆模后考慮風(fēng)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(hù)時(shí)，有灑水養(yǎng)護(hù)的表面成為混凝土表面與灑水熱對(duì)流邊界，這些邊界屬于第三類熱學(xué)邊界條件。

計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)，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(jì)算結(jié)果特征點(diǎn)的選取

沿長(zhǎng)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(gè)橫截面（截面1、截面2、截面3）代表點(diǎn)（上、中、下）的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析（見圖2）。

圖2 代表點(diǎn)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(hù)28d，無溫控措施。

（2）溫度場(chǎng)分析

由溫度計(jì)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(shí)曲線來看，平板支撐結(jié)構(gòu)混凝土的溫度場(chǎng)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(gè)階段，各個(gè)截面代表點(diǎn)的演化趨勢(shì)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(chǎng)分析

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

表5 各截面代表點(diǎn)對(duì)應(yīng)齡期第一主應(yīng)力值對(duì)比

表6 各截面代表點(diǎn)對(duì)應(yīng)齡期安全系數(shù)值對(duì)比

對(duì)比各個(gè)截面代表點(diǎn)第一主應(yīng)力值和安全系數(shù)值可以看出，當(dāng)平板支撐結(jié)構(gòu)混凝土夏季澆筑溫度為30℃時(shí)：對(duì)于截面1，上部表面點(diǎn)各齡期拉應(yīng)力較小，最大值為1.77MPa，中間點(diǎn)和下部表面點(diǎn)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(duì)于截面2，3個(gè)代表點(diǎn)拉應(yīng)力在冬季均較高，其中上部表面點(diǎn)和下部表面點(diǎn)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(duì)于截面3，上部表面點(diǎn)最大拉應(yīng)力較小，為1.19MPa，而中間點(diǎn)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(duì)平板支撐結(jié)構(gòu)，夏季混凝土澆筑溫度為30℃時(shí)，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(hù)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(shí)即采取保溫措施（見表7）。

表7 計(jì)算方案選擇

（1）溫度場(chǎng)分析

根據(jù)不同方案下所得溫度計(jì)算結(jié)果，所選取的3個(gè)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(shí)曲線來看，混凝土各代表點(diǎn)溫度場(chǎng)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(gè)階段，各計(jì)算方案演化趨勢(shì)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(chǎng)分析

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

截面1應(yīng)力計(jì)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(dá)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(dá)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(huì)有裂縫產(chǎn)生。方案1施工條件下，截面1中間點(diǎn)和下部表面點(diǎn)拉應(yīng)力較大，極易產(chǎn)生溫度裂縫。因此一方面，當(dāng)降低澆筑溫度至24℃，并采取通水措施，通水溫度為20℃，通水時(shí)間為15d，在冬季改用保溫效果較好的保溫被保溫時(shí)，截面1下表面點(diǎn)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(shí)際施工中澆筑溫度降低至24℃比較困難，仿真計(jì)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(shí)間為20d，并在冬季氣溫較低時(shí)用保溫被給混凝土表面保溫，此種情況下截面1下表面點(diǎn)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?，F(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(jìn)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(diǎn)處的最小抗裂安全系數(shù)出現(xiàn)在220d齡期，為1.45，對(duì)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(shí)，所選取的代表點(diǎn)拉應(yīng)力均偏大，混凝土易產(chǎn)生溫度裂縫，應(yīng)當(dāng)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(duì)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(diǎn)最小抗裂安全系數(shù)最高，也基本滿足規(guī)范要求。同時(shí)，PE管施工具有方便、快捷、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，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(biāo)

混凝土澆筑溫度不大于26℃，混凝土內(nèi)外溫差控制標(biāo)準(zhǔn)為不大于20℃。預(yù)冷混凝土運(yùn)輸、澆筑過程中溫度回升率不大于0.25。

（2）降低出機(jī)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(yù)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(zhǎng)靜置時(shí)間，水泥廠、粉煤灰廠貯藏降溫后進(jìn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)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(duì)混凝土攪拌運(yùn)輸車采取隔熱保溫措施，進(jìn)料時(shí)對(duì)運(yùn)輸車灑冷水，降低車體溫度。

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

澆筑安排在下午18時(shí)至次日上午8時(shí)進(jìn)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(shí)，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(tái)倉面噴霧機(jī)，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(jìn)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(zhǎng)50m。

在開始澆筑時(shí)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(shí)間15d。

混凝土的測(cè)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(shí)要加大觀測(cè)密度；做好溫控過程中的數(shù)據(jù)記錄和分析，及時(shí)指導(dǎo)溫控工作。

（5）熱工計(jì)算

做好以上的溫度控制，運(yùn)輸環(huán)境為28℃，采用混凝土攪拌車運(yùn)輸α＝0.25；泵送混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)2次，自運(yùn)輸?shù)綕仓r(shí)的時(shí)間為0.06h。熱工計(jì)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(jì)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(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28d。對(duì)平板支撐結(jié)構(gòu)下部進(jìn)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(shí)際測(cè)量，平板支撐混凝土澆筑溫度均低于26℃。混凝土倉面澆筑開始后即進(jìn)行通水降溫，每2h測(cè)冷卻水管的進(jìn)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(dá)到最高70℃，達(dá)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(dá)到53℃，混凝土表面溫度最高為56℃，混凝土表面最高溫度56℃，當(dāng)時(shí)氣溫36℃。混凝土內(nèi)外溫差不大于25℃，符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，平板支撐混凝土未發(fā)現(xiàn)裂縫。

實(shí)際測(cè)溫結(jié)果比原方案計(jì)算最高溫度要高，分析原因是傾向于水泥較以前顆粒變細(xì)，早期強(qiáng)度提高，水化熱反應(yīng)提前集中，降溫水管運(yùn)行不是像計(jì)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(fù)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(jì)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(xué)的施工方法和嚴(yán)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(duì)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(dá)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(qiáng)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(jì)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(shí)間和啟裂點(diǎn)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(kuò)裂的“由表及里”型裂縫，啟裂點(diǎn)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(dǎo)致的，內(nèi)部溫度相對(duì)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(fēng)險(xiǎn)也越大。當(dāng)表面裂縫出現(xiàn)后，在外在不利因素的引導(dǎo)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(shí)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(zé)任編輯 吳 昊

2014－12－12

王立新（1968－），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水利工程施工管理工作。