高性能混凝土在曹娥江大閘閘墩中應(yīng)用的施工溫控設(shè)計(jì)

摘要：曹娥江大閘樞紐工程是中國(guó)第一河口大閘，單個(gè)閘墩寬1.99m，長(zhǎng)24m，最高處達(dá)12m，單個(gè)閘墩混凝土方量415m3，是一個(gè)薄型帶狀懸臂結(jié)構(gòu)，而且該閘墩混凝土澆筑是一年中最高溫的季節(jié)完成，閘墩混凝土極易開裂。由于溫控措施得力，曹娥江大閘高性能混凝土閘墩至今均未出現(xiàn)一條裂縫，有力地證明了該溫控措施的有效性和科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：入倉(cāng)溫度 骨料預(yù)冷 拌和用水冷卻 摻冰屑 溫度控制

1、引言

高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土。它以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，針對(duì)不同用途要求，對(duì)下列性能重點(diǎn)予以保證:耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。曹娥江大閘樞紐工程是中國(guó)第一河口大閘，它的特殊地位決定了對(duì)質(zhì)量的特殊要求：確保錢江杯，爭(zhēng)創(chuàng)魯班獎(jiǎng)。閘墩，是將來(lái)面對(duì)專家組和參觀人員的一面鏡子，它的外觀質(zhì)量決定了本工程質(zhì)量的命運(yùn)。由于本工程所有結(jié)構(gòu)均是以耐久性為設(shè)計(jì)指標(biāo)，不允許混凝土出現(xiàn)裂縫。單個(gè)閘墩寬1.99m，長(zhǎng)24m，最高處達(dá)12m，單個(gè)閘墩混凝土方量415m3，是一個(gè)薄型帶狀懸臂結(jié)構(gòu)，再加上閘墩混凝土澆筑是一年中最高溫的季節(jié)完成，閘墩混凝土極易開裂。雖然根據(jù)河海大學(xué)計(jì)算成果，在閘墩中設(shè)計(jì)了冷卻通水等防裂措施，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上采取防裂措施，但由于閘墩高性能混凝土對(duì)溫度的敏感性，決定了閘墩施工時(shí)必須采用溫控防裂措施才能防止高性能混凝土閘墩不出現(xiàn)裂縫。

2、影響混凝土溫度的要素

為了滿足混凝土入倉(cāng)溫度不大于28℃的要求，考慮運(yùn)輸過(guò)程中的溫升，必須控制出機(jī)口溫度不大于26℃。按此條件推算，初選骨料溫度為26.5℃，水泥和礦粉溫度為65℃，拌和用水溫度6℃，其它材料均為30℃。

將上述數(shù)值代入下式：

式中：C砂、C石、C水泥、C礦粉、C石膏、C水、C外——分別為砂、碎石、水泥、礦粉、二水石膏、水、外加劑的比熱容（KJ/Kg.K）。根據(jù)的材料試驗(yàn)成果取：砂取0.8；碎石取0.84；水泥取0.536；礦粉取0.51；二水石膏取0.536；水取4.2；外加劑取4.2。

T砂、T石、T水泥、T礦粉、T石膏、T水、T外——分別為砂、碎石、水泥、礦粉、二水石膏、水、外加劑的入拌溫度，℃。

m砂、m石、m水泥、m礦粉、m石膏、m水、m外、m冰——分別為干砂、干碎石、水泥、礦粉、二水石膏、水、外加劑的單方混凝土用量，其中水已扣除各材料的含水量，Kg。

ω砂水、ω石水——分別為砂中的含水量與碎石中的含水量（Kg），在對(duì)黃砂與碎石淋水后，砂的含水率為8%，石子的含水率3%。

式中的“1700”指混凝土在拌和機(jī)中拌和時(shí)產(chǎn)生的熱量，按照規(guī)范取1700KJ。“335×80%”是指每公斤冰融化成水時(shí)所吸收的熱量為335KJ，在攪拌機(jī)拌和時(shí)熱量利用系數(shù)為80%。

經(jīng)計(jì)算得：T出機(jī)口＝25.75℃。故在上述原材料溫度的前提下，可以滿足閘墩混凝土入倉(cāng)溫度28℃控制的要求。

同時(shí)也可以看出：對(duì)閘墩溫控有重要影響的材料主要是水泥、礦粉、水、黃砂與碎石等。

3、溫控措施設(shè)計(jì)

3.1 控制水泥、礦粉入罐溫度65℃以內(nèi)

單方混凝土中，水泥對(duì)出機(jī)口溫度的影響約占10%左右，礦粉約占15%左右，要控制出機(jī)口溫度不大于26℃，必須嚴(yán)格控制罐內(nèi)水泥、礦粉的溫度不大于65℃，且根據(jù)《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》，“在高溫季節(jié)施工混凝土，首先控制水泥和礦粉的溫度在40～50℃是最經(jīng)濟(jì)的，其次是制冷骨料，降低骨料溫度，若制冷骨料后仍不能達(dá)到要求，則制冷拌和用水或加冰屑。因此再我標(biāo)段在罐體與螺旋輸送泵表面鋪設(shè)環(huán)形冷水管噴冷卻水降溫，力求將罐內(nèi)水泥、礦粉的溫度盡可能地降低。

3.2 骨料預(yù)冷

要控制出機(jī)口溫度不大于25℃，要求砂石骨料的溫度不大于20℃。

3.2.1 遮陽(yáng)

在骨料場(chǎng)頂部搭設(shè)了遮陽(yáng)布。但由于本工程所在區(qū)域的高溫季節(jié)氣候條件比較復(fù)雜，在側(cè)面拉設(shè)遮陽(yáng)布存在一定安全隱患，因此，需將骨料堆的前后兩側(cè)挖除，只保留中間骨料堆。遮陽(yáng)構(gòu)造：在骨料分隔墩上每隔6m設(shè)置一個(gè)8m高的鋼構(gòu)架（用4根L100*100角鋼作立柱和L75*75角鋼連接桿件），在鋼構(gòu)件頂裝上滑輪，通過(guò)鋼絲繩拉設(shè)遮陽(yáng)布固定。

3.2.2 堆高骨料

將骨料的堆高6m以上，底部骨料溫度可以降低5℃左右。

3.2.3 對(duì)骨料噴冷水并吹風(fēng)降溫

骨料堆高并遮陽(yáng)后，并不能使砂石骨料降到20℃，必須繼續(xù)采取其它措施。

在閘墩開澆前三天以冷卻水對(duì)骨料進(jìn)行噴霧冷卻(通水流量為10m3/h)，并在后側(cè)每間隔6m布置一個(gè)30KW軸流風(fēng)機(jī)，以便利用霧化水降低環(huán)境溫度，同時(shí)利用冷卻水的蒸發(fā)原理降低骨料溫度。

冷卻水的制作方法：在骨料堆旁的地面下構(gòu)建2 個(gè)10m3的冷卻水池，在水池中投入冰塊，將水溫降至20℃以下，利用水泵抽水到噴淋管噴淋骨料。

3.2.4保溫被覆蓋保溫

冷卻水噴霧二天后，停止噴霧和風(fēng)冷，在第三天的早上最溫時(shí)段用保溫被對(duì)骨料進(jìn)行覆蓋保溫。以便第三天低溫時(shí)段可以開倉(cāng)澆筑閘墩混凝土。澆筑時(shí)，只掀開鏟車需鏟料部位的保溫被，鏟好后立即進(jìn)行覆蓋，并且鏟車在鏟運(yùn)骨料時(shí)從底部開始鏟運(yùn)。黃砂保溫用的2cm厚保溫被約需1200m2，碎石保溫用的2cm厚保溫被約需2500m2。

3.2.5 骨料運(yùn)輸中的保溫

據(jù)理論計(jì)算，骨料在進(jìn)入拌和機(jī)前的運(yùn)輸途中，溫度要升高0.4℃--0.8℃，因此需在進(jìn)料斗上搭設(shè)涼棚，并且將上料皮帶機(jī)進(jìn)行遮陽(yáng)處理。

通過(guò)以上措施，經(jīng)實(shí)測(cè)骨料的入拌溫度基本控制在26℃左右。

3.3拌和用水冷卻

溫控計(jì)算表明，要控制出機(jī)口溫度小于25℃，拌和用水水溫必須在6℃左右。在高溫季節(jié)，采用常規(guī)保溫降溫措施不能滿足要求。必須采用超常規(guī)的拌和水強(qiáng)制制冷法，即用150萬(wàn)大卡以上的冷水機(jī)對(duì)拌和用水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，保證出水溫度在6℃以下。

3.4其它摻合料

二水石膏和外加劑因用量較小，對(duì)出機(jī)口溫度的影響不大，只需放在室內(nèi)，保證溫度不超過(guò)30℃即可。

3.5摻冰屑

在當(dāng)前條件下，拌和用水由冷水機(jī)生產(chǎn)，水泥、礦粉和骨料在采取上述措施后，基本上可以控制由于骨料受外界氣溫等影響較大，若由于外界氣溫過(guò)高（31℃以上）或其它原因?qū)е鹿橇蠝囟冗^(guò)高，使混凝土入倉(cāng)溫度不能滿足要求時(shí)，則加冰屑拌和。理論計(jì)算表明，每摻10Kg冰屑，可以降低入倉(cāng)溫度1℃左右或?qū)⒐橇峡刂茰囟忍岣?℃左右。

冰屑的制作：用設(shè)在在拌和系統(tǒng)上料皮帶機(jī)進(jìn)口處的一臺(tái)刨冰機(jī)制作。

3.6混凝土運(yùn)輸過(guò)程中的溫度控制

3.6.1 混凝土罐車的保溫與降溫

在混凝土罐車表面粘貼保溫棉，并在保溫棉表面再貼一層錫鉑紙，以減小太陽(yáng)對(duì)罐車本身的聚熱效應(yīng)。

在拌和樓貯料斗附近裝一排冷卻水管的噴淋管，在混凝土入罐時(shí)，開啟噴淋頭，對(duì)混凝土罐車攪拌筒筒體進(jìn)行噴水，降低筒體表面溫度（即混凝土罐車在運(yùn)輸途中的環(huán)境溫度）。

只有當(dāng)另外一輛混凝土罐車卸料完畢開始返回時(shí)，等候在拌和樓前的混凝土罐車才開始裝料，6m3的混凝土罐車每次只裝2～4m3，這樣可以減少混凝土罐車在太陽(yáng)直射下的運(yùn)輸?shù)群驎r(shí)間。

3.6.2 對(duì)混凝土臥罐進(jìn)行降溫

及時(shí)用水沖洗混凝土料罐外表面，既可減少混凝土料罐的吸熱面積，同時(shí)可以直接降低混凝土料罐的外表溫度（即混凝土料罐在吊運(yùn)過(guò)程中的環(huán)境溫度），達(dá)到減少混凝土的溫度損失的目的。

3.6.3 對(duì)倉(cāng)面腳手架上的貯料斗進(jìn)行保溫，并及時(shí)遮陽(yáng)

在貯料斗表面先貼一層保溫棉，再在保溫棉表面上貼一層錫鉑紙，以減小太陽(yáng)對(duì)罐車本身的聚熱效應(yīng)。并定時(shí)對(duì)貯料斗噴冷卻水。

混凝土入貯料斗后，由于不能立即卸完，因此在料罐卸料完畢到下一次料罐卸料前的一段時(shí)間內(nèi)（約15分鐘），在貯料斗頂部蓋上遮陽(yáng)布，以降低太陽(yáng)直射產(chǎn)生的混凝土溫升。

3.6.4 縮短倉(cāng)面頂?shù)幕炷吝\(yùn)輸時(shí)間

增加倉(cāng)面頂?shù)碾p膠輪車運(yùn)輸數(shù)量，減少混凝土在貯料斗中的貯存時(shí)間，以減小混凝土在運(yùn)輸途中的溫度損失。

3.6.5 在倉(cāng)面頂拉設(shè)遮陽(yáng)布，降低倉(cāng)面上的環(huán)境氣溫，同時(shí)降低下料斗與串筒的表面溫度，不僅可以改善倉(cāng)面環(huán)境，還可以減少溫度損失。

3.7 混凝土的澆筑溫度控制措施

3.7.1 減小分層厚度，加強(qiáng)倉(cāng)內(nèi)通風(fēng)

混凝土的散熱系數(shù)與混凝土的表面面積成正比，與層厚成反比。在混凝土強(qiáng)度一定的情況下，減薄混凝土的分層厚度，加大表面面積，散熱系數(shù)能顯著增大。但是混凝土太薄，對(duì)混凝土振搗不利。經(jīng)綜合分析，閘墩混凝土分層厚度取30cm。

混凝土分層減薄后，混凝土倉(cāng)內(nèi)溫度升高，將加大了混凝土的澆筑溫度，因此必須用冷風(fēng)對(duì)倉(cāng)面降溫。軸流風(fēng)機(jī)在每片閘墩上布置2臺(tái)以上，風(fēng)管水平布置。這樣即可保證倉(cāng)內(nèi)施工人員的工作環(huán)境，同時(shí)還可以排出倉(cāng)內(nèi)高溫混蝕的氣體，降低倉(cāng)面溫度。

3.7.2 對(duì)模板外表面進(jìn)行遮陽(yáng)噴水，并在模板上開窗通風(fēng)，降低倉(cāng)內(nèi)溫度。

倉(cāng)內(nèi)環(huán)境熱量除混凝土散熱產(chǎn)生的熱量外，還有模板本身吸熱產(chǎn)生的熱量，且這一熱量是產(chǎn)生倉(cāng)內(nèi)高溫的主要原因。在模板頂部與側(cè)面進(jìn)行遮陽(yáng)處理，避免陽(yáng)光直曬模板，同時(shí)在混凝土澆前半天開始對(duì)模板表面噴淋深井抽取的低溫水，澆筑開始后，每隔1h噴水一次。

由于閘墩比較高，倉(cāng)內(nèi)比較狹小，用軸流風(fēng)機(jī)送風(fēng)效果不甚明顯。在閘門槽二期混凝土部位沿高度方向每隔3m在側(cè)縫處模板上開孔一個(gè)10cm直徑的孔，模板內(nèi)溫度可以了明顯降低。

3.7.3 在澆筑前6小時(shí)對(duì)倉(cāng)內(nèi)預(yù)埋的水管先通18℃左右的低溫水，可以降低倉(cāng)內(nèi)溫度。

3.7.4澆筑過(guò)程中也需不間斷地通18℃左右的低溫水，通水流量為5m3/h。

3.7.5 開澆時(shí)間：盡量選擇在低溫時(shí)段開澆。

3.8 成型后的混凝土保溫、養(yǎng)護(hù)措施

采取了上述溫控措施，并不能保證成型后的混凝土不出現(xiàn)裂縫。除了采取必要的結(jié)構(gòu)防裂技術(shù)外，還須對(duì)混凝土進(jìn)行保溫與養(yǎng)護(hù)。

3.8.1 對(duì)模板進(jìn)行保溫

按設(shè)計(jì)要求對(duì)模板進(jìn)行保溫：對(duì)高程-0.5m～6.0m范圍的模板進(jìn)行保溫，即在鋼模板背面加勁肋板之間表面粘貼厚0.8cm～1.0cm的塑料泡沫板。

3.8.2 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，尤其是前3天的養(yǎng)護(hù)，確保前三天混凝土表面不斷水，21天內(nèi)混凝土不缺水，避免混凝土干縮裂縫的產(chǎn)生。

3.8.3 加強(qiáng)溫控觀測(cè)，及時(shí)調(diào)整冷卻通水參數(shù)

閘墩溫度計(jì)埋設(shè)圖

不間斷冷卻通水14天，通水流量在5m3/h。通水方向：前4天每6h變換一次方向，第5天至第8天，每隔12h變換一次，以后每天變換一次。但是遇以下情況之一，必須加大通水流量或加快變向頻率。

a、D4與D7測(cè)點(diǎn)處混凝土2天齡期時(shí)的溫升幅度超過(guò)30℃；

b、D7與D9和D4與D5測(cè)點(diǎn)之間在早期2天內(nèi)存在內(nèi)外溫差超過(guò)13℃；

c、冷卻水管進(jìn)出口水溫溫差超過(guò)5℃。

地下水水溫如果高于18℃，要增大通水流量或改用井點(diǎn)管抽取的地下水。

3.8.4 拆模

由于高溫季節(jié)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，7天齡期時(shí)，高性能砼混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%，混凝土自身的抗拉強(qiáng)度俱備抵抗在常溫下的溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，因此拆模時(shí)間定為第8天。

3.8.5 混凝土的日常保溫養(yǎng)護(hù)措施

混凝土澆筑完成后，立即在混凝土表面覆蓋一層土工布，土工布表面再覆蓋一層彩條布，終凝后再利用閘墩頂?shù)膰娏芄転⑺B(yǎng)護(hù)。

拆模后，用土工布包繞，并用鐵絲穿過(guò)拉條孔進(jìn)行對(duì)拉固定。同時(shí)進(jìn)行灑水，確保混凝土表面始終處于濕潤(rùn)狀態(tài)，避免產(chǎn)生混凝土干縮裂縫。

4 結(jié)束語(yǔ)

曹娥江大閘高性能混凝土閘墩雖是在高溫、大風(fēng)季節(jié)施工，但通過(guò)有效的溫控，合理的結(jié)構(gòu)防裂措施，閘墩均未出現(xiàn)一條裂縫，證明了閘墩溫控防裂的正確的和科學(xué)性，為今后水工高性能混凝土施工提供可以難得的溫控設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]趙鐵軍 李秋義：高強(qiáng)及高性能混凝土及其應(yīng)用.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004

[2]水工混凝土施工規(guī)范(DL/T5144-2001).北京。中國(guó)電力出版社，2002

[3]江正榮等：建筑施工簡(jiǎn)易計(jì)算.北京。機(jī)械工業(yè)出版社，2006.1

[作者簡(jiǎn)介]

陳冠軍，男，1975年11月生.工程師. 上虞市西大堤一號(hào)閘管理所工作.自參加工作以來(lái)長(zhǎng)期在基層一線及野外工作，這里致力于工程建設(shè)管理和工程管理，先后主持并參與重點(diǎn)項(xiàng)目與工程多項(xiàng).