基于光纖測溫的混凝土壩上下游表面苯板保溫效果反饋

程中凱,李金河,黃耀英,周宜紅,田開平,武先偉

(1.三峽大學水利與環境學院,湖北 宜昌 443002;2.中國長江三峽集團公司溪洛渡工程建設部,云南 永善 657300)

0 引 言

實際工程資料表明,大體積混凝土中的裂縫絕大多數是由氣溫變化引起的表面裂縫,且有一部分將可能發展為貫穿性或深層裂縫,危害到結構的整體性和耐久性.因此,在大體積混凝土的施工過程中,必須設法防止表面裂縫的產生.通過理論分析與試驗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 (以下簡稱 "苯板")作為表面保溫材料,且苯板的保溫能力主要通過粘貼苯板后混凝土表面放熱系數的大小來體現.然而影響表面放熱系數的因素有很多,主要包括苯板厚度、風速、密度、比熱容、運動粘滯系數、導熱系數、混凝土表面尺寸和粗糙度等[4-5].表面放熱系數是受多變量作用的復雜函數,對其進行精確的數學描述十分困難.朱伯芳[4]提出了基于材料熱阻的表面放熱系數估算方法和更能反映實際情況的基于實測值反演混凝土表面放熱系數的方法.

在混凝土表面粘貼苯板的保溫效果研究文獻中,表面放熱系數反演大多是基于室內或現場的混凝土試塊在不同深度埋設點溫度計的測值進行的,而基于現場典型澆筑倉或部位的監測值進行苯板保溫效果反饋的文獻較少.朱岳明等[6]基于工程現場的混凝土立方體試塊內不同深度埋設的點溫度計測值對試塊表面粘貼不同厚度苯板的保溫效果進行了反饋.由于受試驗條件等因素的限制,此法很難模擬真實工況,確定的熱學參數也難以體現混凝土的真實性能,甚至會有較大差異.

在現場典型混凝土澆筑倉埋設點溫度計進行現場試驗監測時,由于實際混凝土施工質量的隨機性,采用點溫度計的監測值反演的熱學系數會存在一定的隨機性.埋設具有快速、高精度、自動化程度高且可以連續線溫度監測的分布式光纖進行監測,并用其監測值反演得到混凝土熱學參數將會更有代表性[7-9].本文結合西南某在建混凝土拱壩,在其典型混凝土澆筑倉表面附近不同深度埋設分布式光纖,利用其測值對此混凝土澆筑塊的表面放熱系數進行反演分析,為苯板保溫效果評價提供參考依據.

1 表面放熱系數反分析[4]

1.1 基于材料熱阻的表面放熱系數估計

當混凝土表面附有模板或保溫層時,進行表面放熱系數等效來考慮其對溫度的影響后,仍可按第三類邊界條件計算.等效表面放熱系數βs為

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

1.2 基于實測溫度的表面放熱系數反分析

考慮半無限體表面,埋設3支電阻溫度計a、b、c,在某一瞬時實測溫度分別為Ta、Tb、Tc,當時混凝土表面溫度為Ts,如圖1所示.外界氣溫為Ta0.把坐標原點放在溫度計a點上,設x點溫度標示為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β.

設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

式中,Ta0為為外界環境氣溫;Ts為混凝土表面溫度;λ為混凝土導熱系數.

通過式(5)不僅可以反演得到表面裸露狀態下的表面放熱系數,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.

2 工程實例

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個澆筑壩段,為達到溫控防裂的目的,在混凝土澆筑倉埋設常規溫度計,且在4個典型壩段埋設分布式光纖進行溫度監測.此拱壩混凝土溫度控制施工技術要求:上下游面混凝土在拆模后5 d內分別粘貼厚5、3 cm聚苯乙烯泡沫塑料板作為永久保溫.利用室內試驗測定的材料熱阻,按式(1)估算得到混凝土表面等效表面放熱系數如表1所示.

2.1 試驗方案

選取5號壩段第25倉 (5號-025)作為典型澆筑倉,該倉混凝土標號為C18035,層厚3 m,共分6個坯層澆筑,混凝土的配合比見表2,澆筑過程典型時刻見表3.在距倉底面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不同距離的分布式光纖實時在線監測上下游表面保溫效果,試驗光纖分別埋設于該倉第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,光纖埋設布置示意如圖2.分布式光纖測溫系統 (DTS系統)自動采集數據周期為2 h,且由于單點監測時具有一定隨機性,因此在每個距離的光纖上取多個典型測點溫度,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kJ/(m.h.℃)

圖2 光纖埋設示意(單位:cm)

表2 混凝土材料配合比

表3 試驗倉5號-025典型時刻

2.2 表面放熱系數反演分析

大壩混凝土導熱系數采用設計值λ=184.9 kJ/(m.d.℃),分別采用溫度監測值的日變化值和日平均值,試驗澆筑倉分成表面粘貼苯板前后,選取典型時段利用式(5)進行混凝土表面放熱系數的反演分析.反演分析工況、選取的典型時段及其反演使用的測值對應的測點位置見表4,典型時段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值如圖3,上下游面表面放熱系數反演結果如圖4,反演得到的表面放熱系數均值見表5.

表4 反演分析工況及其典型時段和測點埋設位置

圖3 2012年8月外界氣溫及上下游面附近溫度光纖測值

根據圖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在一天內的變化規律同氣溫變化規律呈相關性,在一天內變幅較大,穩定性較差,而采用日變化溫度反演得到的表面放熱系數穩定性要優于前者,反演值應更合理.

(2)由于典型時段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,此時混凝土水化熱基本完成,所以時段2012年8月8日~2012年8月18日反演得到的表面放熱系數更加合理.混凝土粘貼苯板后,上下游面表面放熱系數的反演均值分別為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值.

圖4 2012年8月上下游面表面放熱系數反演值

表5 不同工況各典型時段上下游面表面放熱系數反演均值

(3)從反饋結果來看,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同外界環境溫度變化規律呈相關性.當外界氣溫低于混凝土溫度時,表面放熱系數規律與氣溫變化規律相同;當外界氣溫高于混凝土溫度時,表面放熱系數規律與氣溫變化規律相反.這是因為利用式(5)反演表面放熱系數時,對比各測點溫度的光纖實測值與外界環境溫度可知,各測點處溫度變幅相對于外界氣溫變幅很小,而且粘貼苯板后混凝土內部溫度梯度基本穩定.表面放熱系數反演值的變化主要由外界環境溫度的變化引起,外界氣溫同混凝土內部溫度 (混凝土表面溫度Ts正好位于兩溫度之間)的大小關系則正好對應了表面放熱系數的反演值與外界環境溫度正負兩種不同的相關性.

3 結 語

(1)采用日平均溫度反演得到的表面放熱系數比采用日變化溫度反演得到的表面放熱系數更合理.混凝土粘貼苯板后,上下游面表面放熱系數的反演均值分別為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值.

(2)由于苯板保溫效果好,當外界氣溫低于混凝土溫度時,表面放熱系數規律與氣溫變化規律相同;當外界氣溫高于混凝土溫度時,表面放熱系數規律與氣溫變化規律相反.而且采用各測點溫度及外界氣溫的日均值反演得到的表面放熱系數的規律,仍然存在與氣溫日均值變化規律的相關性,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也相對穩定.

(3)在混凝土壩面粘貼苯板后,上游面 (5 cm苯板)的表面放熱系數小于下游面 (3 cm苯板)的表面放熱系數,說明5 cm苯板保溫效果優于3 cm苯板.可見反演得出的表面放熱系數能真實反映保溫材料性能,滿足仿真分析計算和實際工程需要,可為評價苯板的保溫效果提供參考依據.

[1] 朱伯芳,許平.加強混凝土壩面保護盡快結束 "無壩不裂"的歷史[J].水力發電,2004,30(3):25-28.

[2] 朱伯芳.大體積混凝土表面保溫能力計算[J].水利學報,1987(2):18-26.

[3] 田振華,鄭東健,姚遠,等.大體積混凝土寒潮期溫度應力及表面保溫分析[J].水電能源科學,2011,29(5):93-95.

[4] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.

[5] 馬躍峰.基于水化度的混凝土溫度與應力研究[D].南京:河海大學,2006.

[6] 許樸,朱岳明,賁能慧.聚苯乙烯泡沫塑料板保溫能力的試驗與反演分析[J].三峽大學學報,2008,30(1):56-59.

[7] 蔡德所.光纖傳感技術在大壩工程中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[8] 周宜紅,周建兵,黃耀英,等.基于分布式光纖的混凝土低溫入倉監測試驗及分析[J].水力發電,2012,38(2):25-27.

[9] 江凱,周建兵,黃耀英,等.基于光纖測溫的大體積混凝土導溫系數反演分析[J].中國農村水利水電,2012(3):91-93.