淺析綜合溫控措施在混凝土質量控制中的應用

胡 清 焱， 王 抗 ， 張 國 壽

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

老撾色拉龍一級水電站以發電為主，主要建筑物由碾壓混凝土重力壩、溢流壩、壩式取水口、壩后式發電廠房、主變GIS樓及尾水渠等組成。水庫總庫容9.53億m3，額定水頭46 m，電站裝機容量為70 MW，安裝2臺混流式機組，年平均發電量為2.7億kW·h。

樞紐區攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，混凝土壩頂全長459 m，壩頂高程219.5 m，最大壩高64.5 m，從左岸至右岸依次為長175 m的左岸重力壩段，長71 m、布置4個溢流孔的溢流壩段，長19 m的導流底孔壩段，長34 m的廠房進水口壩段，長160 m的右岸重力壩段。

該工程地處低緯度地區，屬熱帶季風氣候，流域內氣候全年溫和，受季風影響，降水年內分配極為不均衡，形成了明顯的旱季和雨季。雨季一般從5月開始，至10月底結束。

根據對色拉龍一級水電站工程區直線距離約150 km的沙灣拿吉(Savannakhet)雨量站降雨資料進行統計，5～10月降雨量達全年降雨量的91.3%。流域多年平均氣溫為22 ℃～26 ℃，年內1月份的氣溫最低，月平均氣溫為14 ℃～21 ℃；4月份的氣溫最高，月平均氣溫為24 ℃～30 ℃，流域多年平均相對濕度一般在70%以上，多年平均日照小時數為2 490 h。

2 實施溫控措施的必要性

(1)砂巖骨料的應用。該工程采石場巖性為砂巖，砂巖原巖抗壓強度較低，穩定性較差(較離散)，成品骨料壓碎值偏高，骨料線膨脹系數大，吸水率高。因砂巖作為混凝土骨料存在一些先天性的缺陷，配合比中水泥用量相對較高，致使壩體水化熱較大。為了確保混凝土澆筑質量，必須采取有力的溫控措施。

(2)工程區氣候因素。該工程區地處老撾南部，旱季白天氣溫相對較高，晝夜溫差較大，采用常規或單一的溫控手段均不能滿足設計混凝土溫控技術要求。因此，需要將各項溫控措施綜合應用，用以控制混凝土出機口溫度和壩體最高溫度等主要溫度指標，有效控制混凝土的澆筑質量。

3 混凝土溫度控制標準

3.1 基礎溫差

混凝土基礎容許溫差見表1。

表1 混凝土基礎容許溫差控制標準表 /℃

注：L為澆筑塊長邊長度。

3.2 內外溫差

常態混凝土內外溫差控制≤19 ℃；碾壓混凝土內外溫差控制≤16 ℃。

3.3 容許最高溫度

根據老撾色拉龍河流域氣候特性以及設計溫控技術要求，所允許的澆筑最高溫度見表2。

4 混凝土溫度計算

表2 大壩混凝土澆筑的允許最高溫度表 /℃

4.1 計算參數的確定

根據當地氣象數據資料，每年 4月氣溫最高，月平均氣溫為24 ℃～30 ℃，最高氣溫為35 ℃。計算采用的Ta為氣溫最高月份(4月)的日平均氣溫30 ℃，最高氣溫為35 ℃。最高溫度下材料溫度和比熱容參數見表3，混凝土配比見表4；混凝土澆筑溫度Tp按照溫控要求控制為 28 ℃。

表3 混凝土材料參數表

表4 混凝土骨料配比表 /kg·m-3

4.2 混凝土入倉溫度計算

計算公式：Tp=TB·P+θpτ(Ta-TB·p)

式中Tp取28 ℃；TB·P為混凝土入倉溫度，℃；θp為混凝土澆筑過程中溫度倒灌系數，取θp=0.002～0.003/ min；τ為鋪料平倉振搗至上層混凝土覆蓋前的時間，min，取240 min；Ta為混凝土運輸時的氣溫，℃，取30 ℃。

計算得：TB·P=26.1 ℃。

4.3 出機口溫度計算

計算公式：

TB·p=T0+(Ta-T0)(θ1+θ2+…+θn)

式中TB·P取4.1中的計算值26.1 ℃；T0為混凝土出機口溫度，℃；Ta取30 ℃；θi(i=1,2,3,…n) 為溫度回升系數，混凝土裝、卸、轉運每次θ=0.032，混凝土運輸時，θ=At；式中A為混凝土運輸過程中的溫度回升系數，取 0.000 5；t為運輸時間，min，取16 min。

計算得：T0=25.6 ℃。

因此，拌和站出機口溫度只要低于25.6 ℃，即可滿足混凝土澆筑溫度不超過28 ℃的要求。

4.4 出機口溫度熱力計算

(1)拌和站拌制混凝土產生的機械熱計算公式：

Q機=10Nt/V

式中Q機為每m3混凝土拌和時產生的機械熱，kcal；N為HZS120 拌和站攪拌機功率，為75 kW；t為攪拌時間，2 min；V為攪拌機容量，2 m3。

計算得：Q機=750 kcal。

(2)混凝土出機口溫度的計算。

根據熱量守衡原理，可知拌和后的成品混凝土的總熱量應加上拌和過程中產生的機械熱，等于拌和前混凝土配料的總熱量。

∑Ti?Gi?Ci+Qa=T0?∑Gi?Ci

其中Ti為混凝土中各種配料的入機溫度；Gi為單位時間混凝土中各種配料的質量；Ci為混凝土中各種配料的質量比熱容；Qa為生產混凝土所產生的攪拌熱，750 kcal/m3。

將表3、4中的數據代入上式，計算中的拌和水采用2 ℃的冷水，計算得：C20碾壓混凝土出機口溫度T0碾壓=24.01 ℃，C15常態混凝土出機口溫度T0常態=25.32 ℃。

根據4.2項的計算結果，混凝土出機口溫度要求不高于25.6 ℃。根據4.3項的計算結果，C20常態混凝土和C15碾壓混凝土采用加2℃冷水拌和，可以滿足設計溫控要求。

4.5 冷水機組的負荷計算

該工程高峰期澆筑強度為4.9萬m3/月，其中常態混凝土為1.37萬m3/月，碾 壓 混 凝 土 為3.53萬m3/月，則每小時澆筑混凝土強度約122.5 m3/h，根據混凝土配比，每m3混凝土最大加水量約為102 kg(高峰期綜合耗水率)，混凝土生產需要的冷水溫度為2 ℃，冷水機負荷計算如下。

根據熱量Q的計算公式：

Q=CM△T

式中C為物質比熱，kcal/kg·℃；M為物質質量，m3/h；△T為水溫差，℃。

計算得每m3混凝土需要冷水的負荷為：

Q=1×102×(28-2)kcal =2 652 kcal

則每h生產122.5 m3混凝土所需的冷水負荷Q1為：

Q1=2 652 kcal×122.5=324 870 kcal≈378 kW

考慮1.3的富裕系數，需選擇一臺制冷量不低于500 kW的冷水機組。

5 混凝土溫控綜合措施

5.1 通水冷卻

5.1.1 冷卻水管材質

壩體內的冷卻水管采用HDPE塑料管，主管規格為：內徑32.6 mm，壁厚3.7 mm，外徑40 mm，支管規格為：內徑為28 mm，壁厚為2 mm，外徑為32 mm。冷卻水管的主要技術指標要求見表5。

表5 大壩采用的HDPE塑料冷卻水管的主要技術指標表

5.1.2 水管布置

(1)基礎約束區冷卻水管垂直間距為1.8 m，水平間距為1.5 m；自由區冷卻水管垂直間距為3.6 m，水平間距為1.5 m，單根蛇形支管的長度不大于300 m。

(2)冷卻水管距上、下游壩面的距離一般要求為0.8～1.5 m，局部不應小于0.5～1 m；冷卻水管距橫縫面的距離一般要求為0.8 m；冷卻水管距廊道、孔口、電梯井等內壁面的距離不應小于0.5 m。

5.1.3 水管的連接與封閉

(1)壩體內埋設的冷卻水管接頭采用膨脹式防水接頭，壩外供水管與各條冷卻水管主管出口間的三通接頭連接應采用定型的可靠產品。壩內冷卻水管同一主管上不允許超過6個接頭，以防止接頭漏水。

(2)壩外供水管與各條冷卻水管主管出口間的聯結應隨時有效，同時利用支管閥門啟閉控制某條水管的流量而不影響其他冷卻水管的循環水。

(3)水管使用結束后，應先用M30的水泥漿對壩內冷卻蛇形管進行回填灌漿，再切除蛇形管的外露部分并將其處理至滿足壩面美觀要求為止。

5.1.4 通水冷卻要求

(1)采用天然河水，通水流量為1.2～1.5 m3/h，通水日降溫幅度不超過1℃，通水天數根據溫控設計要求為28 d。

(2)通水溫度與混凝土溫度的溫差不大于20 ℃，若混凝土溫度回升過快、超過天然河水溫度20 ℃，則應當減小通水流量或切換水源，采用常溫水。

(3)通水冷卻時應嚴格控制混凝土的降溫速率，混凝土達到最高溫度前，可適當加大通水流量，同時應采用中下部深度的河水作為通水冷卻水，冷卻水池應采取遮陽措施；為控制溫度回升、減少上下層及內外溫差，應根據測溫情況適時采取中期通水措施。

5.2 溫度觀測

(1)溫度測量內容包括：混凝土原材料溫度、出機口溫度、澆筑溫度、倉內氣溫及澆筑塊內部溫度等。

(2)在混凝土澆筑過程中，混凝土原材料溫度、出機口溫度、入倉溫度和倉內氣溫至少1 h檢測1次。

(3)混凝土澆筑溫度測量，每100 m2倉面面積不少于1個測點，每個澆筑層不少于3個測點，每個測點至少配3支溫度計，分別布置在澆筑層面的上部、中部和下部。測點布置應考慮不同強度等級的混凝土部位；同時應滿足溫控技術要求規定：溫度計埋設密度≥1支/300 m2，且最少不低于3支。

(4)混凝土內部溫度的永久觀測。對于有預埋永久監測儀器的澆筑塊內部溫度的觀測，應按相關要求進行。

(5)澆筑塊未預埋監測儀器的混凝土內部溫度測量。①對于未埋設永久監測儀器的，采用銅電阻溫度計測溫；②每個壩段在基礎約束區每2～3個澆筑層應布置一支溫度計，在非約束區每3～5個澆筑層應布置一支溫度計，溫度計布置在澆筑層厚度中部、澆筑塊中央；③觀測頻次：開始澆筑～澆后7 d，每6 h測1次，溫度出現高峰期間要加密觀測。

5.3 其他溫度控制措施

(1)常流水養護及表面保溫。各部位混凝土澆筑后即開始安排專人兩班制進行24 h不間斷的常流水養護，同時做好養護記錄及交接班交底工作，確保所澆筑的混凝土面一直處于濕潤狀態，對底部強約束區具備條件的部位進行蓄水養護，壩體上下游面布置花管進行自動流水養護，對重要的結構部位采用土工膜覆蓋保水養護。常流水養護及表面保溫工作一直持續到混凝土達到設計齡期。

(2)優化配合比設計，控制水化熱壩體溫升。根據砂巖骨料強度較低、水泥用量較高的問題，從混凝土配合比設計入手，采取了多種手段降低水泥用量：一是更換高效減水劑。減水劑由原來的蘇博特(粉末狀、減水率為15%～18%)更換為HZ-03型聚羧酸高性能減水劑(液態、減水率為32%～34%)，降低用水量和水灰比，從而降低了水泥用量，減小了水化熱。二是采用動態配合比。根據砂巖骨料磨耗性高，轉運及攪拌過程中易產生石粉的特點，試驗室通過磨耗試驗確定各級骨料的實際磨耗率，進而確定混凝土骨料的真實級配，通過調整砂率等操作優化了配合比。

6 結 語

該工程將砂巖料場作為混凝土骨料，由于砂巖的自身特性，為保證混凝土設計強度，配合比中水泥用量相對較高，進而產生了較大的水化熱；同時，工程區地處低緯度地區，旱季白天高溫，晝夜溫差大，致使砂巖骨料與不利氣候的雙重因素疊加，給混凝土澆筑質量控制帶來了一定的難度。鑒于此，該工程通過冷水機組生產2 ℃冷水拌制混凝土，保證了出機口溫度達到設計要求；通過倉內埋設冷卻水管，24 h不間斷的通水冷卻，降低了壩體溫度；通過在倉面埋設的銅電阻溫度計實時監測壩體內部溫度，及時調整通水流量和時間，使壩體最高溫度和溫度變化滿足設計要求；通過常流水養護和重點部位土工膜覆蓋保水養護，較好的控制了混凝土的澆筑質量。各項溫控手段和措施在該項目得到了較好的實際應用，對今后東南亞同類型工程具有一定的參考價值。