大壩大體積混凝土不同運(yùn)輸方式對澆筑溫度的影響分析

梅 勇

河南省信陽市鲇魚山水庫管理局 河南 商城 465300

目前，越來越多的大體積混凝土被應(yīng)用于水利工程中，尤其是水庫大壩的建設(shè)。在澆筑大壩大體積混凝土?xí)r，通常會產(chǎn)生水泥水化熱，造成混凝土內(nèi)部與外界的溫度差異，從而導(dǎo)致混凝土溫度場分布不均勻[1-2]。混凝土的導(dǎo)熱性能和徐變特性，導(dǎo)致這種溫度場分布的不均勻極易在混凝土中產(chǎn)生溫度應(yīng)力，尤其是在混凝土表面容易產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力。如果溫度拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉極限，則在混凝土的表面極大可能會產(chǎn)生裂縫，從而影響了大壩結(jié)構(gòu)的安全性，這在大體積混凝土中表現(xiàn)得尤為突出[3]。

在大體積混凝土溫度控制中，選擇合理的水灰比、澆筑溫度、水管冷卻、配置溫度鋼筋等均為常規(guī)的溫度控制方式。澆筑溫度作為混凝土溫度差計算的初始溫度，在混凝土溫度控制中具有重要的作用，然而由于澆筑運(yùn)輸過程中不可避免的溫度升高，導(dǎo)致在計算時不宜采用拌和后的溫度。

本文針對不同的運(yùn)輸工具，分析其溫升情況，以期對運(yùn)輸工具選擇及溫控計算進(jìn)行合理確定。

1 運(yùn)輸過程溫度回升計算模型

混凝土在攪拌站攪拌結(jié)束后，往往需要通過交通工具進(jìn)行運(yùn)輸。交通工具根據(jù)不同的作業(yè)條件，一般可以分為水平運(yùn)輸工具和垂直運(yùn)輸工具。常用的運(yùn)輸機(jī)具包括自卸汽車、皮帶機(jī)及纜機(jī)吊罐等。

混凝土運(yùn)輸過程中的溫度回升包括裝卸料、轉(zhuǎn)運(yùn)及運(yùn)輸機(jī)具上的溫度回升。

其中，裝卸料及轉(zhuǎn)運(yùn)溫度回升系數(shù)、運(yùn)輸機(jī)具上的溫度回升系數(shù)通過參閱規(guī)范，可根據(jù)溫度差分計算方式，采用雙向差分法計算，按式（1）計算得出[4]：

式中：T0,τ+Δτ——計算點(diǎn)計算時段的溫度；

T0,τ——計算點(diǎn)前一時段的溫度；

Δτ——計算時段時間步長；

T1τ、T2τ、T3τ、T4τ——計算點(diǎn)周圍的4個點(diǎn)在前一時 段的溫度值；

L1、L2、L3、L4——計算點(diǎn)距周圍四點(diǎn)的距離；

r ——系數(shù)，r＝αΔτ/h2，這里的α為混凝土導(dǎo)溫系 數(shù)，h2為混凝土差分的平均柵格間距，即 L1、L2、L3、L4的平均值；

Δθτ——計算時段內(nèi)混凝土絕熱溫升。差分網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 差分網(wǎng)格示意

與空氣接觸的混凝土表面溫度按第三類邊界處理，計算公式如下[5]：

式中：Tb,τ+Δτ——邊界點(diǎn)計算時段的溫度；

T0,τ+Δτ——靠邊界的計算點(diǎn)計算時段溫度；

Tc——混凝土表面氣溫；

h ——T0,τ+Δτ點(diǎn)至混凝土邊界的距離；

β ——混凝土表面放熱系數(shù)；

λ——混凝土導(dǎo)熱系數(shù)。

角點(diǎn)溫度計算公式如下[1]：

式中：T角——角點(diǎn)溫度；

λ——混凝土導(dǎo)熱系數(shù)；

L1h、L2h——分別為邊界上的分格距離；

β1、β2——兩邊界上的表面放熱系數(shù)。

2 皮帶機(jī)運(yùn)輸方式入倉的溫度回升計算

采用皮帶機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸時，運(yùn)輸斷面如圖2所示，計算過程中假定運(yùn)輸過程中混凝土在輸送帶上均勻分布。

圖2 皮帶機(jī)運(yùn)送混凝土斷面示意

根據(jù)某具體實(shí)例，混凝土面上部尺寸為0.68 m，下部尺寸為0.28 m，厚度為0.1 m，膠帶機(jī)側(cè)壁與水平面角度為38°，計算點(diǎn)平均距離為1 cm；計算時間步長為10 s；假定頂面混凝土表面放熱系數(shù)取70 kJ/（m2·h·K），其余面混凝土表面放熱系數(shù)取20 kJ/（m2·h·K），澆筑時的環(huán)境氣溫取33.1 ℃，進(jìn)入倉面后卸料的溫度回升系數(shù)按0.032計。

皮帶機(jī)不同運(yùn)輸時間的混凝土溫度回升如表1所示。

表1 皮帶機(jī)不同運(yùn)送時間的溫度回升

3 自卸汽車+纜機(jī)吊罐運(yùn)輸方式入倉的溫度回升計算

本次計算實(shí)例中的自卸汽車吊罐運(yùn)輸能力為9 m3。在運(yùn)行中溫度回升采用雙向差分法計算，計算點(diǎn)平均距離為1 cm，計算時間步長為1 min。

為避免運(yùn)輸過程中的熱量倒灌，在自卸汽車車廂周邊設(shè)置篷布進(jìn)行保溫，自卸汽車離開拌和樓前用篷布覆蓋整個車廂，車廂頂面及側(cè)面的混凝土放熱系數(shù)取30 kJ/（m2·h·K）。自卸汽車（側(cè)卸式混凝土運(yùn)輸車）由拌和樓運(yùn)至供料平臺卸料點(diǎn)，卸入斗容9 m3吊罐后由纜機(jī)吊運(yùn)至澆筑倉位。

纜機(jī)吊罐采用YL系列液壓自能立式混凝土吊罐，進(jìn)料口直徑D1為2.53 m，卸口料為矩形，尺寸為0.9 m×1.0 m，罐體高度H1為3.2 m，進(jìn)料口柱體高度H2為1.8 m。吊罐結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 纜機(jī)吊罐結(jié)構(gòu)示意

吊罐內(nèi)混凝土模型計算點(diǎn)平均距離為1～2 cm；計算時間步長為10 s，澆筑時的環(huán)境氣溫取33.1 ℃，吊罐外表面貼保溫卷材，混凝土表面放熱系數(shù)取20 kJ/（m2·h·K）。汽車+纜機(jī)不同工況下的混凝土入倉溫度回升如表2所示。

表2 纜機(jī)不同運(yùn)送時間的溫度回升 單位：℃

4 工程實(shí)例分析

為評價本文建立的運(yùn)輸方式的溫度回升計算模型，采用在運(yùn)輸過程中埋設(shè)溫度傳感器的方式進(jìn)行誤差計算分析。

某壩體工程位于四川省某縣，澆筑月份為7月份，實(shí)測外界氣溫溫度為33.1 ℃，澆筑用C30混凝土配比如下：用水量∶水泥∶粉煤灰∶砂∶小石∶中石∶減水劑∶引氣劑＝120∶159∶86∶689∶585∶877∶1.714∶0.049。其中，小石粒徑為5～20 mm，中石粒徑為20～40 mm。在運(yùn)輸過程中埋設(shè)測溫元件，所述測溫元件型號為DS18B20，測溫誤差（2 5 ℃環(huán)境下）為0.1 2 ℃，測試范圍為 -30～150 ℃，絕緣電阻為850 MΩ。

運(yùn)輸機(jī)采用專用槽形皮帶運(yùn)輸，皮帶機(jī)槽形為梯形，上部尺寸為0.68 m，下部尺寸為0.28 m，側(cè)壁與水平面角度為38°。皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)輸時間為8 min，混凝土機(jī)口溫度為10 ℃。測溫元件埋設(shè)在距離混凝土表面5 cm處，共埋設(shè)5個。取5個測溫元件的平均值作為測量值，每隔1 min輸出一次測量值。差分計算與測量值對比如圖4所示。

當(dāng)采用自卸汽車、吊罐進(jìn)行混凝土運(yùn)輸時，自卸汽車采用側(cè)卸式混凝土運(yùn)輸車，由拌和樓運(yùn)至供料平臺卸料點(diǎn)，卸入斗容9 m3吊罐后由纜機(jī)吊運(yùn)至澆筑倉位，其中自卸汽車運(yùn)輸時間為20 min，吊罐運(yùn)輸時間為15 min。

混凝土機(jī)口溫度為10 ℃，吊罐初始溫度為11.2 ℃。測溫元件埋設(shè)在混凝土中心，共埋設(shè)5個。取5個測溫元件的平均值作為測量值，每隔5 min輸出一次測量值。差分計算與測量值對比如圖5所示。

圖4 計算值與測量值對比一

圖5 計算值與測量值對比二

由圖4和圖5可知，對于短時間運(yùn)輸?shù)幕炷翜囟瓤刂贫裕捎貌罘炙惴ㄓ嬎憬Y(jié)果與實(shí)測溫度值誤差較小。

由文獻(xiàn)[1]和[5]中的計算實(shí)例可以得知，利用差分進(jìn)行溫度的計算控制，其與理論值或?qū)崪y值的誤差相對較小，隨著差分精度的提高，誤差可控制在5%之內(nèi)。隨著運(yùn)輸時間的縮短、氣溫變化幅度的降低、混凝土相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取，上述誤差會進(jìn)一步縮小。通過差分進(jìn)行溫度計算，將溫度誤差控制在工程允許的范圍內(nèi)，是完全可 行的。

5 不同運(yùn)輸方式入倉溫度分析

由上述分析計算可知，隨著運(yùn)輸時間的不斷增加，混凝土入倉溫度也隨之升高。其中，采用皮帶機(jī)運(yùn)輸混凝土?xí)r，由于混凝土直接裸露在大氣中，大氣溫度的回灌比較明顯，其溫度回升的速度較快，因此，對于大壩主體混凝土，夏天施工時不宜采用皮帶機(jī)入倉。

對于自卸汽車+纜機(jī)吊罐運(yùn)輸方式而言，溫度升高主要集中在汽車運(yùn)輸過程中，而在纜機(jī)吊罐運(yùn)輸時，由于空間有限，且通過采用相應(yīng)的保溫措施，其溫度升高較小。因此，在此種運(yùn)輸方式中，應(yīng)盡量減小汽車運(yùn)輸時間和等待時間。

通過對具體實(shí)例分析，對于出機(jī)口溫度為7 ℃的混凝土，要將入倉溫度控制在10 ℃以內(nèi)，自卸汽車運(yùn)輸時間不宜超過15 min，纜機(jī)吊運(yùn)不宜超過10 min，同時在施工過程中，須加強(qiáng)混凝土入倉過程中的管理工作，盡量縮短汽車運(yùn)輸及吊罐吊運(yùn)時間。

6 結(jié)語

本文通過建立運(yùn)輸過程中溫度回升計算的差分模型，對皮帶機(jī)運(yùn)輸和自卸汽車+纜機(jī)吊罐運(yùn)輸2種不同方式分別進(jìn)行了實(shí)例分析，并對其溫度回升進(jìn)行比較，得出了不同運(yùn)輸方式的溫升情況，以及2種不同運(yùn)輸方式的適用情形。

本文總結(jié)的相關(guān)結(jié)論可為大壩大體積混凝土在實(shí)際施工中合理選擇運(yùn)輸方式提供技術(shù)參考，并可起到一定的指導(dǎo)作用。

[1] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:水利電力出 版社,2012.

[2] 張國新.非均質(zhì)材料溫度場的有限元算法[J].水利學(xué)報,2004(10): 71-76.

[3] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[4] 杜平,劉書賢,譚廣柱,等.基于四維溫度場理論的大體積混凝土數(shù)值 分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,31(8):526-530.

[5] 鄧旭.大體積混凝土溫度及應(yīng)力控制相關(guān)問題研[D].鄭州:鄭州大 學(xué),2014.