水閘土建工程大體積混凝土溫度控制要點探討

朱文鋒

(安徽水利開發有限公司，安徽 蚌埠 233100)

1 工程概況

某新建水閘屬Ⅲ等中型水閘，相應永久性主要建筑物級別為3級，永久性次要建筑物為4級。本閘擋水特點及閘基土層采用水平防滲的布置形式。閘基水平防滲主要由上游混凝土鋪蓋、閘室底板、下游消力池(不透水段)等組成，分縫處均設有橡皮止水。新建水閘所在河底設計高程25.30 m，結合閘址處地形地質資料，確定閘檻高程為25.30 m。閘室為開敞式結構，共5孔，單孔凈寬7 m，閘室總寬度為42.8 m，閘室總長16 m。為滿足閘室穩定要求、增加閘室有效重量和獲得較理想的閘室流態，閘墩采用鋼筋混凝土實心結構，其順水流方向長度為16 m。

2 大體積混凝土裂縫的主要成因

擬新建水閘土建工程主要集中在春、夏季澆筑，施工時外界溫度較高，混凝土水化熱高，溫度應力對抗裂縫作用強，需重點加以防范。

2.1 溫度應力的作用

水閘墩墻混凝土溫度升高后體積發生膨脹、溫度降低后體積收縮，在墩墻混凝土結構約束以及內外溫度場非線性約束的多重作用下產生溫度應力。進行閘墩混凝土混凝土澆筑的初期階段所產生的水化熱將導致結構溫度持續上升，體積不斷膨脹，閘墩底部混凝土結構在基礎底板的制約下生成壓應力。這種壓應力因混凝土結構彈性模量較小而應力規模不大，但隨著混凝土結構表面持續的散熱影響，混凝土結構將從初期的升溫膨脹轉為溫度持續下降的收縮，混凝土結構溫度下降過程中彈性模量較小，所以結構升溫所產生的壓應力很快被收縮所產生的拉應力抵消，凈拉應力的出現一旦超出混凝土結構抗拉強度，就會引致混凝土結構裂縫，如圖1所示。由上述過程可以看出，混凝土結構溫度的最高限取決于絕熱升溫情況的變動，所以，通過降低水泥用量以達到混凝土結構總溫升控制，對于降低溫度應力的不利影響十分關鍵[1]。

圖1 混凝土內部溫度應力及彈性模量變化曲線

2.2 混凝土結構體積變形、干縮變形應力的作用

為進行閘墩混凝土強度等級C25的閘墩自身變形應力影響分析，將本水閘土建工程閘墩混凝土結構分成100×10-6，150×10-6，300×10-6，600×10-6等試驗段進行混凝土結構體積變形和干縮變形應力對閘墩混凝土結構穩定性影響的試驗。根據不同試驗段試驗結果，隨著混凝土結構體積變形以及干縮變形程度的增加，所產生的拉應力就會越大，可見，降低水泥用量，嚴控水灰比，對大體積墩墻混凝土裂縫治理較為有效。

2.3 閘室底板老混凝土的約束

已澆底板的強約束會加劇擬建水閘閘室墩墻溫升及墩墻體積變形、干縮變形進而導致墩墻裂縫，所以必須加強對底板與墩墻澆筑時間間隔變化影響拉應力程度的理論分析[2]。通過減小底板與墩墻混凝土澆筑時間間隔，從而使底板和墩墻混凝土剛度不斷接近，并使其變形不斷趨同，也是較為有效的水閘土建工程大體積混凝土裂縫預防措施。

3 溫度控制措施和要點

根據施工原材料規格、性能并通過試驗確定水泥用量及混凝土配合比，并在施工過程中嚴格原材料計量，合理振搗，確保混凝土材料性能。

3.1 加強水泥水化熱溫升控制

嚴格按照施工設計確定材料規格、性能、品質，并根據試驗進行水泥用量、混凝土配比等參數的確定，施工開始后，按照設計值及試驗值準確計量和確定材料用量，加強混凝土振搗施工過程控制，確保澆筑質量。根據不同部位及設計要求選擇不同的水泥品種，為了達到溫度應力控制目的，在獲得監理人員同意的基礎上，優先選用水化熱低的水泥材料。

本工程采用低水化熱礦渣水泥以及細度模數2.4～2.8、含泥量1.7%的級配良好的中粗砂；片狀顆粒含量≤10%、含泥量0.8%的連續級配石子料。為減少水泥用量，摻加木鈣和UEA外加劑，并摻加I級粉煤灰，為抵消部分混凝土收縮及溫度應力，延緩混凝土初凝與終凝時間，保證混凝土早期適度膨脹，預防施工冷縫出現，還應按比例摻加抗裂防滲劑，按設計比摻入聚丙烯纖維，增強混凝土抗裂能力。為保持材料清潔無污染，存放于設置混凝土地坪。為嚴格控制溫度，防止混凝土收縮裂縫的發生，本工程將混凝土輸送泵設置在澆筑點附近，并將混凝土坍落度控制在8～10 cm，水灰比控制在1∶0.6以內，并在包括墩墻墻體、底板等關鍵位置事先埋設冷凝水管，借助冷凝水的冷卻作用降低和控制混凝土內部溫度，通過縮小內外溫差防止溫度裂縫。

對于本水閘閘室較厚的底板，為防止水化熱溫差引發溫度裂縫，計劃在底板內埋設冷卻水管，冷卻水管選擇直徑40 mm的鋼管，在底板中部布設兩層，每層按蛇形走線，上下層冷卻水管間距1.3 m，并在端口各布置1個進出水口。

本工程水閘閘室底板冷卻水溫度按下式確定[3]，也即大體積混凝土溫度與進出水溫差之差的一半不超過20℃。

T混凝土-(T進水-T出水)/2≤20℃

為加強水閘土建工程大體積混凝土內外溫差的控制，還必須加強各種冷卻保溫措施實施效果的檢測與對比。借鑒南水北調工程等類似工程成功經驗，本工程在水閘閘室底板內按設計規范布置測溫管，為保證所測量溫度的準確，3個測溫管分別布置于距離閘室底板底面0.5 m、1.5 m和2.0 m處。待大體積混凝土澆筑后6 h派專人觀測并記錄觀測值，觀測頻次4 h，按天匯報，便于技術人員加強溫控措施的調整。

3.2 降低混凝土入倉溫度

混凝土運輸車和澆筑施工現場均搭蓋遮陽設施，并有專人灑水降溫，混凝土拌制用水采用水溫<12℃的深井水，并嚴格控制混凝土入倉溫度不超過12℃。并派專人進行混凝土出機口溫度、入倉溫度及澆筑完畢后不同時間段溫度的定期檢測。

3.3 調整約束條件，實現對溫度應力的控制

本工程閘墩混凝土主要選用二級配混凝土材料，按照設計規范，應通過調整約束條件，水化熱的降低加強溫度應力控制，以達到限制混凝土結構收縮應力徐變。對于混凝土澆筑施工設計流程，先將低強度水泥砂漿敷設在施工縫表層，待墩墻混凝土約束力徹底消除后，再進行水泥砂漿材料的分層澆筑，從而使水化熱能盡快散失。

3.4 “二次”施工法的應用

“二次”法施工對于混凝土拉伸極限強度提升，混凝土收縮裂縫消除效果顯著。水泥在二次投料過程中充分擴散，并和砂石等料二次拌和，增強混凝土流動性的過程中有效減少離析和泌水的發生，保證大體積混凝土早期強度提升，并有效節約水泥用量。

3.5 加強溫度控制與養護

澆筑施工結束后，必須采取切實可行的措施進行水閘閘墩墻混凝土結構溫度測量及控制，以保證將混凝土結構內外溫度的變化控制在設計范圍內，并為混凝土結構溫度應力控制提供基礎數據。

3.5.1 混凝土結構內外溫度預測

此項工作必須在水閘閘墩墻混凝土施工前進行，結合施土建工程施工場內現有的混凝土試配條件，進行施工過程中閘墩墻澆筑塊最高最低溫度、溫度應力及收縮應力等的測量、記錄與校核，并根據預測與測量結果，有針對性地提出閘墩墻混凝土施工過程中溫度控制、溫度變化峰值、內外溫差及降溫控制等措施。

3.5.2 溫控現場的監測

本水閘土建工程閘墩混凝土澆筑施工的同時必須進行混凝土澆筑溫度實時監測，便于技術人員及時采取有效的溫控措施。在距離閘墻底板以上1～1.5 m的范圍內混凝土面墻上間隔0.6 m 進行測溫探頭布置。澆筑后的1～3 d每間隔2 h進行一次溫度測量；4～7 d，每間隔4 h測溫；8～15 d，每間隔8 h測溫；15～28 d，每間隔24 h測溫。加強閘墩混凝土結構早期養護，初澆筑成型的混凝土體及早噴灑養護液，并根據環境溫度選擇恰當的覆蓋措施，防止結構表面收縮裂縫的產生，根據閘墩混凝土結構水分的蒸發情況適當延長拆模時間。

4 結 論

本水閘運行結果表明，加強降溫及對收縮產生溫度應力的控制對于預防水閘閘墩大體積混凝土開裂在技術上具備可行性，在具體施工過程中，必須嚴格加強對混凝土拌和、運輸、澆筑、養護等施工過程及參數的控制，從源頭上切斷水閘閘墩大體積混凝土溫度裂縫發生的可能，確保閘墩混凝土澆筑施工質量及水閘工程的良好運行。