水化熱抑制劑在泵站混凝土防裂中的對比分析

劉小江，王永智，陳海霞，馬樹軍

（1.河南省水利第一工程局，河南 鄭州 450000；2.河南省引江濟淮工程有限公司，河南 鄭州 450000）

1 引 言

在大體積混凝土施工期應力的影響因素中，溫度應力通常是主要的影響因素。對于夏季澆筑的大體積混凝土，溫度應力往往比其他季節更大。七里橋泵站采用高流動性泵送混凝土施工，主體大體積混凝土結構在夏季澆筑，其溫控防裂難度很大。在類似的工程實踐中，墩墻結構會在澆筑后產生貫穿性裂縫，對于結構的耐久性、安全性將產生較大影響。如果在夏季僅采用水管冷卻措施，則需要布置非常密集的水管以及配置低溫水，將增加施工的不便程度。因此，文章采用數值模擬方法，探索了采用水化熱抑制劑與冷卻水管聯合進行溫控防裂的方式。

水化熱抑制劑由于其本身應用的復雜性一直以來受到水利學者的高度關注，徐文強研究了不同厚度的水工大體積混凝土對水化熱抑制劑的適用性，認為厚度＜1.20 m 的混凝土可以用抑制劑代替冷卻水管。Yan等人從微觀結構出發，對于新型淀粉基作為抑制劑的影響進行了探究，但對于實際大體積混凝土工程的影響仍有待進一步深入。

文章運用等效冷卻水管模型的三維有限元計算程序。對引江濟淮七里橋泵站大體積混凝土結構進水池中聯部位開展了仿真計算，仿真計算內容為施工期的溫度場及應力場，并在混凝土中摻入水化熱抑制劑以期簡化溫控措施，相關溫控措施可為今后類似大體積混凝土工程提供借鑒。

2 主要計算參數

2.1 氣溫資料

考慮±6 ℃的晝夜溫差的該工程所在地月平均氣溫擬合曲線公式如下：

式（1）中：t為每天中的時刻（h）；Ta為日平均氣溫。

2.2 地基和混凝土主要熱力學參數

地質熱力學參數參考類似工程，詳見表1。

表1 地基熱力學參數表

墊層為C15 混凝土，底板及底板以上結構為C30 混凝土。根據七里橋泵站工程施工混凝土配合比資料擬定了混凝土熱力學參數，主要熱力學參數見表2。不摻抑制劑和摻入抑制劑的主要材料參數發展歷時曲線見圖1～圖2。

圖1 混凝土彈性模量歷時曲線圖

圖2 混凝土絕熱溫升歷時曲線圖

表2 混凝土熱力學參數表

3 仿真計算分析

3.1 計算模型

進水池中聯有限元網格模型如圖3 所示，單元總數為59 889個，節點總數為71 383個。坐標原點位于進口處墊層，Z軸豎直向上，X軸指向水流方向，Y軸按右手螺旋法則指向左岸。

圖3 進水池中聯總體有限元模型示意圖

溫度場仿真計算中，地基側面及底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界。施工臨時縫面和結構永久縫面在未被覆蓋時為散熱邊界，覆蓋后為絕熱邊界。其他表面均為散熱邊界。應力場仿真計算中，在地基的側面及底面施加法向約束，上表面為自由邊界。結構永久縫面為自由邊界，其他表面為自由邊界。

3.2 主要工況與結果對比

限于篇幅，取工況1、工況4與工況6計算結果作為典型工況對高溫條件下采用商品混凝土澆筑泵站的溫度場和應力場進行分析。

3.2.1 無抑制劑計算工況

工況1：混凝土澆筑溫度為多年平均的日均氣溫+5 ℃。澆筑塊的齡期前5 d表面有鋼模板，拆模后無表面保溫措施，混凝土內部無冷卻水管。

工況4：混凝土澆筑溫度為多年平均的日均氣溫+2 ℃。第一、第二澆筑塊的齡期前3 d采用鋼模板，第三、第四澆筑塊齡期前3 d采用木模版。拆模后在澆筑塊表面覆蓋保溫材料，散熱系數為150 KJ/（m2·d·℃），保溫至齡期130 d。在底板及以上的澆筑層布置冷卻水管，通水10 d，對齒墻及第二澆筑層削峰（削減溫度峰值）25 ℃，第一、第三、第四澆筑層削峰15 ℃。

3.2.2 有抑制劑計算工況

工況6：混凝土澆筑溫度為多年平均的日均氣溫+2 ℃。第一、第二澆筑塊的齡期前3 d采用鋼模板，第三、第四澆筑塊齡期前3 d采用木模版。拆模后表面覆蓋保溫材料，散熱系數均為150 KJ/（m2·d·℃），保溫至齡期130 d。在底板及以上的澆筑層布置冷卻水管，通水8 d，對齒墻削峰15 ℃、第一、第二、第三澆筑層削峰10 ℃、第四澆筑層削峰5 ℃。在底板及以上的澆筑層中摻入水化熱抑制劑。

各工況計算結果見圖4～圖5，實測溫度探頭位于底板內部1 m 深處。實際工程施工中采用的措施與工況4 接近，故實測溫度接近工況4的溫度曲線。

圖4 底板內部的早齡期溫度歷時曲線對比圖（℃）

圖5 底板內部的早齡期應力歷時曲線對比圖（MPa）

為控制該進水池中聯大體積混凝土的施工期拉應力，采取了溫控+抑制劑等多種溫控措施協同發揮作用，最終將施工期應力降至混凝土抗拉強度范圍內。

4 結論

夏季氣溫高，商品混凝土的澆筑溫度難以控制，這兩個因素會導致混凝土的水化反應速度很快，會縮短冷卻水管發揮作用的時間，導致夏季采用商品混凝土很難有效控制大體積薄壁結構混凝土澆筑塊的水化熱最高溫。摻入水化熱抑制劑后，混凝土的水化反應速度明顯減慢，澆筑塊臨空面和冷卻水管可以有更加充分的時間散熱，可以更好地控制夏季澆筑混凝土的最高溫。與僅采用冷卻水管來控制最高溫的措施相比，摻入水化熱抑制劑后，可以有效簡化溫控措施，包括水管間距、冷卻水流量、冷卻水水溫，都可以放寬要求。