大壩大體積混凝土溫度控制技術

馬世強

（濰坊濰臨水利建筑基礎處理有限公司，山東 濰坊 262600）

0 引言

水工建筑物是水利水電工程項目建設的重點，其質量直接影響工程項目穩定運行。其中，水工建筑物混凝土結構開裂問題則是長期困擾工程建設的一個關鍵性問題[1]。尤其是隨著工程建設需求及建設水平不斷發展，大體積混凝土結構的廣泛應用，其結構裂縫問題受到了更廣泛地關注。在水壩大體積混凝土結構施工中，為有效避免混凝土裂縫出現影響大壩結構整體性與安全性，就必須要重視混凝土溫度控制技術的有效應用，從大壩大體積混凝土工程建設階段加強對混凝土開裂的預防和控制，從而保證大壩大體積混凝土施工質量，維護水利工程項目運行穩定與安全[2]。

1 工程概況

某水庫為一座大（二）型水利水電樞紐工程，位于山東省境內淮河流域一支流體系，發揮綜合利用功能，為當地防洪、灌溉發揮重要作用。水庫大壩控制流域面積520km3，汛限水位為158.2m，設計水位為165.8m，校核洪水位為170.6m，設計總庫容為3.05億m3，星歷庫容為1.91億m3。水庫樞紐工程中，主要大體積混凝土工程位置為拉河大壩，其屬于雙支墩肋墩壩，構成包括雙支墩共12個，單支墩以及重力壩壩段共包括3個。壩頂長度為302m，壩高最高82.3m，壩頂高程202m，壩頂寬度4m。攔河壩為混凝土大壩，材料采用C30，根據大壩結構分類，其屬于大體積混凝土，在實際施工過程中，混凝土澆筑期間會產生大量的水化熱，并且不容易消散，隨之會出現非常大的溫度應力，從而導致其出現裂縫，嚴重影響壩體結構穩定性。因此，針對其采取有效的溫控防裂技術，對工程順利實施具有重要意義。

該水利樞紐工程根據地理位置劃分，氣候為亞熱帶濕潤季風區，全年的降雨量較為適中，季節區分明顯，春季氣候多變，秋季較短，冬季寒冷且雨雪天氣較少。該地區歷年平均氣溫在16.2℃左右，夏季歷史最高氣溫為39.7℃，冬季歷史最低氣溫為零下14.5℃。年降水量約為1000mm，集中在6—8月份，平均相對濕度77%，年均無霜期229天，年日照時間約2000h。

2 混凝土溫度控制主要措施

2.1 溫控防裂主要措施

在該工程中，在大體積混凝土澆筑過程中采取的主要溫控防裂措施有以下7點：1）降低混凝土澆筑溫度。在實際施工前，需要對相關材料進行降溫，使石料預冷，從而確保混凝土澆筑時，在出機口不會處于高溫的狀態，從而達到降溫效果。對大體積砼主要采取3種降溫措施：一是搭建涼棚，對除砂子外的材料進行噴水霧降溫，或采用風冷措施對骨料進行預冷，同時須注意若采取水冷措施，還需要對骨料進行脫水，穩定其含水量，拌合過程中可采用深層地下水；二是避免使用剛入庫高溫水泥直接進行混凝土生產；三是最好選擇在夜間、清晨或陰天等時段進行施工[3]。2）運輸保溫。在混凝土運輸中，在運輸罐車外層包括棉帆布保溫，減少運輸過程中的低溫季節溫度損失和高溫季節溫度倒灌。3）通水冷卻。需要設置冷卻水管，通常都位于進水流道，從而對混凝土進行通水冷卻。在實際應用中，水管直徑32mm，厚度2mm的HDPE材料。澆筑層厚度低于2m中間需要布置一層冷卻水管，進水口溫度應保持在14℃左右，水流速度保持在0.8m/s左右，流量在1.66m3/s左右。4）加強混凝土材料把控。在選擇凝膠材料時，盡可能選擇粗顆粒水泥材料，從而加強大體積混凝土內水化熱過渡的穩定性，增強其自身強度及抗裂性能。如果水泥水化熱較低，其強度應與混凝土設計強度相匹配，對受河水沖刷或抗凍等級要求較高的部位，則應當保證水泥設計較強較高。水泥的運輸與存儲過程需要做好相應的防水防潮措施，散裝水泥需要經測溫在65℃以下之后再入罐[4]。5）降低混凝土內外溫差。根據“內降溫、外保溫”的原則，采用混凝土初期通水冷卻和表面保溫同時進行的方式，減少混凝土內外部的溫度差值。夏季高溫季節外保溫保水采用5mm棉氈與2mm塑料薄膜；冬季低溫季節采用5cm棉氈與2mm塑料薄膜進行保溫。6）混凝土養護。根據季節變化采取相應的養護措施，在夏季，混凝土澆筑后可以對其表面進行灑水施工，達到養護的效果。在本次施工中，養護手段主要是表面流水養護，養護時間約為一個月，對于重點位置，則需要根據實際增加養護時間。當混凝土表面與外界環境的溫差穩定保持在20℃以內時停止養護[5]。7）施工期觀測。采用拓普瑞T3無線自動測溫儀對外界溫度進行觀測，每小時測量一次水、外加劑、骨料溫度；每2 h測量一次出機口溫度、運輸中溫度損失、澆筑溫度；澆筑完成部分內部溫度通過埋設在內部的溫度探頭測量。要求施工人員及時反饋施工溫度觀測情況，根據實際調整施工方案，落實施工中溫度的動態監控[6]。

2.2 合理安排砼施工順序及進度

在砼施工過程中，對于基礎約束區，要把控要設計規定時間，并且需要注意上升的均勻性和連續性，最大限度減少薄層施工時間。對于其他的位置的施工，則盡可能縮短間隔時間，上升同樣需要是均勻的和連續的。

2.3 加強混凝土原料溫控

要嚴格控制水泥入罐溫度，高于65℃不得入?罐，待冷卻達到溫度控制要求后再入罐；加強砂子含水率控制，不能高于5%且其控制其波動幅度；成品料倉堆料高度應在6m之下，料倉應為三面封閉棚；加強對砂子外材料噴水降溫，并制定脫水措施，確保骨料含水量合理；盡量優化儲存條件，降低外界環境溫度變化對骨料溫度的影響。

2.4 控制混凝土出機口溫度

控制混凝土出機口溫度需要注意以下幾點：一是做好成本堆料、骨料的防曬和防雨工作；二是在夏季高溫天氣，進行骨料預冷處理，利用地下水拌合混凝土，降低出機口溫度；在冬季低溫天氣，若符合混凝土澆筑溫度要求，則可進行自然拌合；三是系統骨料罐在進行拌合時盡可能滿罐，從而保證預冷效果；四是計算確定自然拌合下混凝土出機口溫度，根據工地氣象情況，按照當地的月平均氣溫確定骨料溫度、水溫，根據季節差異，確定水泥、粉煤灰溫度，進入攪拌機溫度要控制在15℃～30℃。根據公式（1）計算得出：

式中：T0為混凝土出機口溫度，℃；CS、CG、CC、CW為砂、石、水泥、水的比熱，kcal/kg·℃，取值分別為0.22kcal/kg·℃、0.22kcal/kg·℃、0.2kcal/kg·℃、1.0kcal/kg·℃；qs、qG為砂、石含水量，%，取值分別為5%、2%；WS、WG、WC、WW為每立方米混凝土砂、石、水泥、水重量，kg；TS、TG、TC、TW為砂、石、水泥、水的溫度，℃。

根據公式（1）分別計算夏季高溫6月、7月份及冬季低溫11月、12月份混凝土出機口溫度，具體如表1所示。

表1 夏季高溫月份與冬季低溫月份混凝土出機口溫度表

3 混凝土入倉溫度及澆筑溫度

3.1 混凝土入倉溫度

θ1、θ2、θ3、θn為系數。

該工程中，系數包括θ1、θ2，取值如下：θ1為拌合下料到攪拌罐再到儲料斗兩次轉運，為0.064；θ2=At，A為運輸車混凝土容積為10m3取0.002；t取運輸時間平均值15min，則θ2=0.03。

根據公式（2），該工程混凝土入倉溫度如公式（3）所示。

根據公式（3）計算夏季、冬季不同月份的混凝土入倉溫度如表2所示。

表2 不同月份混凝土入倉溫度表

3.2 混凝土澆筑溫度

混凝土澆筑溫度為混凝土入倉后，經過混凝土振搗的溫度，夏季高溫時期混凝土澆筑溫度不應當高于35℃，冬季低溫時期不可低于5℃。控制混凝土澆筑溫度，需要避免在高溫時段開倉，減少混凝土熱交換，入倉后需要立即進行振搗，完成后采取覆蓋保溫措施，最大限度地減少混凝土暴露時間。

混凝土澆筑溫度如公式（4）所示。

式中：TP為混凝土澆筑溫度，℃；t為振搗至上層砼覆蓋前所用的時間，取值120min；其他符號意義同公式（3）相同。

根據公式（4）計算得出不同月份混凝土澆筑溫度如表3所示。

表3 不同月份混凝土澆筑溫度表

4 混凝土絕熱溫升與通水冷卻控制

4.1 混凝土水化熱絕熱溫升

混凝土絕熱溫升如公式（5）所示。

其中：

式中：Tt為混凝土t時絕熱溫升，℃；T0為混凝土最終絕熱溫升，℃；W為混凝土水泥用量，該工程取317kg/m3；F為粉煤灰摻量，該工程取72kg/m3；k為摻合料的折減系數，粉煤灰取值為 0.25～0.30；ρ為混凝土容重，該工程取2400kg/m3；C為混凝土比熱，該工程取0.96kJ/kg·K；Q0為水泥水化熱總量，該工程取 375 kJ/kg。m為系數，根據澆筑溫度不同選擇，澆筑溫度為5℃～30℃，取值范圍為0.295～0.406。

根據公式（5）、公式（6）計算，當t=∞時，大壩大體積混凝土施工中Tt最大值為61.45℃。

4.2 通水冷卻溫度控制措施

為有效解決混凝土絕熱溫升造成的內部溫度過高的問題，控制砼施工最高溫度，同時降低混凝土內外溫差，改善施工期溫度分布情況，該工程采取了通水冷卻措施進行溫控，具體分為初期、中期、后期3個冷卻階段，施工流程如圖2所示。

圖2 通水冷卻施工流程圖

4.2.1 施工準備階段

施工準備階段如下。一是要對冷卻水管施工倉面布置設計，并按照設計完成水管布置和配套接頭施工準備；二是在混凝土澆筑中，隨著澆筑高程的提升設置平臺，以便于對通水流量及溫度進行檢查；同時確保冷卻水管及時接通；三是儲備充足，在混凝土澆筑前進行冷卻水管檢查，嚴格按照設計要求及規范進行布設；四是定期檢查進水機組運行，確保其滿足水管輸出水量和出水壓力要求；五是在混凝土澆筑前，要檢查冷卻水管是否存在堵塞、滲漏等問題，同時避免在澆筑過程中發生損傷、折斷，確保水管通水正常；六是加強施工人員培訓，確保冷卻水管布置、運行等相關人員具備相應資質，培訓合格上崗。

4.2.2 初期通水冷卻階段

這一階段主要目標是實現對澆筑的混凝土初期水泥水化熱溫升，從而有效控制其內外部的溫差，以及降低中期通水冷卻之間的溫度，從而達到提高混凝土的溫度應力的目標。具體措施如下：第一，在混凝土澆筑前，檢查冷卻水管，確保其通暢性。檢查標準為0.2MPa下，水管流量大于0.9m3/h。第二，在初期通水過程中，水流方向要24h進行一次變換，通水冷卻時間不應小于15d，該工程持續通水冷卻25d，日降溫速率保持在1.0℃/d以下。第三，夏季高溫施工中，混凝土最高溫出現前需要加大冷卻通水流量，一般在1.5m3/h～1.8m3/h。第四，初期通水冷卻20d后，進行現場溫度監測數據分析，并根據監測的結果，規劃后期通水冷卻，直到其結果能夠滿足相關規范要求。通水冷卻施工中，首次完成后，需要對混凝土進行悶水測溫，來監測其冷卻效果，確保其能夠滿足設計要求。

4.2.3 中期、后期通水冷卻階段

這一階段施工，主要是為了不讓前期的通水冷卻工作失效，同時縮短混凝土冷卻時間加快接縫灌漿時間。中期冷卻和后期冷卻的日降溫速率保持在0.5℃/d左右，持續時間均在30d以上，通水流量在0.8m3/h～1.2m3/h。

三期通水冷卻過程中，現場管理人員需要對不同氣溫、澆注溫度、水管間距等條件下的澆筑塊溫度進行試驗并實施全過程檢測，加強對時間、溫度曲線的校核，總結工程經驗，為后期砼施工溫度控制提供指導。

5 施工效果

該工程施工中，對大壩大體積混凝土溫度控制施工效果進行了監測，通過在大壩河床、陡坡、廊道等部位布置監測點進行溫度數據檢測，得出結論如下：大壩大體積混凝土在澆筑后溫度上升較快，通過通水冷卻后，混凝土溫度逐步下降，直至與環境溫度接近后保持穩定；在混凝土澆筑40 h～45 h，混凝土內部溫度最高，出現在遠離冷卻水管進出口一段；通過24h調換一次初期通水冷卻水管流向，對遠端部位的降溫效果差異并不顯著；混凝土澆筑完成后，內部溫度不超過65℃，初凝后混凝土內外最大溫差不超過20℃，滿足大體積混凝土溫度控制要求。

6 結語

大壩大體積混凝土施工的主要施工難點在于混凝土會發生水化熱反應而其集中釋放大量的熱量，導致其內部的溫度快速上升，與外部溫度產生較大的溫差，最終造成結構開裂，嚴重降低施工質量，影響大壩整體的安全和穩定。所以，在該類型的工程施工中，采取科學合理的溫控措施是非常必要的，是控制混凝土溫度裂縫產生的關鍵點。在本次施工中，控制混凝土原料溫度，計算出機口、入倉、澆筑溫度，根據混凝土絕熱溫升合理設置通水冷卻方案及溫控設計，從而取得良好的溫度控制效果，大體積混凝土澆筑完畢后內部溫度小于65℃，內外溫差小于20℃，滿足大體積混凝土溫度控制要求，使溫控施工順利完成，從而為后期其他水利大體積混凝土溫控施工提供可靠參考。