清遠(yuǎn)二線(xiàn)船閘工程大體積混凝土施工期溫控防裂研究

黎錦釗

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 工程概況

清遠(yuǎn)水利樞紐主要工程作用為航運(yùn)和改善水環(huán)境，同時(shí)可以在當(dāng)?shù)匕l(fā)揮發(fā)電、反調(diào)節(jié)等養(yǎng)殖等作用。本次新建的工程主要為清遠(yuǎn)二線(xiàn)船閘工程，其主體結(jié)構(gòu)混凝土澆筑方量達(dá)3.72×104m3，無(wú)論是總澆筑量還是平均入倉(cāng)量都很高。該工程大體積混凝土結(jié)構(gòu)較多且斷面形式都比較復(fù)雜，施工期溫控防裂任務(wù)十分艱巨。本工程采用自卸車(chē)以及混凝土罐車(chē)聯(lián)合工作的澆筑模式，自卸車(chē)和罐車(chē)通過(guò)場(chǎng)地內(nèi)公路將混凝土運(yùn)送至施工倉(cāng)面，然后使用門(mén)吊配合罐將混凝土入倉(cāng)。混凝土的平均運(yùn)送距離不超過(guò)1 km，運(yùn)距較短可防止運(yùn)輸過(guò)程中混凝土的溫度回升現(xiàn)象。本文結(jié)合該項(xiàng)目重點(diǎn)介紹混凝土開(kāi)裂的原理以及清遠(yuǎn)二線(xiàn)船閘工程大體積混凝土施工期溫控防裂對(duì)策。溫控對(duì)策主要包括混凝土材料、施工期溫控措施、管理措施等方面，可為類(lèi)似工程大體積混凝土溫控防裂提供有益的借鑒。

2 混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

2.1 混凝土自身特性

混凝土是一種典型的復(fù)合材料，其微觀結(jié)構(gòu)決定了抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度的特性[1]。混凝土抗拉強(qiáng)度不超過(guò)其抗壓強(qiáng)度的1/8～1/12，在拉應(yīng)力的作用下極易開(kāi)裂。未配筋的素混凝土在工作過(guò)程中通常表現(xiàn)出明顯的脆性，因此一般將混凝土材料設(shè)計(jì)為受壓構(gòu)件，在可能出現(xiàn)的受拉區(qū)配置鋼筋。

2.2 混凝土水化放熱

混凝土澆筑后，溫度變化會(huì)呈現(xiàn)出3個(gè)明顯的階段[2-4]。首先是溫度上升期，也就是水化放熱期，在自然情況下一般可持續(xù)數(shù)周。然后是降溫期，在該階段水泥水化幾乎完成，不再放熱，可不考慮混凝土土放熱。最后是穩(wěn)定期，在該階段混凝土自身不再放熱，僅作為熱導(dǎo)體，溫度隨氣溫周期變化。混凝土水化放熱曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。從圖1中可以看出，混凝土澆筑后的3個(gè)階段，施工期溫控目標(biāo)一般為降低最高溫度并控制降溫過(guò)程。混凝土因水泥、粉煤灰等材質(zhì)水化放熱的溫升值可用朱伯芳院士推薦的式(1)估算[5]，在大體積混凝土施工前應(yīng)進(jìn)行混凝土熱工計(jì)算，以制定合理有效的溫控手段，并編制大體積混凝土施工溫控專(zhuān)項(xiàng)方案。

圖1 混凝土水化熱溫升曲線(xiàn)

(1)

式中：W為水泥用量；c為比熱；ρ為密度；Q(τ)為水泥水化熱，一般可根據(jù)水泥品種估算；k為折減系數(shù)；F為除水泥外的膠凝材料用量。

2.3 混凝土溫度應(yīng)力

如2.2節(jié)所述，混凝土澆筑后，其膠凝材料組分會(huì)放出大量的熱，同時(shí)混凝土是熱的不良導(dǎo)體，導(dǎo)溫系數(shù)一般不超過(guò)0.10 m2/d。大體積混凝土因膠凝材料放熱且由于自身導(dǎo)溫能力較差，內(nèi)部溫度較高，而外表面暴露在空氣中，溫度較低。因此，混凝土內(nèi)外之間會(huì)產(chǎn)生較大的溫度梯度，并且混凝土受到來(lái)自基礎(chǔ)以及自身的約束作用，溫度較高的位置受熱膨脹承受拉應(yīng)力，溫度較低位置收縮承受壓應(yīng)力[6]。當(dāng)受拉區(qū)的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土便會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫。混凝土因溫度荷載而開(kāi)裂示意圖見(jiàn)圖2，從圖2中可以看出，溫升階段混凝土在邊緣處最容易開(kāi)裂。

圖2 混凝土溫升階段溫度裂縫發(fā)展示意圖

3 船閘大體積混凝土溫控計(jì)算

對(duì)船閘大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元溫控仿真分析，可以為溫控防裂措施的制定提供準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)結(jié)果。

3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算理論

在混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，混凝土溫度會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。這個(gè)問(wèn)題可以描述為具有熱源的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，推導(dǎo)出相應(yīng)的平衡方程。該不平穩(wěn)溫度場(chǎng)T(x,y,z,t)應(yīng)滿(mǎn)足區(qū)域R內(nèi)的以下方程[7]：

(2)

式中：Q為熱源；a為混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)，m2/d；ρ為混凝土密度，kg/m3；τ為時(shí)間，h。

3.2 有限元模型

本工程船閘底板和墩墻混凝土均為整體一次性澆筑。有限元模型坐標(biāo)系選取如下：將順河向作為X軸正方向，Y軸為左右岸方向，以豎直向上為Z方向。用八節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)模型進(jìn)行空間離散，共剖分節(jié)點(diǎn)42 870個(gè)，單元36 962個(gè)，其中底板9 504個(gè)單元，墩墻共10 320個(gè)單元。有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 船閘有限元模型圖

3.3 邊界條件

混凝土上表面及四周、地基出露上表面與空氣接觸，為散熱邊界。地基四周和地面為絕熱邊界，熱流量為零。仿真分析時(shí)，氣溫邊界條件可使用如下余弦函數(shù)模擬：

(3)

式中：Tam為年均氣溫；Aa為氣溫變幅；t0為初始時(shí)刻；ti為氣溫最高的時(shí)刻。

3.4 計(jì)算結(jié)果

澆筑溫度按照當(dāng)?shù)貧鉁剡M(jìn)行預(yù)估，分析時(shí)不考慮溫控防裂措施，按照自然散熱進(jìn)行考慮。選取船閘大體積混凝土內(nèi)部和外部的特征節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，內(nèi)部和外部特征點(diǎn)溫度過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖4，混凝土溫度場(chǎng)云圖見(jiàn)圖5。從溫控仿真結(jié)果可以看出，混凝凝土內(nèi)部溫度較高，外部溫度較低，內(nèi)外溫差超出規(guī)范要求。如果不另外制定溫控防裂措施，僅靠天然散熱作用，船閘大體積混凝土在施工期的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)極大。

圖4 混凝土特征點(diǎn)溫度過(guò)程線(xiàn)圖

圖5 船閘底板和墩墻施工期溫度云圖

4 船閘大體積混凝土防裂對(duì)策

4.1 混凝土材料設(shè)計(jì)

4.1.1 配合比設(shè)計(jì)

在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行熱工計(jì)算，可根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算。混凝土配比設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖6。根據(jù)強(qiáng)度初步擬定混凝土配合比，進(jìn)行熱工計(jì)算，并根據(jù)規(guī)范對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算。在滿(mǎn)足強(qiáng)度的要求下，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整，直到滿(mǎn)足規(guī)范要求。清遠(yuǎn)二線(xiàn)船閘主體結(jié)構(gòu)C30大體積混凝土配合比最終確定見(jiàn)表1。

圖6 混凝土配合比設(shè)計(jì)流程圖

表1 主體結(jié)構(gòu)C30混凝土配比 /kg·(m3)-1

4.1.2 水泥種類(lèi)

水泥是混凝土硬化過(guò)程中放熱的主要原因。本次清遠(yuǎn)二線(xiàn)船閘主體結(jié)構(gòu)混凝土均采用低熱水泥進(jìn)行拌和，可以減少混凝土的放熱量，從而減小混凝土的內(nèi)部最高溫度以及溫度分布梯度，降低混凝土開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 溫控措施

4.2.1 骨 料

對(duì)料場(chǎng)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的防曬裝置，清遠(yuǎn)二線(xiàn)船閘工程的調(diào)節(jié)料倉(cāng)上部設(shè)置防曬棚，并對(duì)骨料定期進(jìn)行灑水。夏季高溫季節(jié)氣溫較高，通過(guò)自然的冷卻方式不能使骨料充分降溫時(shí)，采取風(fēng)冷措施對(duì)骨料進(jìn)行整體降溫。

4.2.2 澆筑溫度

本工程采用自卸車(chē)以及混凝土罐車(chē)聯(lián)合工作的澆筑模式，自卸車(chē)和罐車(chē)通過(guò)場(chǎng)地內(nèi)公路將混凝土運(yùn)送至施工倉(cāng)面，然后使用門(mén)吊配合罐將混凝土入倉(cāng)。混凝土的平均運(yùn)送距離不超過(guò)1 km，運(yùn)距較短可防止運(yùn)輸過(guò)程中混凝土的溫度回升現(xiàn)象。

4.2.3 通水冷卻

施工期通水冷卻是控制混凝土溫度最為有效的方式。在混凝土澆筑前預(yù)埋冷卻水管，通過(guò)施工期的通水，可有力地控制混凝土的內(nèi)部溫度。為獲得較好的溫控效果，冷卻水管采用鋼管，間距應(yīng)控制在1.5 m左右，本工程冷卻水管布置圖見(jiàn)圖7。在施工期溫控時(shí)，冷卻水管進(jìn)出水口溫差應(yīng)控制在6℃～12℃。

圖7 船閘底板冷卻水管布置圖

4.3 施工管理措施

各單位應(yīng)充分重視大體積混凝土施工前的準(zhǔn)備工作，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)完成混凝土配比的優(yōu)化工作。施工單位應(yīng)做好施工期的各項(xiàng)工序，如冷卻水管的布置和調(diào)試。如果施工期可能有溫度驟降的天氣，應(yīng)提前準(zhǔn)備表面保溫材料。同時(shí)對(duì)施工作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，提高施工人員施工素質(zhì)，減少因施工技術(shù)原因而產(chǎn)生的混凝土裂縫。如條件允許，應(yīng)進(jìn)行施工期的混凝土溫度自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，以減輕施工人員負(fù)擔(dān)，提高溫控效率。

5 結(jié) 論

本文對(duì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂的原因進(jìn)行了綜述，對(duì)清遠(yuǎn)二線(xiàn)船閘工程大體積混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行了溫控仿真分析。從結(jié)果可知，如果僅依靠自然散熱，混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)極大。為避免開(kāi)裂，本文提出了施工期大體積混凝土溫控防裂的對(duì)策，主要包括混凝土材料、施工期溫控措施、管理措施等方面。通過(guò)對(duì)已完工的混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢查，清遠(yuǎn)二線(xiàn)船閘主體結(jié)構(gòu)混凝土均未發(fā)現(xiàn)有害的溫度裂縫。結(jié)果表明，清遠(yuǎn)二線(xiàn)船閘工程所采取的溫控防裂對(duì)策是有效的，既保證了工期，又提高了施工質(zhì)量，可為同類(lèi)工程大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工期溫控防裂提供有益的借鑒。