某涵閘大體積混凝土施工溫度控制措施研究

李金龍，張 松，李冬賀，李婷婷，史經(jīng)攀

(1.江蘇省蘇水工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 揚州 225000；2.豐縣水務(wù)局，江蘇 徐州 221000)

在大體積混凝土澆筑施工過程中，不可避免出現(xiàn)混凝土溫度升高的現(xiàn)象。當(dāng)溫度升高并超過一定范圍時，混凝土施工質(zhì)量將會明顯下降，從而影響工程安全，造成不利影響[1-3]。因此，在大體積混凝土澆筑施工時需要采取合適的溫度控制措施，以保證混凝土溫度，提高混凝土澆筑質(zhì)量。針對不同的混凝土施工環(huán)境條件，需要采取不同的溫度控制措施，一般情況下，當(dāng)外界環(huán)境溫度較高時，冷水管是常用的降低混凝土溫度的措施，影響冷水管降溫效果的主要參數(shù)為水管間距、進水溫度等[4-7]。董寨涵閘混凝土施工體量大，需要采取適宜的措施以保證混凝土施工質(zhì)量，提高涵閘的安全性、耐久性。

1 工程概況

董寨涵閘位于南四湖湖西洼地東營子河樁號1+900，設(shè)計流量為45m3/s，建筑物級別為3級，設(shè)計排澇水位為36.41/36.26m，擋洪水位為38.27m，涵閘設(shè)計具有排澇、擋洪、蓄水及通航功能。涵閘設(shè)計為1孔12m開敞式水閘，閘底板頂高程為30.00m，閘室頂高程為42.00m，工作橋頂高程為50.40m。閘室順水流方向長度為19.00m，垂直水流方向長15.60m。水閘上游側(cè)設(shè)15.00m長0.7m厚鋼筋混凝土鋪蓋，鋪蓋上游鋪設(shè)20m長預(yù)制塊砼護坡、現(xiàn)澆混凝土護底，兩岸采用鋼筋混凝土扶壁翼墻與現(xiàn)狀河道相連，下游側(cè)設(shè)15.0m長0.5m深鋼筋混凝土消力池，消力池下游鋪設(shè)30.0m長預(yù)制塊砼護坡、現(xiàn)澆混凝土護底，兩岸采用鋼筋混凝土扶壁翼墻與現(xiàn)狀河道相連。護坡、護底、格梗、臺階、排水溝、欄桿混凝土等級為C25，其余均為C30；閘墩和翼墻墻身抗凍等級為F100，其余為F50。

2 綜合溫控措施

影響混凝土施工溫度的因素眾多，包括混凝土配合比、混凝土運輸方式、混凝土出機溫度等。因此，為了提高混凝土施工溫度控制效果，需要采取多種措施控制混凝土溫度。

在混凝土拌和前，需要進行混凝土配合比試驗，選取發(fā)熱少、強度高的混凝土材料。在保證混凝土強度的條件下，減少水泥用量，降低水化熱。在涵閘施工過程中針對溫度要求較高的區(qū)域，可選擇在每年11月至次年4月溫度較低的時間進行，若必須在高溫天氣澆筑，則需要充分利用夜間低溫時間施工。

拌和樓混凝土出機溫度對混凝土澆筑施工影響也較大。保證混凝土細骨料含水率不超過6%。采用預(yù)冷方式處理混凝土骨料，混凝土拌和過程中采用冷水降低混凝土出機時的溫度。混凝土拌和水的溫度和預(yù)冷情況可結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H氣溫進行調(diào)整。

混凝土運輸過程中混凝土溫度上升是不可忽略的。因此，優(yōu)化混凝土運輸方案，縮短混凝土從出機到澆筑的時間，減少混凝土倒運次數(shù)對縮小混凝土溫度回升有重要影響。在場地內(nèi)保證混凝土運輸通道的通暢，高溫季節(jié)運輸混凝土?xí)r需要做好保溫工作，必要時可搭設(shè)活動遮陽蓬、設(shè)置保溫層以保證混凝土溫度。

3 混凝土施工溫度控制分析

3.1 混凝土結(jié)構(gòu)溫度場

水化熱是混凝土澆筑過程中溫度上升的主要因素，水化熱是一個不斷變化的過程。因此，混凝土內(nèi)部的溫度場也不是恒定不變的，它是一個動態(tài)變化的過程。假設(shè)混凝土澆筑施工的區(qū)域為R，則R范圍內(nèi)溫度場滿足以下關(guān)系：

(1)

式中，T—溫度；a—導(dǎo)熱系數(shù)；τ—時間；T0—混凝土初始溫度；Tw—進水的溫度；θ0—混凝土最終絕熱溫升；φ、ψ—與水管冷卻效果有關(guān)的函數(shù)。

3.2 溫度應(yīng)力

溫度應(yīng)力主要是由溫差造成的。在涵閘澆筑過程中，混凝土初始溫度與已澆筑部分之間的穩(wěn)定溫度存在溫差，這部分溫差將造成混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力采用下式計算：

(2)

式中，Kp、R、α—應(yīng)力松弛系數(shù)、基礎(chǔ)約束系數(shù)、溫度線膨脹系數(shù)；Ec—混凝土彈性模量；μ—泊松比；k—澆筑初期溫升折減系數(shù)；B—水化熱溫度應(yīng)力系數(shù)；Tf—水化熱形成的溫升；c—體積形變影響系數(shù)；ε0—初始應(yīng)變。Tp—混凝土溫度；Tx—計算溫差幅度。

3.3 數(shù)值模擬模型建立及參數(shù)選取

3.3.1模型建立

建立數(shù)值模擬模型是常用的溫度場分析方法，ANSYS是其中最為常用的數(shù)值模擬軟件，建模簡便、計算效率高，結(jié)果可靠，在工程應(yīng)用、科學(xué)研究中積累了較多的成功應(yīng)用的案例[8-10]。為了研究不同冷卻管布置方式對董寨涵閘施工過程中混凝土溫度控制的影響，按照2m×2m，2m×1m，1m×1m分別建立3種方案進行分析，研究不同方案下董寨涵閘的溫度場及應(yīng)力場。對比方案選取不通水方案，董寨涵閘混凝土澆筑完成后，繼續(xù)通水10d，進水口冷水溫度設(shè)置為10℃。冷水管布置方式如圖1所示。

圖1 冷水管布置方式

3.3.2計算參數(shù)選取

數(shù)值模擬計算參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)取值

3.3.3混凝土徐變假定

混凝土徐變按下式計算：

C(t，τ)=(A1+A2/τα1)[1-e-k1(t-τ)]+

(B1+B2/τα2)[1-e-k2(t-τ)]+De-k3τ[1-e-k3(t-τ)]

(3)

式中，C—混凝土徐變程度；t-τ—持荷時間；k、A、B、D、α—徐變擬合的參數(shù)，見表2。

表2 混凝土徐變參數(shù)取值

3.4 數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

3.4.1溫度場變化特征

在涵閘澆筑過程中第三層的中心點和角點設(shè)置2個監(jiān)測點JC1、JC2，根據(jù)監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析涵閘內(nèi)部溫度場、應(yīng)力場的變化情況。冷卻管通水時間從開始澆筑混凝土開始至混凝土澆筑完成10d后停止。董寨涵閘施工過程中內(nèi)部監(jiān)測點JC1的溫度變化過程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點JC1溫度變化特征

根據(jù)圖2中監(jiān)測點JC1的溫度變化過程可以得知：涵閘澆筑過程中，內(nèi)部溫度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化過程。當(dāng)混凝土內(nèi)部冷卻管通水時，內(nèi)部溫度下降速率大，且冷卻管密度越大，溫度下降速率越大，最終的溫度也越低。當(dāng)涵閘內(nèi)部溫度處于較低水平時，內(nèi)外溫差較大可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。角點監(jiān)測點溫度變化結(jié)果與外部環(huán)境溫度變化基本一致。

3.4.2應(yīng)力場變化特征

混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力場主要是為了分析混凝土澆筑完成后繼續(xù)通水10d內(nèi)的應(yīng)力情況。

涵閘內(nèi)部平行水流方向的應(yīng)力變化情況如圖3所示，從圖中可知：混凝土澆筑完成后的5d內(nèi)，涵閘內(nèi)部的應(yīng)力不斷增大，之后應(yīng)力減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因如下：冷水管冷卻降溫，涵閘內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境之間的溫度逐漸接近，上部混凝土施工澆筑導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓力增大，采用降溫措施后，涵閘內(nèi)部溫度的降低緩解了內(nèi)部應(yīng)力較大的情況。

圖3 監(jiān)測點JC1應(yīng)力變化曲線

涵閘表面平行水流方向的應(yīng)力變化情況如圖4所示，從圖中可知：涵閘表面在施工過程中、施工完成后均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是涵閘內(nèi)部和表面的溫差較大，JC2拉應(yīng)力變化曲線如圖5所示，從圖5中可知，采用1m×1m方式布置冷水管時，最大拉應(yīng)力超過2.1MPa，超過混凝土抗拉強度值，可能導(dǎo)致涵閘表面出現(xiàn)裂縫，造成混凝土施工質(zhì)量下降。

圖4 監(jiān)測點JC2應(yīng)力變化曲線

圖5 監(jiān)測點JC2拉應(yīng)力變化曲線

4 結(jié)論

(1)大體積混凝土澆筑需要結(jié)合施工場地環(huán)境條件采用適宜的措施，以控制混凝土內(nèi)部溫度，減小內(nèi)外溫差，保證混凝土施工質(zhì)量。

(2)施工過程中采用冷水管降溫具有良好的效果，在施工過程中需要控制冷水管間距，當(dāng)間距過大時，溫度控制效果較差；當(dāng)間距過小時，可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差大，表面出現(xiàn)裂縫。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，董寨涵閘冷水管采用2m×1m的布置方式，溫度控制效果良好。