港航水工胸墻大體積混凝土水化熱控制研究

◎ 黃迪輝 江西省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司新干航電樞紐分公司

1.工程工況

案例是某前灣碼頭的7～8#泊位擴(kuò)建工程，該工程所建的混凝土胸墻底高程為+2.0 0 m，頂高程為+5.25m，應(yīng)用抗凍等級F300的C40標(biāo)號混凝土。拋石基床上建立沉箱，沉箱上部續(xù)澆筑胸墻。沿碼頭方向，每隔40.00～50.00m設(shè)置一個載重5噸的系船柱。整個碼頭劃分41個施工作業(yè)段，總長約620.00m。胸墻單段規(guī)格為15.12×6.75×3.25m，單段澆筑方量251.80m3，屬于大體積澆筑混凝土構(gòu)件。胸墻混凝土分為上下兩層進(jìn)行澆筑，第1次澆筑+3.30m，第2次澆筑到頂部。通過罐車將混凝土運輸至現(xiàn)場，然后通過泵車泵送入模，最后采用人工分灰、搗振棒搗振、覆塑料膜保水養(yǎng)護(hù)等工藝完成，受到工藝影響，澆筑時間較長，對混凝土的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。

2.混凝土入模溫度

2.1 入模溫度影響下的胸墻溫度場狀態(tài)分析

入模溫度是指混凝土澆筑時的初始溫度，受到日照、拌和水溫度以及環(huán)境溫度等多種因素的影響。提高入模溫度不但會加速混凝土水化反應(yīng)的速度，還會一定程度提高水化反應(yīng)的初始溫度。基于10、15、20、25、30℃的混凝土初始入模溫度，通過有限元模擬計算，得到的胸墻中心測量點溫度變化狀態(tài)具體見表1[1]。

表1 胸墻中心測點不同入模溫度下的溫度峰值與到達(dá)時間

數(shù)據(jù)顯示，隨著混凝土入模溫度的不斷升高，達(dá)到最高溫度的用時對應(yīng)減少，最高溫度和最大表面溫差逐漸增大。因此可以看出，入模溫度變化對胸墻溫度場的影響極大。當(dāng)入模溫度從10℃升高至20℃時，第1層胸墻混凝土達(dá)到最高溫度的時間提早2小時，最大表面溫差增大了30.31%，最高溫度上升了15.80%。第2層入模溫度從10℃升高至20℃時，達(dá)到最高溫度的時間也提前了2小時，最大表面溫差增大了23.26%，最高溫度上升了12.74%。當(dāng)入模溫度從10℃升高至30℃時，第1層混凝土達(dá)到最高溫度的時間提前了4小時，最大表面溫差增大了60.62%，最高溫度上升了31.79%。第2層混凝土入模溫度從10℃升高至30℃時，達(dá)到最高溫度的時間同樣提前了4小時，最大表面溫差增大了38.67%，最高溫度上升了26.28%。

2.2 胸墻大體積澆筑混凝土入模溫度控制環(huán)節(jié)

水工大體積混凝土溫度開裂控制規(guī)范，通常要求入模溫度應(yīng)控制在5～30℃之間。但在夏季高溫等具體環(huán)境下，大體積混凝土澆筑可能會有較高入模溫度，需要在下述環(huán)節(jié)控制入模溫度。

1）雖然粗骨料的比熱相對較低，但其組分占混凝土體積70～80%，發(fā)熱量要占混凝土總發(fā)熱量60.40%，所以控制粗骨料溫度有必要，也是一種效率性選擇。為了骨料的溫度，應(yīng)避免將砂石材料暴曬在陽光下，可以采用灑水降溫和遮陽覆蓋等措施。在混凝土拌合過程中，可以添加適量的冰水或冰屑來降低入模溫度[2]。

2）應(yīng)保證澆注過程的連續(xù)性，提前做好施工組織安排，協(xié)調(diào)相關(guān)部門配合，保障混凝土供應(yīng)連續(xù)均勻，防止因為罐車候車時間太長而造成入模溫度升高的情況。為最大保證混凝土澆筑連續(xù)性，每小時供應(yīng)量不應(yīng)少于50m3。同時應(yīng)提前對運輸罐車施以淋水降溫等措施，控制和防止溫度升高。

3）夏季白天的氣溫較高且日照強(qiáng)烈，水分蒸發(fā)量較大，而夜晚溫度相對較低且變化幅度不大。為此應(yīng)當(dāng)合理安排作業(yè)計劃，盡可能不在氣溫較高的時段特別是炎熱的正午時分進(jìn)行混凝土澆筑。

3.冷卻水技術(shù)的胸墻溫度場影響

為了防止和控制混凝土墻體出現(xiàn)裂縫問題，可以采用預(yù)埋冷卻水管的方法降低混凝土的溫度。冷卻水管選用普通F25×2.50mm鋼管，在混凝土墻體中心截面位置按照“弓”形方式分布兩層，每層分別設(shè)有進(jìn)出口。布置方式如圖1所示。

3.1 水管間距的降溫效果影響

基于0.50×1.50、1.00×1.50、1.50×1.50、2.00×1.50m的4種冷卻水管間距條件下的胸墻中心測點溫度時程曲線見圖2。

圖2 胸墻中心測點溫度時程曲線

圖2曲線顯示，配置冷卻水管可以有效地降低胸墻混凝土溫度峰值。由于胸墻內(nèi)設(shè)有冷卻水管，除了可以通過澆筑材料自身向外散熱，冷卻水管也能帶走相當(dāng)一部分熱量。冷卻水管可以大大澆筑體的散熱面積，顯著降低溫度峰值，并提高降溫速度。冷卻水管降溫，這使胸墻第1層混凝土受第2層混凝土的溫度和應(yīng)力影響大幅降低。

表2數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)采用0.50m的冷卻水管水平間距時，相較于未布設(shè)冷卻水管，胸墻第1層混凝土的溫度峰值降低了9.78℃，內(nèi)外溫度差降低了17.92℃，其中最高溫度峰值減少了15.81%；第2層胸墻混凝土的最高溫度峰值減少了17.89℃，內(nèi)外溫度差分別減少了19.70℃，其中最高溫度峰值減少了23.37%。這顯示冷卻水管采用0.50m間距，能夠得到較佳的控溫效果。當(dāng)冷卻水管采用1.00m的水平間距時，相較于未布設(shè)冷卻水管，胸墻第1層混凝土的最高溫度峰值發(fā)生了4.76℃的降低，內(nèi)外溫度差降低了11.02℃，其中最高溫度峰值減少了7.70%；胸墻第2層混凝土的最高溫度峰值減少了7.45℃，內(nèi)外溫度差降低了7.23℃，其中最高溫度峰值減少了10.57%。冷卻水管使用1.00m的水平間距可達(dá)到良好的控溫效果。然而當(dāng)冷卻水管采用1.50m和2.00m的水平間距時，冷卻水管的控溫功效則相對較差，其溫度峰值基本同于未設(shè)冷卻水管的溫度狀態(tài)，表明水管間距超出一定范圍時，則無法收到降溫功效。

當(dāng)使用0.50m的水平間距時，胸墻第1層混凝土所需的冷卻水管相對理想長度為173.25m，第2層混凝土所需的冷卻水管相對理想長度為128.80m。若采用1.00m的水平間距，則第1層混凝土所需的冷卻水管相對理想長度為92.99m，第2層混凝土所需的冷卻水管相對理想長度為70.00m。當(dāng)使用1.50m的水平間距時，第1層混凝土所需的冷卻水管相對理想長度為64.33m，第2層混凝土所需的冷卻水管相對理想長度為49.00m。但若使用2.00m水平間距時，第1層混凝土所需的冷卻水管相對理想長度為52.86m，第2層混凝土所需的冷卻水管相對理想長度為40.60m。要注意的是，雖然加大冷卻水管的間距可以減少管材的用量，但其冷卻功效并不佳。若冷卻水管間距過小，則不僅會增加管材用量，還會增加施工作業(yè)成本和難度。

3.2 進(jìn)水溫度的降溫效果影響

為了研究冷卻水管的進(jìn)水溫度對冷卻效果的影響，分別選取10℃、15℃、20℃和25℃的進(jìn)水溫度條件進(jìn)行模擬分析，所獲得的不同進(jìn)水溫度下胸墻中心測點的溫度時程變化曲線見圖3[3]。

圖3 不同進(jìn)水溫度下胸墻中心測點的溫度時程變化曲線

圖3在溫度為10℃時，與沒有冷卻水管相比，第1層胸墻的溫度峰值降低了4.92℃，降幅為7.95%；第2層胸墻的溫度峰值降低了8.49℃，降幅為12.04%。在水溫為15℃的情況下，第1層胸墻溫度峰值降低了4.31℃，降幅為6.96%，第2層胸墻的溫度峰值降低了7.63℃，降幅為10.57%。當(dāng)水溫為20℃時，第1層胸墻的溫度峰值降低了3.06℃，降幅為4.95%，第2層胸墻最高溫度峰值降低了6.79℃，降幅為9.62%。若采用進(jìn)水溫度為25℃，第1層胸墻最高溫度峰值降低了3.71℃，降幅為5.99%，第2層胸墻最高溫度峰值降低了5.92℃，降幅為8.40%。由此可知，越低的進(jìn)水溫度，越有助于提高降溫效果。

4.結(jié)語

基于工程案例，以防范港航水工胸墻混凝土開裂為目標(biāo)，梳理介紹了港航水工胸墻大體積混凝土水化熱控制相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。具體包括：

（1）入模初始溫度的升高，水化反應(yīng)速度會對應(yīng)提高，從而縮短達(dá)到初凝和終凝所需時間，形成和加劇胸墻混凝土表面開裂的工程隱患。

（2）有必要在下述環(huán)節(jié)控制入模溫度。控制粗骨料溫度；保證澆注過程的連續(xù)性；應(yīng)當(dāng)合理安排作業(yè)計劃，盡可能不在氣溫較高的時段特別是炎熱的正午時分進(jìn)行混凝土澆筑。

（3）合理利用和配置冷卻水管間距。案例采用1.00～1.50m的冷卻水管水平向間距配置，垂向間距則采用中間層厚度進(jìn)行布置。

（4）合理控制冷卻管進(jìn)水溫度。一般情況下冷卻管進(jìn)水溫度越低越有利于胸墻水化熱的散失，但還要注意到較大的溫度差，容易造成胸墻混凝土強(qiáng)度在緊鄰冷卻水管區(qū)域不均衡發(fā)展，引發(fā)溫度裂隙或影響胸墻整體強(qiáng)度。案例工程泵取所在水域20℃左右的海水作為冷卻水。