水利工程泵站混凝土防裂及溫控設計研究

林世巍

(營口市水利勘測建筑設計院,遼寧 營口 115000)

0 引 言

在混凝土使用過程中,存在著許多技術上的困難[1]。其中,混凝土的裂縫問題是當前科研與施工所面臨的最大難題。混凝土的材料性能會隨著時間而變化,在澆筑完畢后,混凝土材料因其自身的拉伸強度較弱,如果受到溫度應力、外力等影響,就會產生裂紋[2]。目前,混凝土結構中普遍存在著裂縫情況,結構中的裂縫將嚴重影響自身的服役壽命以及結構系統的穩定性[3],應根據施工項目的具體要求,采取相應的處理措施。

針對混凝土溫度控制與防裂技術,許多學者進行了不斷的摸索和研究。陳政[4]為了提高泵站大體積混凝土在運行周期內的應用質量,以某水利工程項目為例,對其泵站大體積混凝土的溫控防裂技術進行了研究,結果表明,通過控制溫度參數,可減少裂縫產生,提升泵站大體積混凝土的整體安全性能。張弢[5]針對混凝土澆筑早期易產生裂縫的問題,利用仿真計算,選取合理的溫控措施及指標來指導施工,以規避泵站混凝土裂縫。本次研究主要針對水利工程泵站混凝土防裂及溫控進行設計。

1 水利工程泵站混凝土的溫控防裂

1.1 混凝土溫度控制

在水利工程項目中,大體積混凝土結構施工的廣泛運用,能夠確保大體積混凝土結構在其運行全周期內更加可靠地運作。在混凝土早期裂縫形成過程中,溫度應力的作用是最基本的原因,這一點已經得到理論和實踐的證實。在混凝土中,由于水化熱的影響,其內部和外部存在著較大溫度差,這種溫度差會引起內部和外部的不均勻收縮,而這些不規則的突變對混凝土本身產生較大沖擊,進而引起內部和外部的開裂[6]。在初期階段,混凝土會發生水化作用,水化熱隨著混凝土等級的增加而加劇。在混凝土初凝固階段,溫度荷載是重要的開裂因素。通過不斷地優化混凝土養護措施,可降低裂縫現象發生的概率,延長建筑物的使用時間,提升規定范圍內的最大承載能力。

針對當前水利工程泵站存在且影響較大的溫度控制及防裂問題,需要積極從各方面采取對應措施,包括但不限于降低混凝土澆筑溫度、注重混凝土表面養護、施工期觀測等方面。此外,還應對砼施工程序及進度進行合理有序的安排,以規避表面有害裂縫產生[7]。同時,對原材料溫度及其他參數進行控制,以降低混凝土的出機口溫度。計算混凝土進入倉庫的溫度和澆灌溫度,并嚴格控制混凝土的澆灌溫度,提升混凝土進入倉庫時的強度。盡量避免在高溫時間打開倉庫,采取合理措施,降低混凝土發生熱交換的頻率,計算混凝土水化熱絕熱溫升和中心最高溫度,減小混凝土內部和外部的溫度差。

為了對泵室流道混凝土的最高溫度進行有效控制,將混凝土的內外、基礎溫差進行有效降低,減小混凝土澆筑初期的水化熱溫升,改善施工階段的溫度場分布,提高泵室流道施工期間的溫度場,預防和減小混凝土的表層開裂,采用通水冷卻的方式來控制混凝土的溫度。冷卻通水的施工程序見圖1。

圖1 冷卻通水施工工藝過程

由圖1可知,在通水冷卻過程中,主要分為初期、中期和后期冷卻3個階段。在正式上水降溫前,必須檢查管道情況,觀察是否存在漏水、堵塞等情況;還要對溫控量測設備的運行狀態進行檢測,并檢查預埋件的安裝進度及情況。當確認預埋件合格時,即可進行通水冷卻。在3期通水冷卻過程中,需要對各種不同情況進行監測和跟蹤,包括不同的氣溫、澆筑溫度等,構建溫度-時間曲線,并展開核查和工作總結,以便于指導混凝土的溫度控制[8]。

施工準備中,需要對冷卻水管倉面等進行布置和管理,并保證冷卻水管具有足夠的儲備量。初期通水冷卻的目標是:①將澆筑層混凝土初期的水泥水化熱溫升降到最低;②將底板和流道的混凝土內外溫差降到最低;③將中期通水冷卻初期的混凝土溫度降到最低,降低溫度應力。冷卻水管中的水源來自于地下水,并將溫度控制在14℃。需要保證混凝土溫度和水溫之間存在差異,在初期冷卻階段的差異值不能超過25℃。在下料之前,先用水沖洗一下,也能降低管道被水泥壓壞的幾率。在混凝土中心建立最高氣溫的警報機制,根據現場實際溫度檢測數據,當混凝土溫度升高太快時,如果混凝土的溫度預期高于允許的設計值,應提前增加排水能力,通過采取降低出水溫度等方法來控制水溫[9]。

在首次通水冷卻完畢后,應進行徹底的悶水測溫,以判斷對混凝土的降溫效果是否滿足設計要求。如果不能滿足要求,則要持續進行水冷工作,直至達到設計要求。在有初期通水冷卻的情況下,砼最高溫度應被計算在通水冷卻散熱后混凝土的最高溫度中,計算公式如下:

(1)

式中:Tm為混凝土新澆筑層的最高溫度;Tp為新澆混凝土的澆筑溫度;E1、E2分別為混凝土散熱殘留比;Tr為混凝土的水化熱溫升;X1為水管散熱殘留比。

在溫度驟降或溫度較低的季節,應及早采取表面防護措施。該方法既可減少砼表層溫度梯度,又可減少內部溫差,還可維持表層水分,避免裂縫產生。在混凝土表層防護方面,應根據混凝土表層防護的目標,采取相應的防護措施,既可起到防凍作用,又可起到防止裂縫作用[10]。一般而言,抗凍害是短暫性的,而抗裂害性則是長期性的。因此,在進行材料和結構保護時,需要對長短匹配進行把控。表面保護材料的放熱系數表達式如下:

(2)

式中:δi第i層保護材料的厚度;λi為第i層保護材料的導熱系數。

在澆筑混凝土時,要用棉氈和塑料布覆蓋。炎熱的季節里,保溫措施為覆蓋棉氈,利用混凝土對澆筑抹面之后,需要采取噴灑的方式對其進行養護。在嚴寒季節,為了保證砼不凍融,保持其正常的硬化狀況,但混凝土將很快冷卻并出現裂縫。針對混凝土的溫度,將展開實時監控,為了保障混凝土溫度控制的安全運行,還將建立提前預警系統,成立溫控領導小組,并配備專門的溫控團隊,對受內外表面溫差大影響的部位進行重點監測。

1.2 有限元數值模擬

研究擬采用MIDAS CIVIL軟件,對混凝土收縮徐變等方面展開研究,構建大體積混凝土的三維有限元模型,并進行數值模擬。同時,對混凝土中水化熱引起的溫度場進行模擬和預測,以期對施工中可能遇到的問題進行預警,從而對不利的裂縫進行有效控制[11]。在計算之前,需要設定相關參數,具體內容見圖2。

圖2 計算假定參數內容

對圖2中的相關參數進行設定后,對混凝土材料進行配合比,并計算絕熱溫升值情況和模型的邊界條件。其中,大體積混凝土的最高溫度由3個部分的熱量組成,包括混凝土的澆筑和散熱溫度,以及通過水泥自身的水化熱而產生的溫度升高情況。如果混凝土上有模板或保溫層,在計算過程中,使用絕熱邊界條件。同時,采用放熱系數法,對模板和絕緣材料進行計算。考慮到混凝土表面使用保溫材料來保濕、保溫,應選取合適的表面保溫材料[12]。在施工方面,還要考慮混凝土的入模溫度與環境溫度、運輸時間等因素之間的關系,進而選取合適的入模溫度。

以大體積混凝土為研究對象,分別進行了冷卻水管布置前、冷卻水管設計3種不同水平距離排水管道后的計算。通過數值模擬,研究了大體積混凝土在不同施工階段內外溫度場的分布規律和變化情況。通過對MIDAS CIVIL進行分析,得出的混凝土抗壓強度發展方程與原材料公司給出的試驗數據基本一致。

2 水利工程泵站混凝土防裂及溫控分析

2.1 有限元數值模擬結果

本次研究計算的水利工程泵站混凝土結構長寬高分別為15、10、6m,對其進行切割劃分有限元網絡。混凝土強度等級為C30W4F100,排列的3種不同水平間隔分別從500至1 500 mm,以500mm為倍數遞增以分為3組,并對3組進行計算及分析。對間距500、1 000、1 500mm的冷卻水管布置情況進行仿真分析,并比較不同測點上的最高溫度,結果見表1。

表1 不同測溫軸線位置下的混凝土測點溫度波峰及波峰出現時間

由表1可知,在靠近上部表面處,峰值出現的時間提前,后續冷卻速率加快;在靠近下表面的地方,峰值出現的時間較晚,隨后的冷卻速度較慢。在大體積混凝土中,冷卻水管的橫向距離越短,降溫的效果會更好。在施工過程中,采取設置冷卻水管的方式,可以有效加速混凝土的降溫。為了提高施工進度,放置好冷卻水管,并將混凝土表面的養護提前拆除,以方便下一步的操作。當間距為500mm時,最大溫度在結構長邊邊緣處48h出現,為56.9℃;在結構短邊邊緣處48h出現了最高溫度,為58.7℃;在結構中心處48h出現了最高溫度,為58.7℃。

2.2 泵站混凝土防裂及溫控結果分析

對泵站的混凝土防裂及溫控結果進行分析,在水利工程泵站中布置8組觀測點,并為進水口先放置測點,以測得初始溫度。然后在其他位置展開布控,分別為出水口、管道等位置,以獲得整體混凝土的溫度變化情況。選擇與模型仿真相對應的幾個測量點,構造短側邊芯和頂面(通道27、通道28)的溫度數據,與外面的環境相比,在澆灌混凝土之前和之后,現場的監測工作持續120h。在整個過程中都保持有水,所測量到的核心與在結構中央的頂面測量點以及外界環境的溫度變化曲線見圖3。

圖3 中心測點溫度-時間變化圖

因為澆筑混凝土是一天一夜的時間,所以外部環境的溫度監測是在澆筑混凝土入模后開始,所以在5月1日下午2點之后,通道2的數據才會出現。由圖3可知,通道37和通道38兩個測點的變化趨勢相同,且其變化受外部溫度的影響很大;實測點的溫度隨時間的變化規律和數值計算的結果一致;芯部測點中央區域的最高溫度為57.45℃。

對混凝土結構長邊邊緣溫度測點的溫度實測變化曲線進行分析,結果見圖4。由圖4可知,各測點在結構長邊緣芯和上邊緣處的變化趨勢一致。結構長邊邊緣的芯部在當混凝土澆筑后第42-第48小時產生最高溫度,為55.66℃,這個時間和數值計算的結果幾乎沒有差別。這是由于長側有較大的散熱區,再加上混凝土澆筑完成后,不斷流動的水帶走大量的熱量,讓室外的溫度降至假設的21.5℃左右。

圖4 結構長邊邊緣測點溫度-時間曲線

對混凝土結構短邊邊緣測點的溫度實測變化曲線進行分析,結果見圖5。由圖5可知,在混凝土澆筑后36～104h,其最大溫度可達59.9℃。這是一種非常危險的情況,因為在混凝土中不斷加熱,很容易造成混凝土開裂。

圖5 短邊邊緣測點溫度-時間曲線

流道結構各測點混凝土溫度場的特征數據果見表2。由表2可知,由于最大溫度差出現的瞬間很短,所以流道混凝土結構內外溫度差最大出現在結構短側面的邊緣上,此時混凝土尚未完全凝固,氣溫處于快速上升階段,而且工程中也未發現大量的混凝土產生裂縫,由此可以推斷內部和外部的溫差符合控制溫升的設計要求。

表2 流道結構中每一測點混凝土溫度場的特性數據

3 結 論

為了有效控制混凝土的溫度與裂縫,本文對混凝土的溫度進行了計算與控制,并進行了有限元分析模擬。結果表明,在大體積混凝土中,冷卻水管的橫向距離越短,其降溫效果越顯著。在通水降溫的實施過程中,利用冷卻水管能夠促進混凝土內部溫度下降,實測點的溫度隨時間的變化規律與數值計算的結果一致。芯部測點中央區域的最高溫度為57.45℃,結構長邊邊緣的芯部達到的最高溫度為55.66℃。