大型常態(tài)混凝土閘墩快速澆筑的溫控防裂方法研究

楊橋培 劉敏芝 強(qiáng) 晟 王承恩

（1.重慶航運(yùn)建設(shè)發(fā)展有限公司，重慶 401121；2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，南京 210098）

在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展的今天，在能夠保證施工質(zhì)量的前提下，最大限度地縮短施工周期，提前創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，無疑是對當(dāng)前工程建設(shè)的一種潛在要求，因此如何根據(jù)具體工程提出可行的快速施工方案則順理成章地成為工程界關(guān)注的焦點(diǎn)［1－3].

水利工程界存在大量的薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，比如水閘、渡槽、泵站等，這些結(jié)構(gòu)相對比較單薄且混凝土水化放熱量大易開裂，其裂縫問題一直是工程師們所面臨的一大難題.而當(dāng)為了加快施工進(jìn)度，采取增加混凝土層的一次澆筑厚度或縮短混凝土間歇時(shí)間的快速澆筑方法時(shí)，采取合理的防裂措施就顯得更為重要.為此，本文提出了針對快速澆筑的溫控防裂措施，并結(jié)合工程實(shí)例證明這些措施能夠切實(shí)有效地滿足工程防裂要求.

1 混凝土的快速澆筑

混凝土的施工速度與周期基本決定著整個(gè)水電工程的進(jìn)展和工程發(fā)揮效益的時(shí)間，而混凝土的快速澆筑是實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)快速建設(shè)的主要途徑.混凝土快速澆筑涉及的因素很多，在實(shí)際工程建設(shè)中，澆筑層厚和澆筑間歇期是限制澆筑進(jìn)度的兩個(gè)重要因素.

混凝土澆筑層厚度對其最高溫度和溫度應(yīng)力有顯著的影響，也影響混凝土結(jié)構(gòu)的施工工期.限制澆筑層厚的一個(gè)重要原因是混凝土水化熱的散去，厚層混凝土比薄層混凝土更難散去水化熱，將造成內(nèi)外溫差過大.選擇合理的澆筑間歇對控制混凝土最高溫度、施工強(qiáng)度、工程工期有重要意義.間歇期過短勢必增加混凝土生產(chǎn)、澆筑、碾壓、立模、拆模的強(qiáng)度.混凝土每一升程的間歇時(shí)間越長，混凝土的整體性越差，上下層溫差也就越大，下層混凝土對上層混凝土的約束越大，開裂的可能性就越大.間歇期長，有利于混凝土層面散熱，但會影響施工進(jìn)度和應(yīng)力狀態(tài)，因此需要研究合理的澆筑間歇期［3].

2 常用的溫控防裂措施

降低混凝土的最高溫度、內(nèi)外溫差、溫變速率，以降低混凝土的溫度應(yīng)力是施工防裂工作中的關(guān)鍵內(nèi)容.目前，閘墩混凝土的溫控防裂措施主要有混凝土表面保溫、水管冷卻、控制澆筑溫度等.

如果沒有對混凝土表面采取任何保溫措施，施工溫升期內(nèi)外溫差較大，同時(shí)受晝夜溫差的影響，表面混凝土的溫度和應(yīng)力都有明顯波動.早期表面混凝土的內(nèi)外溫差達(dá)到一定程度時(shí)，開裂風(fēng)險(xiǎn)就很大.因此，在早期對混凝土的表面和倉面采取適度的保溫措施是很有必要的［4－5].水管冷卻和控制澆筑溫度對減小混凝土內(nèi)外溫差和最高溫度較為有效.施工期通冷卻水可以降低混凝土的內(nèi)部溫度、減小內(nèi)外溫差和溫度峰值，無論對表面混凝土還是對內(nèi)部混凝土的防裂作用都是很有效的［6].但是混凝土作為熱的不良導(dǎo)體，相對于水管冷卻，控制澆筑溫度對控制溫降期的混凝土拉應(yīng)力更為有效［7].同時(shí)，采用低熱水泥也是非常有效的溫控方式，能夠顯著降低混凝土的溫度峰值.

在所有的溫控防裂措施中，通常以控制混凝土澆筑溫度和采用低熱水泥的代價(jià)最高，因此盡量用加強(qiáng)其他溫控措施的力度來補(bǔ)償因放寬澆筑溫度措施所帶來的溫控防裂效果的損失.這樣所提出的溫控防裂方法往往會更加具有“科學(xué)、可靠、易行、經(jīng)濟(jì)”的特點(diǎn)，且同樣有效，還更易加快施工速度，縮短工期.

3 工程實(shí)例

3.1 仿真模型與工況布置

位于重慶的草街航電工程為嘉陵江上以航運(yùn)發(fā)電為主要功能的大型工程，采用常態(tài)混凝土進(jìn)行施工，其右岸泄洪閘閘墩的高度和長度均超過40m，強(qiáng)度等級為C40，混凝土發(fā)熱量大，溫控防裂難度較大.為確保按時(shí)竣工發(fā)電，需要加快施工進(jìn)度，擬采用厚層短歇方式進(jìn)行閘墩混凝土施工.因此，快速施工條件下的溫控防裂問題需深入研究.

由于底板結(jié)構(gòu)已經(jīng)澆筑完成且間歇時(shí)間較長，根據(jù)該結(jié)構(gòu)的具體形式和規(guī)范的有關(guān)定義，認(rèn)為底板以上14.0m范圍內(nèi)混凝土屬于閘墩強(qiáng)約束區(qū)，超過這個(gè)范圍的均為閘墩弱約束區(qū).本次仿真計(jì)算借助采用含冷卻水管的大體積混凝土溫度場離散迭代計(jì)算方法的程序，得出較為精確的計(jì)算結(jié)果［7].仿真計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示.

圖1 仿真計(jì)算網(wǎng)格

為了對比普通澆筑方法和快速澆筑方法的異同，精選典型計(jì)算工況如下：

工況1：閘墩第一個(gè)澆筑層厚2.0m，其余澆筑層厚3.0m，間歇期7d.通水冷卻措施如下：采用內(nèi)徑4.0cm的鐵管，布置的垂直距離×水平距離為1.5m×1.0m；澆筑完即開始通10.0℃的人工冷卻水，冷卻3d，流量5.42m3／h，通水過程中水流一天換向一次.側(cè)面鋼模板外貼4.0cm厚的聚乙烯苯板，30d拆模；倉面覆蓋2.5cm厚的大壩保溫被，直至上層混凝土澆筑.澆筑溫度控制為20.0℃.

工況2：澆筑間歇期為3d，側(cè)面20d拆模，其余同工況1.

工況3：其余澆筑層厚6.0m，間歇期為3d，冷卻水流量8.14m3／h，側(cè)面15d拆模，澆筑溫度控制為15.0℃，其余同工況1.

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

文獻(xiàn)［8]的計(jì)算結(jié)果指出，閘墩強(qiáng)約束區(qū)應(yīng)力大于弱約束區(qū)應(yīng)力，而門槽附近應(yīng)力大于其余部位應(yīng)力，如果強(qiáng)約束區(qū)門槽附近混凝土不開裂，其他區(qū)域混凝土開裂的可能性就較小.因此，常態(tài)混凝土閘墩最易裂部位發(fā)生在門槽下部以及與底板溢流面相接的強(qiáng)約束區(qū).為節(jié)省篇幅，突出關(guān)鍵問題，本文只選取強(qiáng)約束區(qū)和門槽下部的特征點(diǎn)做重點(diǎn)分析，工況1與工況2的特征點(diǎn)位置如圖2所示［9－10].

圖2 工況1與工況2特征點(diǎn)位置

3.2.1 工況1的計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)采取合理的表面保溫、水管冷卻和控制澆筑溫度的溫控措施后，強(qiáng)約束區(qū)和門槽下部的特征點(diǎn)的早期應(yīng)力都較小，因此整個(gè)閘墩的應(yīng)力狀態(tài)都比較安全，滿足施工防裂要求.

3.2.2 工況2的計(jì)算結(jié)果分析

從工況2的歷時(shí)曲線來看，縮短間歇期后，意味著倉面的散熱時(shí)間減少，內(nèi)部混凝土溫度的下降相對變緩，內(nèi)部溫度增大，內(nèi)外溫差相對較大.與工況1比，表面混凝土早期的拉應(yīng)力也較大一些，如工況2和工況1兩種情形在4號表面特征點(diǎn)3.25d齡期的拉應(yīng)力分別為0.29MPa和0.17MPa.

同時(shí)，工況2中上層混凝土從下層混凝土3d齡期時(shí)開始澆筑，此時(shí)的彈性模量肯定要小于7d時(shí)的彈性模量，因此兩層混凝土的變形協(xié)調(diào)性也要好于工況1的情形，工況2的內(nèi)部點(diǎn)拉應(yīng)力也要相對小些.20d拆模時(shí)，表面混凝土的溫度降幅在5.0℃左右，基本不會產(chǎn)生裂縫.仿真結(jié)果表明，縮短間歇期的方案不僅有利于加快施工進(jìn)度，提前創(chuàng)造收益，而且能緩解閘墩結(jié)構(gòu)上下澆筑層之間的不協(xié)調(diào)性，至于表面早期增加的拉應(yīng)力也在防裂安全允許范圍內(nèi).因此，從應(yīng)力安全角度而言，縮短間歇期的方案是可行的.

3.2.3 工況3的計(jì)算結(jié)果分析

加大澆筑層厚度后，重新選取特征點(diǎn)如圖11所示.從歷時(shí)曲線圖可以看出，雖然澆筑層厚增加了，但通過加大冷卻水流量和適當(dāng)降低澆筑溫度的方式，混凝土的溫度并未明顯增加.本工況中間歇期縮短也有利于減小上下層約束，因此，各特征點(diǎn)的拉應(yīng)力都有所降低.結(jié)果表明，通過加大冷卻流量和適當(dāng)降低混凝土的澆筑溫度，即使在采取較厚澆筑層的快速施工，也能夠保證工程防裂要求.整個(gè)閘墩在一個(gè)月內(nèi)即可澆筑完成，不僅大大推進(jìn)了施工進(jìn)度，更有利于提高閘墩混凝土的抗裂性能.

4 結(jié) 論

針對大型常態(tài)混凝土閘墩的快速澆筑提出了兩種快速澆筑方案，澆筑層厚3.0m和間歇期3d以及澆筑層厚6.0m和間歇期3d.仿真結(jié)果表明，從應(yīng)力安全的角度而言，縮短間歇期的方案是可行的，不僅有利于加快施工進(jìn)度，提前創(chuàng)造收益，并且對閘墩結(jié)構(gòu)來說，能緩解上下澆筑層之間的變形不協(xié)調(diào)性.若同時(shí)采取縮短間歇期和加厚澆筑層，通過增加低溫冷卻水流量和適當(dāng)降低混凝土的澆筑溫度，即使在強(qiáng)約束區(qū)采取較厚澆筑層的快速施工，也完全能夠保證工程防裂要求.因?yàn)閷τ诖笮烷l墩快速施工沒有先例，所以現(xiàn)場施工實(shí)際采用了折中方案，將澆筑層厚從2.0～2.5m增加到4.5m，最終工程按時(shí)完工蓄水，且防裂效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo).

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