大體積混凝土快速施工防裂方法研究

賴華玲,王銀鋼,

(1.天臺(tái)縣農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室,浙江 天臺(tái) 317200;2.天臺(tái)縣里石門水庫管理局,浙江 天臺(tái) 317200)

1 問題的提出

混凝土是由水泥、骨料等多種基材組成的多相復(fù)合材料。隨著水化反應(yīng)向外釋放出熱量,內(nèi)部溫度不斷升高,混凝土表面與內(nèi)部存在溫差;后期隨著溫度降低至基礎(chǔ)溫度,混凝土產(chǎn)生基礎(chǔ)溫差[1-2]。在水工混凝土中,溫差導(dǎo)致的變形是混凝土開裂的主要原因之一?；炷翝仓?由于水泥水化放熱和混凝土表面散熱,混凝土溫度在時(shí)間和空間上都不斷變化,產(chǎn)生溫度變形和溫度應(yīng)力,有時(shí)溫度應(yīng)力在數(shù)值上可能超過其他外荷載引起的應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土拉裂[1-3]。

隨著高性能泵送混凝土、厚澆筑層、短間歇等快速施工技術(shù)的推廣應(yīng)用,混凝土施工期開裂現(xiàn)象越來越普遍,為混凝土溫控防裂研究帶來困難。為此,在了解混凝土溫度變形機(jī)理的基礎(chǔ)上建立相應(yīng)計(jì)算模型,進(jìn)行混凝土裂縫成因和快速施工防裂措施研究,對(duì)提高混凝土抗裂安全度十分必要。

2 仿真計(jì)算原理

混凝土內(nèi)任意一點(diǎn)的不穩(wěn)定溫度場T(x,y,z,t)均滿足熱傳導(dǎo)連續(xù)方程[1]:

式中:T為溫度,℃;a為導(dǎo)溫系數(shù),m2/h;θ為混凝土絕熱溫升,℃;t為時(shí)間,d;τ為齡期,d。

對(duì)混凝土內(nèi)部冷卻水管而言,基于傅立葉熱傳導(dǎo)定律和熱量平衡條件,可得水管沿程水溫的增量[1、3]:

式中:λ為水管導(dǎo)熱系數(shù),W/(m· ℃);c、ρ、q分別為冷卻水的比熱,kJ/(kg·℃)、密度,kg/m3和流量,m2/d;s為管壁面積,m2。

根據(jù)公式 (2),若已知冷卻過程中水管入口溫度,冷卻水管沿水流方向可逐段推求沿程管內(nèi)水體的溫度。水管的沿程水溫與溫度梯度有關(guān),因此帶冷卻水管的混凝土溫度場是一個(gè)邊界非線性問題,求解溫度場需通過迭代法逐步實(shí)現(xiàn)。

在溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力荷載作用下,壩體混凝土的應(yīng)變?cè)隽堪囟葢?yīng)變?cè)隽?、彈性?yīng)變?cè)隽恳约白陨w積應(yīng)變?cè)隽康?即:

3 混凝土材料參數(shù)

某樞紐工程大壩為混凝土重力壩,壩高46.2 m,混凝土約12萬m3。由于總進(jìn)度的緊迫性,為縮短施工間隔時(shí)間,通過增加澆筑層厚度,減少混凝土澆筑次數(shù),則可相對(duì)延長鋼筋安裝、模板支撐、混凝土澆筑和拆模的周期,從而保證工期。增加澆筑塊體厚度后,混凝土基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差將增大,不利于混凝土溫度裂縫控制,為此結(jié)合地區(qū)的氣象特點(diǎn)對(duì)不同澆筑層厚度混凝土溫控防裂措施進(jìn)行分析和探討。

按壩體構(gòu)造部位,混凝土等級(jí)可分為:迎水面和底板為C9020混凝土,溢流面為C9025混凝土,大壩中間填充體為C9015混凝土。不同部位混凝土的配合比見表1。

表1 混凝土施工配合比表

根據(jù)有關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)資料,混凝土熱學(xué)性能取值見表2。

表2 混凝土熱學(xué)性能表

4 溫控防裂措施研究

為加快施工進(jìn)度,控制澆筑層厚度為3.0 m,層間間歇期為7,10,15 d進(jìn)行計(jì)算分析;對(duì)冷卻水管布置形式分別為3.0 m×2.0 m和1.5 m×2.0 m進(jìn)行對(duì)比分析。冷卻水管采用塑料水管,內(nèi)徑 28 mm,壁厚2 mm,通水流量 20 L/min。初期冷卻水溫取10～13℃,混凝土收倉即開始通水,冷卻時(shí)間為15～20 d。不同層間間歇和水管布置形式時(shí)混凝土內(nèi)部溫度見表3。

表3 不同層間間歇和水管布置形式混凝土內(nèi)部最高溫度表

在自然冷卻狀態(tài)下,層間間歇7 d時(shí)混凝土內(nèi)部最高溫度38.1℃,間歇10 d時(shí)內(nèi)部最高溫度37.6℃,間歇15 d時(shí)內(nèi)部最高溫度37.2℃,超過設(shè)計(jì)允許的最高溫度,必須進(jìn)行通水冷卻。當(dāng)采用3.0 m×2.0 m的水管布置形式進(jìn)行冷卻時(shí),混凝土內(nèi)部最高溫度較無水管冷卻時(shí)降低3～4℃;當(dāng)采用1.5 m×2.0 m的水管布置形式時(shí),混凝土內(nèi)部最高溫度較無水管冷卻時(shí)降低約5～6℃。根據(jù)計(jì)算,采用1.5 m×2.0 m的水管布置形式后,大壩壩體最高溫度在設(shè)計(jì)允許最高溫度范圍內(nèi),基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

混凝土內(nèi)部埋設(shè)和不埋設(shè)水管進(jìn)行冷卻時(shí),不同層間間歇期混凝土內(nèi)部溫度歷時(shí)見圖1、2。無內(nèi)部水管冷卻時(shí)混凝土內(nèi)部溫度主要有2個(gè)峰值,一個(gè)峰值出現(xiàn)在上層混凝土澆筑前,另一個(gè)峰值出現(xiàn)在上層混凝土澆筑后。由此可見,無內(nèi)部冷卻水管時(shí),表面散熱是混凝土的主要散熱方式。層間間歇越短,混凝土內(nèi)部溫度越高,基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差越大,混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)越大。在混凝土內(nèi)部埋設(shè)水管進(jìn)行冷卻后,內(nèi)部溫度峰值出現(xiàn)在上層混凝土澆筑前,此次內(nèi)部水管冷卻成為混凝土的主要散熱方式,層間間歇期長短對(duì)混凝土最高溫度影響較小。

圖1 無水管冷卻時(shí)不同層間間歇混凝土溫度歷時(shí)曲線圖

因此,從溫度控制上采用厚澆筑層,短間歇的快速施工方法完全可行。增加澆筑層厚度,縮短層間間歇時(shí)間減少了混凝土與周圍環(huán)境的熱交換能力,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度升高,基礎(chǔ)溫差增大。在混凝土內(nèi)部埋設(shè)水管冷卻后,混凝土內(nèi)部溫升明顯降低,且隨著水管層距和間距的縮小,混凝土通過水管散發(fā)的熱量增多,內(nèi)部溫升幅度減小,溫降收縮變形量也隨之減小。通過在混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管可有效削減混凝土的早期內(nèi)外溫差、溫升幅度,有效地彌補(bǔ)了層間間歇期縮短后混凝土內(nèi)部熱量無法及時(shí)散發(fā)所帶來的缺陷。因此,為加快施工進(jìn)度,在厚澆筑層和短間歇情況下,為控制混凝土的溫升幅度,降低基礎(chǔ)溫差和內(nèi)外溫差最有效的方法是采用內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管。隨著混凝土內(nèi)部冷卻水管仿真計(jì)算的成熟,內(nèi)部水管冷卻技術(shù)在越來越多的工程中得到應(yīng)用[4-5]。

5 結(jié) 語

混凝土防裂是一個(gè)綜合性問題,選擇混凝土施工方法與過程、合適澆筑時(shí)間和施工縫以及優(yōu)化材料配合比在一定程度上可降低混凝土的溫度變形,但不能從根本上解決混凝土施工期開裂問題,還需依靠混凝土表面保溫和內(nèi)部水管導(dǎo)熱降溫等措施。無論是高溫季節(jié)還是低溫季節(jié),混凝土施工應(yīng)以優(yōu)化混凝土配合比、控制澆筑溫度、表面保溫措施、內(nèi)部降溫措施、合理施工過程和適當(dāng)分縫分塊等綜合措施來防止施工期混凝土裂縫的出現(xiàn),達(dá)到溫控防裂的目的。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制 [M].北京:中國電力出版社,1998.

[2]龔召熊,張錫祥,肖漢江,等.水工混凝土的溫控與防裂[M].北京:中國水利水電出版社,1999.

[3]朱岳明,徐之青,賀金仁,等.混凝土水管冷卻溫度場的計(jì)算方法 [J].長江科學(xué)院院報(bào),2003(2):19-22.

[4]朱岳明,賀金仁,石青春.龍灘大壩倉面長間歇和寒潮冷擊的溫控防裂分析[J].水力發(fā)電,2003(5):6-9.

[5]吉順文,朱岳明,許樸,等.龍口混凝土重力壩齒槽及長間歇期倉面防裂研究 [J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào),2008(2):12-15.