船閘大體積混凝土溫控方案探析

畢洪武+蔡微燦

摘 要：混凝土裂縫問題一直是工程界和學術(shù)界很關(guān)心的問題，裂縫的存在和發(fā)展除了影響建筑物的外觀，使相應(yīng)部位構(gòu)件的承載力受到一定程度的削弱以外，同時結(jié)構(gòu)物裂縫還會引起滲漏、鋼筋銹蝕、混凝土碳化加快、持久強度降低、危及建筑物的正常使用和縮短建筑物的使用壽命。如何減少裂縫的產(chǎn)生一直是學術(shù)界一個非常重要的課題，本文主要探析如何從溫控入手，減少裂縫的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：有限元法 溫度梯度 混凝土保溫 骨料冷卻

1.引言

大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因包括溫度和濕度的變化、混凝土的脆性和不均勻性、結(jié)構(gòu)不合理及不均勻沉降等，一般溫度應(yīng)力均是主因。針對船閘大體積混凝土易開裂這一質(zhì)量通病，錢塘江中上游衢江航運開發(fā)游埠船閘工程通過與科研單位合作，通過試驗方法、數(shù)值仿真計算程序開發(fā)和施工動態(tài)反饋研究，探析船閘底板結(jié)構(gòu)裂縫的形成機理及主要影響因素，提出“科學、可靠、易行、經(jīng)濟”的施工防裂方法和技術(shù)措施，配合現(xiàn)場監(jiān)測及施工動態(tài)反饋，從原材料、優(yōu)化澆筑工藝、通冷卻水循環(huán)等方面入手，控制混凝土內(nèi)外溫差，以減小裂縫的產(chǎn)生概率。通過底板溫控研究成果，形成工法，指導后續(xù)閘墻混凝土施工。

2.工程概況

錢塘江中上游衢江（金華段）航運開發(fā)游埠船閘工程，是金華市在建的最大船閘，同時也是衢江上的第四個船閘。船閘采用整體塢式結(jié)構(gòu)。上閘首底板采平面尺寸為38m×42.5m，底板高度3m，混凝土總方量4845m3，單次最大澆筑方量945m3；下閘首尺寸為30×42.5m，底板高度3m，混凝土總方量3825m3，分三次澆筑完成，單次最大澆筑方量950m3；閘室底板平面尺寸為14.6m×15m×2.5m，單次澆筑方量為547.5m3。

根據(jù)施工安排，底板澆筑時間為2016年1月至2016年8月，為了減小施工期出現(xiàn)危害性裂縫的可能性，減少一般性裂縫的出現(xiàn)，項目部聯(lián)合建設(shè)單位以及河海大學水電學院成立了課題研究組，專門研究了2016年1月開始澆筑的閘首、閘室底板在施工期的溫度、應(yīng)力分布特性，提出了上、下閘首底板施工期溫控防裂措施。

3.冬季溫控方案

在以往的施工過程中，在混凝土澆筑完成后往往只注重了高溫季節(jié)的表面保濕，對于冬季的混凝土表面除了鋪蓋塑料薄膜或者涂刷養(yǎng)護液外，一般不會采取其他的措施。通過混凝土溫度場有限元仿真計算以及混凝土應(yīng)力場有限元仿真計算，在低溫季節(jié)，由于澆筑完成初期混凝土內(nèi)部絕熱溫升很高，表面溫度很低，若不采取相應(yīng)的保溫措施，將會在混凝土表面形成較大的溫度梯度，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

以1月份澆筑的閘首底板為例，通過科研單位建立的有限元模型特征點位如下：

其中，TI、T2、T3、T4、T5點位閘首底板縱截面主要分析點位，所處位置為底板中心，分別對應(yīng)了感應(yīng)探頭埋設(shè)時對應(yīng)的5個測溫點（見圖1），為本次底板溫度研究的主要點位，通過上述5個點位在不同澆筑后僅覆蓋塑料薄膜養(yǎng)護及采用塑料薄膜加2.5cm草席或棉被保溫的方案進行了溫度及應(yīng)力變化情況模擬，得到的結(jié)論如下：采用2.5cm草席或棉被保溫后，輔以原設(shè)計方案的冷卻水管通水方案，晝夜溫差引起的表面溫度日變幅由9℃左右（1月）減小為2℃左右，大大減小了混凝土內(nèi)表溫差，對混凝土防裂較為有利。

3.1感應(yīng)探頭埋設(shè)

首先進行澆筑的為上閘首底板，單次澆筑方量540m3，為了獲取混凝土澆筑后內(nèi)外溫度變化情況，進一步驗證數(shù)值模擬的結(jié)論，選擇合理可行的溫控方案，根據(jù)科研單位建議，先選取典型部位作為試驗段，在混凝土澆筑前在底板內(nèi)部進行溫度傳感器的鋪設(shè)工作，并將屏蔽線連接到多路溫度巡檢顯示記錄儀中，根據(jù)施工安排，選取上閘首2#底板作為試驗段，根據(jù)《大體積混凝土工程施工技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，共布置9個斷面，斷面位置按照規(guī)范要求間距從外至內(nèi)排列，上下依次布置5層共45個測溫點。

3.2數(shù)據(jù)采集

在混凝土澆筑完成后立即開始采集上述45個點位的溫度數(shù)據(jù)，溫度傳感器為無線收發(fā)型，每半個小時采集一次感應(yīng)探頭埋設(shè)位置的溫度，通過無線傳輸至電腦中，可以24小時實時獲取混凝土內(nèi)部每個點位的實時溫度。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，以5#點為例，得出結(jié)論如表1：

根據(jù)有限元模擬結(jié)論，在相同澆筑條件下，如不采取同冷卻水的方式進行內(nèi)部降溫，在冬季，混凝土內(nèi)部最高可達42℃左右，表面溫度基本接近外溫，造成的溫度梯度較大，易產(chǎn)生裂縫，在采取了同冷卻水的降溫方案后，根據(jù)表1采集到的數(shù)據(jù)，5號點中的T1點（表面點）和T3點（中間點）的最大溫差減小至13.1℃，減小了混凝土的內(nèi)外溫差，使溫度裂縫的產(chǎn)生概率大大降低。

4.夏季混凝土溫控方案

夏季大體積混凝土施工過程中，由于混凝土的尺寸較大，其內(nèi)部水泥水化熱難以釋放，必然會產(chǎn)生高溫，為了保證混凝土的施工質(zhì)量，必須對混凝土內(nèi)部溫度及其發(fā)展變化情況進行科學、合理的監(jiān)測，通過監(jiān)測結(jié)果完善溫控措施，確保溫度應(yīng)力不超過混凝土的抗拉強度，避免出現(xiàn)溫度裂縫。為了降低混凝土水化熱，分別從混凝土原材料以及通水冷卻兩個方面進行溫度控制。

4.1原材料控制

原材料控制主要體現(xiàn)為骨料以及拌和水的降溫，從理論來講，液氮降溫為最理想的降溫方案，但該方案成本極大，并非每個工地都適用。針對項目的實際投入情況，本工程采用了冷水機對拌和及噴灑用水的方案將原本15-20度的水降至2-4度，利用降溫后的水在混凝土澆筑前幾小時提前對骨料及膠凝材料進行噴灑及風冷降溫。根據(jù)實測，在室外溫度超過35度的情況下，通過上述方案可將骨料溫度降低至25度左右，拌和水降低至1-3度左右，輔以夜間澆筑的方案，混凝土的入模溫度可降低至28度以內(nèi)，達到混凝土施工規(guī)范的要求。4.2數(shù)據(jù)采集

根據(jù)數(shù)值模擬，在內(nèi)部不采取冷卻水管通水的情況下，內(nèi)部最高溫度達62度，表面溫度基本接近外溫（約35度），混凝土內(nèi)外溫差超過25度，在采用了通冷卻水及控制澆筑溫度等方案進行降溫，通過數(shù)據(jù)采集，混凝土內(nèi)部最大溫度控制在54度左右，有效的降低了內(nèi)外溫差，減小了溫度裂縫出現(xiàn)的概率。

4.3表面養(yǎng)護

夏季混凝土澆筑完成后，非常重要的一點便是表面的保水養(yǎng)護，大多數(shù)表面干縮裂縫出現(xiàn)的原因均為混凝土表面水分的流失導致，所以夏季防裂措施中非常重要的一點為混凝土表面保濕，針對船閘閘墻高度較高，縱向保水難度較大這一特點，項目部自行設(shè)計了全自動噴淋系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用水泵的離心力將養(yǎng)護水抽至閘墻頂，依靠重力作用在表面形成24小時不間斷的水流，在閘墻表面形成一層流動的“水膜”，該水膜除了可以保證閘墻的保水效果以外，因其流動性，可以將混凝土內(nèi)部的溫度帶走，對降低混凝土溫度起到了關(guān)鍵性的作用。

5.實施效果

本工程大體積混凝土自2016年1月份開始澆筑，至2016年10月份主體混凝土澆筑基本完成，橫跨了冬季及夏季兩個施工期，項目部在進行混凝土澆筑的過程中，做好冬季混凝土的保溫以及夏季混凝土的保濕工作，通過對混凝土內(nèi)部溫度的監(jiān)控，及時調(diào)整冷卻水的通水時間及通水流量，確?；炷恋膬?nèi)部最高溫度及內(nèi)外溫差均達到設(shè)計及規(guī)范要求。根據(jù)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，在低溫季節(jié)（1-3月），混凝土內(nèi)部最高溫度控制在36度以內(nèi)，內(nèi)表最大溫差不超過15度；在高溫季節(jié)（6-10）月，混凝土內(nèi)部最高溫度控制在58度以內(nèi)，內(nèi)表最大溫差控制在25度以內(nèi)，取得了較好的溫控效果。截止2016年底，澆筑完成的49塊底板以及80塊閘墻均未發(fā)現(xiàn)裂縫，混凝土的裂縫控制及外觀質(zhì)量得到了相關(guān)單位的一直好評。

參考文獻：

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