大體積混凝土溫度智能補償試驗研究

田 斌 杜 彬， 張 磊 樂 陽

(1. 三峽大學 水利與環(huán)境學院， 湖北 宜昌 443002； 2. 宜昌天宇科技有限公司，湖北 宜昌 443002)

隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，高壩建設中混凝土壩不斷涌現(xiàn)，在混凝土高壩建設不斷發(fā)展的同時，混凝土壩“無壩不裂”問題也備受學術界和工程界高度關注．對于混凝土壩這類大體體積混凝土結構而言，在復雜的服役環(huán)境下大壩混凝土的性能從退化直到壽命終止均與混凝土開裂密切相關，因此，控制溫度、防止開裂是基本要求．大壩混凝土在施工期及運行期的裂縫對其結構安全性及服役壽命影響顯著，對大壩混凝土進行溫控防裂及相對恒溫恒濕及保護[1-4]成為人們普遍關心的熱點問題．大壩混凝土結構開裂大多是由非荷載因素引起的，即大壩混凝土結構內濕度分布、擴散及變化以及溫度變化引起的混凝土體積膨脹或收縮受到約束而導致其中拉應力過大所致[5]．

大壩混凝土在澆筑初期壩體內會由于水泥的水化反應產生大量的水化熱而使壩體內部溫度快速上升[6]．大壩表面附近的混凝土散熱快，溫度下降也快，而由于混凝土的不良導熱特性致使壩體內部積聚的熱量不易散發(fā)，壩體內部混凝土與壩體表面及壩基之間存在一定的溫度梯度，進而形成溫度應力而產生表面裂縫，有時可能發(fā)展成為深層裂縫和貫穿裂縫[7]，給大壩結構安全埋下隱患．因此，大壩溫控防裂的關鍵是降低大壩混凝土內外溫度梯度，將溫度應力調整至可控范圍內[8]．同時混凝土因濕度變化與擴散產生的應力也是導致混凝土開裂的不可忽視的重要因素．且在混凝土內濕度、溫度、應力等幾種因素耦合作用，導致結構中承受的應力更大，更容易導致壩體裂縫的產生[9-10]．

目前水工大體積混凝土溫度控制的手段主要為降低混凝土澆筑溫度、水管冷卻降溫和表面保溫．水管冷卻降溫是采用在壩體內埋設水平方向的冷卻水管，通過冷卻水管中流動的低溫水帶走壩體混凝土水化過程中的水化熱，從而降低大壩混凝土的溫度[11]．通水冷卻的降溫方式對控制大壩施工初期混凝土水化熱溫升作用顯著，但大壩混凝土在水泥水化反應結束后，將長期處于外界環(huán)境氣溫和水庫水溫周期變化的影響下，壩體混凝土由此形成的內外溫差的有效控制是防止壩體開裂的關鍵因素[12]．大壩混凝土的表面保溫是針對外界環(huán)境溫度的復雜變化給大壩混凝土帶來的不利溫差影響的重要措施，特別是對于在嚴寒地區(qū)的混凝土壩裂縫防止，混凝土表面保溫措施是十分有效的．該方法通常是在混凝土壩體表面覆蓋一層隔熱性能良好的保溫材料，將壩體與外界環(huán)境相對隔絕，防止環(huán)境溫度的急劇變化對壩體尤其是壩體近表層混凝土產生過大溫度梯度[14-17]．但是該方法的不足之處是在大壩混凝土澆筑初期和夏季高溫季節(jié)反而不利于溫度的散發(fā)，故而該方法主要用于寒冷地區(qū)大壩混凝土的冬季保溫．上述大壩混凝土溫控防裂的方法均出自被動防御的思路，主要針對施工期大壩混凝土的溫控防裂問題，對于在蓄水運行期大壩混凝土如何適應環(huán)境溫度的變化顯得作用有限．

針對目前大壩混凝土溫控防裂方案不能長期精確地調節(jié)大壩混凝土由于環(huán)境溫度變化引起的溫度梯度過大造成的大壩裂縫的問題，本文提出將混凝土內部溫度雙向調控和表面防護手段有機結合，探究一種能依據環(huán)境溫度變化智能調控大體積混凝土內外溫度梯度的方法，從而實現(xiàn)大體積混凝土內部溫度精細化調節(jié)，使內外溫度達到與環(huán)境溫度變化協(xié)調，從而有效防止混凝土表面裂縫．本文通過室內大尺寸混凝土試件模擬大壩混凝土實際施工過程，在大尺寸混凝土試件內近豎向邊界區(qū)域埋設豎向溫度補償管道并與溫度補償設備連接，通過溫度補償設備對溫度補償管道內水進行降溫或升溫控制來實現(xiàn)對混凝土試件的降溫或升溫控制，溫度補償設備可控制通水的調溫范圍、升溫或降溫速率，從而實現(xiàn)對混凝土試件溫度的職能調控．

1 試驗過程

1.1 試件制作

試驗采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥；摻合料采用F類粉煤灰；細骨料采用具有良好級配的河砂，細度模數2.4；粗骨料采用三峽下岸溪沙石；外加劑采用HH-6型減水劑；水為自水．用于試驗的試件采用三峽大壩水位變化區(qū)混凝土級配．試件混凝土配合比設計見表1．

部分試件表面選用聚氨酯泡沫保護層進行保護．聚氨酯泡沫具有外形美觀、保溫隔熱及保濕性能優(yōu)良、施工簡單等優(yōu)點，其保溫隔熱及保濕性能不因氣候影響發(fā)生較大的波動，在工程中有較廣泛的應用．其主要理化性能見表2．

表1 試驗試件混凝土配合比

表2 聚氨酯保溫保濕材料的主要理化性能

在室內制作3個尺寸為1 300 mm×1 200 mm×1 200 mm(長×寬×高)的大體積混凝土試件，試件編號依次1號、2號、3號，并且對1號2號試件進行了噴涂聚氨酯硬質泡沫保護，其中1號試件除底面外5個表面全部噴涂聚氨酯硬質泡沫保護層，2號試件僅在臨近溫度補償管道的一個側面噴涂聚氨酯硬質泡沫保護層．模板制作和管道布置完成后，在混凝土澆筑前按試驗方案布置好溫度傳感器和濕度傳感器．溫、濕度傳感器布置示意圖如圖1所示．

圖1 溫濕度傳感器布置示意圖

其中在3組試件中心部位、溫度補償管道與混凝土試件之間(內側離進、出水口5 cm的位置)、除底面以外的另外5個表面中心位置布置有2只溫度傳感器和1只濕度傳感器．另外布置溫度傳感器和濕度傳感器用來監(jiān)測混凝土試件外環(huán)境溫度和濕度(即試驗室內溫度與濕度)．將相同位置的濕度探頭與兩個溫度探頭結合在一起成為一組，并組合在一起進行定位和安裝．

1.2 試驗設備

在試驗用的溫度補償設備輸入端和輸出端之間并聯(lián)連接有升溫管路和降溫管路，升溫管路上安裝有加熱器，升溫管路的進口端和出口端分別安裝有閥門，升溫管路的出口端與貯液器連接；降溫管路上依次設有蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、節(jié)流機構，降溫管路的進口端和出口端也分別安裝有閥門，降溫管路的出口端與貯液器輸通過送泵連接．

溫度補償設備的升溫管路和降溫管路與預先埋設在試件內部的溫度補償管道相連，通過補償介質的循環(huán)對試件進行溫度調控，本次試驗管內介質為自來水，試驗溫度補償設備的技術參數見表3．

表3 溫度補償設備技術參數

1.3 試驗過程

澆筑養(yǎng)護：3組試件澆筑完成后，采取相同的灑水養(yǎng)護措施，按試驗要求對試件進行聚氨酯保護層噴涂工作．試件降溫拆模當天對不同部位傳感器(中心位置除外)的溫度都有一定的擾動，后進行濕水養(yǎng)護．

升溫調控：當中心溫度和表面溫度都穩(wěn)定在18℃，7d后，開始對試件進行升溫調控，每4 h溫度調節(jié)增加1℃，水溫到49℃后保持恒溫供水．

降溫調控：在試件升溫調控過程結束后繼續(xù)對試件觀測14 d，然后對試件進行降溫調控，每4 h調節(jié)1℃，當試件內部溫度與大氣溫度一致時停止降溫調控．

通過埋設在混凝土試塊中的傳感器與溫度補償設備的控制系統(tǒng)相連接實現(xiàn)了溫度智能補償．

2 試驗成果分析

無紙記錄儀讀取數據頻率為1 min/次，數據記錄自傳感器調試結束后正式開始，澆筑養(yǎng)護階段歷時220 h，升溫調控階段歷時120 h，恒溫保持360 h，降溫調控階段歷時240 h，各個通道均記錄超過50 000次數據，能夠反映3個試件在整個試驗期內的溫度變化情況．

2.1 升溫調控數據分析

圖2～4對應的為1～3號試件在升溫調控階段不同部位溫度變化過程曲線．于2016年11月17日開始進行升溫調控，每4 h增加1℃，持續(xù)到2016年11月21日，此時水溫50℃，從圖中可以看出，全覆蓋保護層的1號試件中心及表面溫度均隨溫度補償管道內水溫的提高而穩(wěn)定上升，基本不受外界環(huán)境溫度變化影響．中心部位的溫升速率最高，其次是靠近管道的部位，距離管道最遠的背面部位最慢．由于2號試件僅正面覆蓋保溫層，故而僅有中心溫度隨溫度補償管道內水溫的提高而穩(wěn)定上升，其他部位溫度受外界環(huán)境溫度變化影響在上升過程中有明顯波動，且所有部位溫度上升速率較同期1號試件而言均有所減緩，溫升結束后各部位溫度峰值也均低于同期1號試件．3號試件未做任何保護，因此與1號試件差別更大，其測點溫度受外界環(huán)境溫度變化影響更加敏感．

圖2 1號試件升溫調控溫度曲線 圖3 2號試件升溫調控溫度曲線 圖4 3號試件升溫調控溫度曲線

2.2 降溫調控數據分析

圖5～7分別對應1～3號試件在降溫調控階段不同部位溫度變化過程曲線．于2016年12月7日開始對試件進行降溫調控，每4 h調節(jié)1℃，當試件內部溫度與環(huán)境溫度一致時停止降溫調控．在降溫調控階段初期，溫度補償管道溫度仍高于試件各部位溫度，但隨管道水溫開始下降，試件各部位溫度立即出現(xiàn)降溫趨勢，未因存在溫差而繼續(xù)升溫．降溫調控階段結束，試件各部位降溫速率減緩直至穩(wěn)定．2號和3號試件降溫速率亦受無保護層影響而低于同期1號試件，且受環(huán)境溫度變化影響而波動．

圖5 1號試件降溫調控溫度曲線 圖6 2號試件降溫調控溫度曲線 圖7 3號試件降溫調控溫度曲線

2.3 溫度傳導擾動分析

在進行溫度調控時，采集了3組試件相同部位溫度擾動感受到補償源溫度傳導的時間，選取1號試件(聚氨酯保護)和3號試件(無保護)進行對比分析．

圖8～13分別表示1號試件和3號試件在進行升溫調控作用下，試件中心線上距離溫度補償管道5 cm、55 cm和110 cm不同位置處的溫度擾動感知曲線，曲線發(fā)生波動位置代表該點感應到溫度補償管道熱源的時間點．

從圖8～10可以看出，當開始進行溫度調控后，1號試件不同位置的溫度都隨著時間的增加有所上升，說明進行主動的溫度調控可行和有效；但隨著距離的增加，混凝土內熱傳導發(fā)生了衰減，溫度調控的效果也有所降低．由于1號試件除底面外的5個表面都噴涂了聚氨酯進行保溫，當外界環(huán)境溫度發(fā)生波動時，對試件混凝土的內部溫度和表面溫度未產生影響或影響較小，其溫度呈穩(wěn)定上升的趨勢．從圖11～13對比可以看出，由于3號試件表面沒有進行任何保護，溫度傳導速率較慢，試件內溫度傳導受外界環(huán)境溫度擾動比較明顯，溫度波動較大．從試驗結果來看，聚氨酯泡沫具有良好的保溫效果，可以確保在試驗周期內試件內部溫度免受環(huán)境溫度波動的影響，表面噴涂有聚氨酯泡沫保護層的條件下可以更有效的調控混凝土的溫度．

圖8 1號試件溫度傳導感知曲線 圖9 1號試件溫度傳導感知曲線 圖10 1號試件溫度傳導感知曲線

圖11 3號試件溫度傳導感知曲線 圖12 3號試件溫度傳導感知曲線 圖13 3號試件溫度傳導感知曲線

3 結 論

在溫度調控過程中，由于1號試件外表面完全采用聚氨酯保溫層作防護，在試驗周期內混凝土試件內部溫度變化過程基本不受外界環(huán)境溫度的影響；2號試件僅在一個立面噴涂聚氨酯保溫層，其內部溫度變化過程在一定程度上受到外界環(huán)境氣溫影響而出現(xiàn)波動現(xiàn)象；3號試件外表面未作任何防護處理，其內部溫度變化過程受外界環(huán)境氣溫影響顯著．因此可以看出，聚氨酯材料保溫好，采用聚氨酯保溫層對混凝土試件進行保溫防護，可以有效的削弱外界環(huán)境溫度對混凝土試件溫度過程的影響．

本文試驗在設計階段就考慮了溫度對應力的影響而在大體積混凝土試件內通過溫度補償管道進行了引導性降溫或升溫，無紙記錄儀記錄了2016年11月8日至2017年6月14日的溫度傳感器的測量結果表明，試件在試驗過程中沒有產生過大的溫度梯度．3個大體積混凝土試件對比試驗結果顯示出溫度補償系統(tǒng)對大體積混凝土試件的溫度調控效果明顯，引導性的升溫或者降溫，可以達到試件中心點溫度和表面溫度相近，經過20倍放大觀察，3組試件均未發(fā)現(xiàn)可見微細裂縫，顯示出了混凝土溫度補償系統(tǒng)防裂效果明顯．

通過對試驗結果的分析可以看出，大體積混凝土試件內部采用溫度補償系統(tǒng)，外部采用噴涂聚氨酯保溫層作為保溫防護處理的溫控防裂方案最為有效，特別是在混凝土澆筑的早期效果更加明顯．依據環(huán)境溫度對大體積混凝土試件進行先期引導性降溫或升溫，通過溫度調控對混凝土進行有效防護，使混凝土處于相對恒溫狀態(tài)是溫控防裂的有效手段．大量的試驗數據分析表明，本文提出的依據環(huán)境溫度對大體積混凝土進行智能溫度調控防裂的方法是有效而且可行的．

本文榮獲國家實用新型專利(專利號ZL201621336032.X)和國家發(fā)明專利授權(ZL201611116913.5)

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