大壩混凝土快速施工與溫控防裂措施

李金濤

（吉林水利電力職業(yè)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130117）

良好的溫度控制是保證混凝土澆筑質(zhì)量的關(guān)鍵，制作混凝土的主要原料是水泥和水，而水泥遇水后會(huì)產(chǎn)生水化熱現(xiàn)象，如果散熱速度較慢，將提高混凝土的溫度，然后逐漸下降，降低至環(huán)境溫度。溫度升高的前期，內(nèi)部溫度大于表面溫度，從而形成了內(nèi)部與外部之間的溫度差，導(dǎo)致內(nèi)部和外部凝結(jié)的不一致，發(fā)生的變形方式也不相同，最終形成了混凝土裂縫，混凝土整體溫度趨向于環(huán)境溫度后，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)開(kāi)始收縮，一旦受到外力的制約，將形成拉應(yīng)力，也會(huì)形成混凝土的裂縫問(wèn)題。

1 溫控計(jì)算理論

1.1 溫度計(jì)算公式

混凝土熱傳導(dǎo)的計(jì)算，需要使用熱傳導(dǎo)連續(xù)方程，初始條件是T=T（x，y，z，t0），公式中的T 是指混凝土溫度，單位是℃；θ是指絕熱溫升，單位是℃；a 是指導(dǎo)溫系數(shù)；單位是m2/h；τ 是指齡期，單位是d；t 指時(shí)間，單位是d。具體公式如下：

1.2 混凝土應(yīng)力公式

在混凝土施工過(guò)程中，由于溫度、內(nèi)部構(gòu)件收縮等問(wèn)題，發(fā)生變形，從而形成內(nèi)部非常復(fù)雜的應(yīng)力，并且應(yīng)變?cè)隽刻幱趧?dòng)態(tài)變化，其包括了多種應(yīng)變?cè)隽?，?yīng)力計(jì)算公式如下：

2 溫控防裂措施

混凝土溫度控制是一個(gè)綜合性的問(wèn)題，與溫控有關(guān)的因素有很多，尤其是在工程施工過(guò)程中，不可預(yù)測(cè)的因素較多，從而增加了溫控防裂的難度，溫控防裂從原料采購(gòu)時(shí)期就已經(jīng)開(kāi)始，現(xiàn)階段，混凝土溫控防裂措施主要從以下幾點(diǎn)入手。

2.1 拌和及出機(jī)溫度

在高溫季節(jié)，使用風(fēng)冷、冷水或者是冰塊預(yù)冷骨料，降低混凝土的出機(jī)溫度，從而將混凝土整體溫度降至為最低溫度；在寒冷季節(jié)，由于環(huán)境溫度較低，不宜使用預(yù)冷措施，自然攪拌即可。

2.2 原材料控制

混凝土溫控防裂需從原材料采購(gòu)開(kāi)始，所采購(gòu)的原材料要嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，使用的水泥、粉煤灰、外加劑、骨料等，都要嚴(yán)格遵守大壩施工設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以及完全的滿足合同要求，質(zhì)量需由多個(gè)部門聯(lián)合控制，包括了質(zhì)量管理部門、物資部、實(shí)驗(yàn)室等。在原材料進(jìn)入施工場(chǎng)地時(shí)，需進(jìn)行抽樣檢測(cè)；在外加劑配置時(shí)，需按照實(shí)驗(yàn)室下發(fā)的配料單進(jìn)行，計(jì)量要準(zhǔn)確，攪拌要均勻，配制好后，交由實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 運(yùn)輸時(shí)溫控措施

第一，如果施工時(shí)環(huán)境溫度較高，在混凝土運(yùn)輸過(guò)程中，需在容器上設(shè)置隔熱措施，隔離外部溫度，防止運(yùn)輸過(guò)程中混凝土溫度升高；第二，澆筑需要在短時(shí)間內(nèi)快速完成，所以在澆筑之前，做好調(diào)度和規(guī)劃，進(jìn)行統(tǒng)一配合，統(tǒng)一施工，提高機(jī)械設(shè)備的利用率，盡量減少運(yùn)輸和卸料時(shí)間；第三，運(yùn)輸車輛需選擇尾氣排放不在容器位置的，容器沖洗時(shí)間不可超過(guò)120 分鐘；第四，從混凝土攪拌到運(yùn)輸，直至最后的振搗環(huán)節(jié)，將混凝土的溫度始終控制在4℃以下。

2.4 倉(cāng)溫控制

第一，在澆筑過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)倉(cāng)內(nèi)溫度大于24℃時(shí)，需進(jìn)行噴霧，降低倉(cāng)內(nèi)溫度，防止熱量倒灌；第二，如果環(huán)境溫度較高，在振搗結(jié)束后，使用保溫材料覆蓋澆筑位置，隔離外部高溫，覆蓋時(shí)間應(yīng)在5.5h～8.5h 之間；第三，外部環(huán)境的溫度無(wú)論是多少，混凝土澆筑溫度都不可超過(guò)5℃。

3 大壩混凝土快速施工實(shí)例

3.1 工程簡(jiǎn)介

某大壩使用的是混凝土重力結(jié)構(gòu)，最大壩高為14m，主壩長(zhǎng)為16m，底部寬度為21.2m，開(kāi)挖底高程為-2.1m，防滲面板使用的是厚度為1m 的礦渣混凝土，基礎(chǔ)厚度為2.5m，應(yīng)用粉煤灰混凝土澆筑，大壩模型如圖1。

圖1 大壩模型

3.2 混凝土快速施工方案

依據(jù)大壩施工的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)四種不同形式的混凝土澆筑施工方案，應(yīng)用分層澆筑方式，開(kāi)展防真計(jì)算。第一，A 方案，大壩底板澆筑，做為第一層，需一次澆筑成型，養(yǎng)護(hù)60d 后，進(jìn)行壩體澆筑，高度為1.5m/層，每層間隔時(shí)間為18d；第二，B 方案，底層澆筑與A 相同，壩體澆筑高度為3m/層，每層間隔時(shí)間為18d；第三，C 方案，底層澆筑與A 相同，壩體澆筑高度為4m/層，每層間隔時(shí)間為18d；第四，D 方案，底層澆筑與A 相同，壩體澆筑高度為1.5m/層，每層間隔時(shí)間為9d。由于仿真計(jì)算與實(shí)際施工有著一定的差異，所以在計(jì)算時(shí)，要考慮晝夜溫差，以5d 為標(biāo)準(zhǔn)，澆筑時(shí)5 天內(nèi)的平均氣溫設(shè)為20℃，晝夜溫差為9℃。在進(jìn)行澆筑溫度的計(jì)算時(shí)，將大壩的縫面、基礎(chǔ)四周邊界都視為絕熱邊界，其他面視為熱量交換邊界；應(yīng)力計(jì)算時(shí)，將大壩基礎(chǔ)視為鉸支座，使用連桿支撐的方式，將上部壩體視為自由結(jié)構(gòu)，由于選取的澆筑方案不同，混凝土表面和內(nèi)部的溫度、應(yīng)力也會(huì)有很大的差異，所以為了獲取不同澆筑方案，產(chǎn)生的不同結(jié)果，在混凝土面板位置，距離底板大約1.2m 處，選擇一個(gè)內(nèi)點(diǎn)和一個(gè)外點(diǎn)，作為主要的檢測(cè)對(duì)象。

3.3 計(jì)算參數(shù)

該大壩使用的混凝土配合比如表1 所示，實(shí)驗(yàn)室提供了混凝土的熱力學(xué)參數(shù)，具體詳見(jiàn)表2。其中，大壩面板位置使用的是礦渣混凝土，其θ（絕熱溫升）為T=39.21τ/（0.35+τ），底板使用的是粉煤灰混凝土，其θ 為T=47.31τ/（0.70+τ），其他混凝土為θ（τ）=26.1（1-e-0.34τ0.75）。

表1 大壩混凝土配合比（kg/m3）

表2 混凝土熱力學(xué)參數(shù)

3.4 混凝土快速施工結(jié)果分析

3.4.1 溫度分析

通過(guò)仿真計(jì)算，對(duì)設(shè)置的檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行分析，受到水泥水化熱的影響，澆筑后混凝土內(nèi)部檢測(cè)點(diǎn)溫度升高，澆筑厚度不同，溫度的變化也有很大的差異，而混凝土澆筑的表面溫度，受到外部環(huán)境溫度的影響很大；在澆筑的一段時(shí)間后，混凝土內(nèi)部和外部的溫度，在環(huán)境溫度的作用下，逐漸降低，波動(dòng)變化不大。當(dāng)進(jìn)行上一層混凝土澆筑時(shí)，下層混凝土受到熱傳導(dǎo)的影響，溫度會(huì)有所升高，查看下層靠進(jìn)上層位置設(shè)置的檢測(cè)點(diǎn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)下層混凝土內(nèi)部溫度將接近4℃。

3.4.2 應(yīng)力分析

壩體在澆筑的后期，底板混凝土的約束力不斷增加，而上層混凝土的不斷澆筑，會(huì)進(jìn)一步增加底板混凝土的壓力，還有一個(gè)原因是，面板混凝土在凝結(jié)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生較大的干縮值，從而增加了上層澆筑的約束，而每層澆筑之間的間隔時(shí)間，會(huì)使大壩底板位置的彈模得到膨脹，提高了上層混凝土的約束力，從而形成內(nèi)部復(fù)雜的拉應(yīng)力。通過(guò)仿真計(jì)算，對(duì)壩體混凝土溫度的變化趨勢(shì)，以及壩體澆筑后期混凝土體的約束力變化，和面板、底板受到的應(yīng)力分析，結(jié)合A、B、C 三種方案來(lái)看，A 方案澆筑高度為1.5m/層，所以施工時(shí)間也最長(zhǎng)；B 方案時(shí)間要少于A 方案，C 方案使用的澆筑高度為4m/層，時(shí)間是最短的，但同時(shí)也是溫控防裂難度最大的施工方案；D 方案使用的是1.5m/層的澆筑方式，間隔時(shí)間只有以上方案的一半，施工速度得到明顯的提升，極大縮減了施工周期，并且溫控防裂的難度較小。

有分析指出，由于澆筑施工間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，澆筑的混凝土內(nèi)部熱量流失也就越多，再進(jìn)行下一層的澆筑時(shí)，將導(dǎo)致內(nèi)外溫差的提高，從而增加了裂縫的風(fēng)險(xiǎn)；而增加澆筑厚度，使混凝土內(nèi)部的溫度增加，再澆筑下一層，進(jìn)一步的增加了內(nèi)外溫差，也是產(chǎn)生裂縫的主要原因。由于施工環(huán)境的問(wèn)題，導(dǎo)致大壩工期緊張，通過(guò)合理的溫控防裂措施，以及加快大壩混凝土的施工速度，在保證工程質(zhì)量的前提下，減少混凝土的澆筑厚度，縮短澆筑的間隔時(shí)間。應(yīng)用溫控防裂計(jì)算公式，進(jìn)行仿真計(jì)算，從而確定了短間歇薄層澆筑的可行性，為快速施工的開(kāi)展提供了有利的數(shù)據(jù)支撐。