泐馬河出海閘底板大體積混凝土溫度控制與監(jiān)測

郝鵬 黃遠(yuǎn)遠(yuǎn) 李樂樂 上?？睖y設(shè)計研究院有限公司

1.引言

大體積混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代化建設(shè)過程中廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)形式，特別是在港口、大壩、橋梁及其它沿海建設(shè)項目等實(shí)際工程中發(fā)揮重要作用。溫度裂縫是當(dāng)前大體積混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的病害之一，如何合理有效的控制大體積混凝土在施工過程中溫度裂縫的產(chǎn)生，國內(nèi)外學(xué)者對此作出了大量研究。溫度裂縫的產(chǎn)生是由于大體積混凝土在施工過程中水泥用量較多，澆筑混凝土的內(nèi)部溫度會因水化熱反應(yīng)釋放熱量而劇烈變化，再加上外界環(huán)境溫度的影響，使得混凝土結(jié)構(gòu)極易開裂，從而嚴(yán)重破壞大體積混凝土結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性、耐久性和安全性，縮短其使用壽命。因此在施工過程中采取溫控措施和溫度監(jiān)測十分必要。

本文結(jié)合上海市浦東新區(qū)泐馬河出海閘施工實(shí)例，介紹了底板大體積混凝土澆筑后的溫控措施及監(jiān)測結(jié)果，以期為類似工程提供一定的借鑒和參考。

2.工程概況

泐馬河出海閘新建工程，位于上海市臨港新片區(qū)南部，泐馬河入杭州灣出?？陂T處，與杭州灣一線海塘共同構(gòu)成上海市大陸區(qū)的一線防洪（潮）封閉圈。泐馬河出海閘是浦東片沿海重要控制構(gòu)筑物，也是杭州灣北沿重要的排?？陂T，其主要功能是擋潮、排澇、水資源配置及水環(huán)境改善。

水閘工程平面布置采用內(nèi)退堤身式的布置方案，布置于現(xiàn)狀海塘內(nèi)側(cè)，水閘平面中心線與河道中心線重合。水閘設(shè)計流量510m/s，水閘規(guī)劃口門凈寬50m（5孔凈寬10m平面直升閘門）。閘室底板垂直水流方向長60m，順?biāo)鞣较蜷L30m，閘室底板底面高程為-4.5～-3.6m，底板頂面高程為-2～-1.5m。

3.溫度裂縫控制方法及措施

3.1 采用低水化熱水泥

為降低混凝土水化熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，該項目采用的水泥為P.O42.5低水化熱水泥。

3.2 優(yōu)化混凝土配合比

為保證大體積混凝土的澆筑質(zhì)量，項目前期已委托某工程檢測中心進(jìn)行配合比論證，優(yōu)化了混凝土配合比設(shè)計。

①由于水泥用量決定了水化熱反應(yīng)的熱釋放量，因此減少水泥用量，防止水化熱反應(yīng)使混凝土溫度急劇上升，導(dǎo)致表面溫度與環(huán)境溫差過大而產(chǎn)生裂縫。

②在混凝土中摻加緩凝劑或高效減水劑，可提高混凝土的可塑性，減緩混凝土收縮，防止混凝土早期強(qiáng)度快速增長。

③在混凝土中添加粉煤灰，可減少水泥的用量，降低混凝土的絕熱溫升。

④選用河砂與人工砂比例為7∶3的混合砂，嚴(yán)格控制混凝土用砂的含泥量和氯離子含量。

⑤采用粒徑較大、顆粒形狀較好且級配良好的骨料，碎石粒徑5mm～25mm，石粉含量低。

3.3 做好保溫保濕養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑完成后，采用保溫材料對大體積混凝土的表面進(jìn)行覆蓋，選用土工布加塑料薄膜組合的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)是，既能夠使混凝土表面的水分不會過度散失，不產(chǎn)生干縮裂縫。又能在混凝土溫度與環(huán)境溫差較大的情況下，確保大體積混凝土表面溫度不會急劇下降，從而夠達(dá)到良好養(yǎng)護(hù)效果。

3.4 預(yù)埋冷卻水管

在大體積混凝土澆筑之前，在閘室底板中布設(shè)冷卻水系統(tǒng)，冷卻水管采用Φ40鋼管，鋼管焊接連接，間距80cm左右，在底板40cm厚部位設(shè)置一道，在底板12cm厚部位設(shè)置一道，底板共計設(shè)置6個冷卻單元系統(tǒng)，每個冷卻單元系統(tǒng)中管道M型布設(shè)。冷卻管進(jìn)出水口同側(cè)進(jìn)出，自閘室底板四周引出。

混凝土澆筑前，在冷卻水管中預(yù)先注滿冷卻水，使冷卻水管中的水在混凝土升溫的同時被加熱，保證開啟冷卻管時，其冷卻水的溫度和混凝土的溫差不會過大。初凝后，正式開啟冷卻水管時前，調(diào)節(jié)水流速、流量，控制水流速在0.6m/s左右。

3.5 溫控指標(biāo)

根據(jù)《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》（GB/T51028-2015）有關(guān)要求，混凝土澆筑體的里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）不宜大于25℃，如發(fā)生超限情況，及時采取表面加覆保溫層、控制冷卻水管流速等相應(yīng)措施。

4.監(jiān)測方法及測點(diǎn)布置

閘室底板垂直水流方向長60m，順?biāo)鞣较蜷L30m，閘室底板底面高程為-4.5～-3.6m，底板頂面高程為-2～-1.5m。利用底板構(gòu)件的對稱性布置，閘室底板共設(shè)測位10個，每個測位設(shè)置上、中、下三個監(jiān)測點(diǎn)，共計測點(diǎn)30個，平面布置圖如圖1所示。

圖1 底板溫度測位平面布置圖

測溫點(diǎn)感應(yīng)頭采用K型熱電偶，其上、中、下位置間距不少于50cm，上、下測溫點(diǎn)距底板邊界30cm。溫控點(diǎn)電纜線通過PVC塑料管集中引至閘室底板頂面，PVC管埋在底板面層鋼筋下部。配以JTM-MV20智能型振弦式傳感器采集箱，用于各測點(diǎn)數(shù)據(jù)的自動化采集，如圖2所示。

圖2 K型熱電偶和傳感器采集箱

5.監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測測點(diǎn)于2020年12月31日進(jìn)行埋設(shè)，2021年1月2日基礎(chǔ)底板混凝土澆筑結(jié)束后開始測溫，于2021年1月20日下午結(jié)束，連續(xù)監(jiān)測19天。

監(jiān)測測點(diǎn)在底板鋼筋綁扎階段進(jìn)行埋設(shè)，于底板混凝土澆搗時開始測溫，前四天測溫頻率為每2小時一次，晝夜連續(xù)跟蹤監(jiān)測，第四天以后測溫頻率為4小時一次。根據(jù)《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》（GB/T51028-2015）相關(guān)要求，當(dāng)混凝土最高溫度與環(huán)境溫度之差連續(xù)3天小于25℃時，停止溫度監(jiān)測。

5.1 溫度曲線

根據(jù)30個測點(diǎn)繪制溫度曲線，并選取具有代表性的曲線圖如圖3～圖5所示。

根據(jù)圖3～圖5溫度曲線分析，數(shù)據(jù)顯示：

圖3 5號測點(diǎn)底板混凝土溫度曲線圖

圖4 6號測點(diǎn)底板混凝土溫度曲線圖

圖5 10號測點(diǎn)底板混凝土溫度曲線圖

①在混凝土澆筑后，不同部位的溫度具有相同的規(guī)律：混凝土表面溫度最先達(dá)到峰值，且當(dāng)混凝土溫度達(dá)到峰值時，中部溫度＞表面溫度＞底部溫度。

②混凝土在澆筑完成后，溫度持續(xù)上升，在第92小時達(dá)到溫度峰值52.43℃。隨后進(jìn)入降溫階段，其中表面溫度下降速率最快，經(jīng)分析認(rèn)為與大氣溫度驟降有關(guān)，中部與下部溫度下降速率較為平緩。

③在溫度監(jiān)測期間，現(xiàn)場由專人對混凝土采取表面覆膜、冷卻水管控制等措施，混凝土表面溫度與內(nèi)部溫差始終控制在25℃以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

5.2 溫度分布

為進(jìn)一步分析混凝土澆筑后水化熱反映對底板造成的影響，采用Surfer對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制出從監(jiān)測開始至監(jiān)測結(jié)束過程中底板溫度的分布情況，其中選取特征較為明顯的等值線平面分布圖如圖6所示。

圖6 底板各層等值線平面分布圖

根據(jù)圖6等值線分布數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

①從橫向來看，混凝土澆筑后在水化熱反應(yīng)進(jìn)行過程中，有局部溫度急速上升，造成混凝土內(nèi)部溫差較大的現(xiàn)象。其中，底板上層溫度局部劇烈升溫集中在西南側(cè)，中下部集中在西北側(cè)。初步分析認(rèn)為與混凝土澆筑過程中，從開始澆筑到澆筑完成的施工時間過長有關(guān)。后期混凝土溫度分布較為均一，且緩速下降。

②從縱向來看，混凝土在澆筑后初期，上層溫度上升速度最快并最先達(dá)到峰值。而在澆筑后中期，中層溫度為各層中最高，且分布最為均一。與溫度曲線分析結(jié)果基本吻合。

6.結(jié)論

（1）本項目出海閘底板大體積混凝土采用P.O42.5低水化熱水泥并減少水泥用量，在混凝土中添加高效減水劑和粉煤灰，選用河砂與人工砂比例為7∶3的混合砂，采用碎石粒徑在5mm～25mm，石粉含量低，粒徑較大、顆粒形狀較好且級配良好的骨料。優(yōu)化混凝土配合比后，對溫度裂縫的控制達(dá)到了較好的預(yù)期效果。

（2）混凝土在澆筑完成后，經(jīng)溫度曲線數(shù)據(jù)分析：①表面溫度最先達(dá)到峰值，且當(dāng)混凝土溫度達(dá)到峰值時，中部溫度＞表面溫度＞底部溫度。②混凝土在第92小時達(dá)到溫度峰值52.43℃，隨后進(jìn)入降溫階段。受大氣溫度影響，表面溫度下降速率最快，中部與下部溫度下降速率較為平緩。③在溫度監(jiān)測期間，混凝土表面溫度與內(nèi)部溫差始終控制在25℃以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果顯示：①混凝土澆筑后底板內(nèi)溫度分布存在一定差異，其中存在局部溫度上升較快而造成混凝土內(nèi)部溫差較大的現(xiàn)象。原因是混凝土從澆筑開始到結(jié)束施工周期過長，造成局部水化熱反應(yīng)升溫過快而其他部位升溫滯后。②混凝土在澆筑后頂部溫度最先達(dá)到峰值。溫度達(dá)到峰值后，混凝土中部溫度最高，且分布最為均一，與溫度曲線分析結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步驗證了溫度曲線分析結(jié)果的合理性。

（4）混凝土受水化熱反應(yīng)放熱、環(huán)境溫度變化等多因素的影響，現(xiàn)場由專人對混凝土采取表面覆膜、冷卻水管控制等措施，最終在拆模后混凝土表面未出現(xiàn)溫度裂縫，既驗證了溫控措施的合理性與有效性，也為后續(xù)類似項目提供了有益參考。