船閘大體積混凝土溫控技術應用

朱文明，王 華，湯建宏

(1.石虎塘航電樞紐分公司，江西 吉安 343700；2.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007)

船閘水工建筑物因穩(wěn)定(抗傾、抗滑、抗浮)或使用需要常為大體積混凝土結構，大體積混凝土在凝結硬化過程中會產(chǎn)生大量的水泥水化熱，混凝土內(nèi)部有很大的溫升，若遇外界溫度驟降或混凝土內(nèi)部溫度過高而產(chǎn)生過大的內(nèi)外溫差，會使混凝土表面出現(xiàn)拉應力，這種拉應力往往比其他外荷載產(chǎn)生的應力總和還大，當拉應變超過混凝土極限拉應變時就導致溫度裂縫的產(chǎn)生，而配置鋼筋僅僅能夠限制溫度裂縫的開展寬度，要做到防止溫度裂縫的產(chǎn)生幾乎不可能。目前工程實際中解決大體積混凝土開裂主要有兩種思路：1)溫度控制，包括降低混凝土入模溫度、設置冷卻水管降溫、加強溫度監(jiān)測和養(yǎng)護等；2)改善約束，合理分縫分塊、縮小約束范圍，合理安排施工順序使相鄰混凝土塊體尺寸適宜。本文依托具體工程[1]主要討論第1種思路即船閘大體積混凝土溫度控制技術。

20世紀90年代，水運行業(yè)溫控技術主要是積極學習引進水電大壩行業(yè)相關技術，采用分層分塊澆筑、優(yōu)化混凝土配合比設計、降低混凝土原材料溫度等措施；至2010年前后，隨著我國基礎設施建設快速發(fā)展，對重點工程混凝土溫度控制提出了更高的要求，這一階段溫控技術主要是研究在混凝土中埋設冷卻水管配合冷卻水箱形成管冷系統(tǒng)(將冷水注入鋼管內(nèi)部，使混凝土內(nèi)部溫度得到有效降低[2-5])，同時研究冷卻系統(tǒng)的內(nèi)外溫差、降溫速率、水管流速等關鍵溫控指標。

近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，國內(nèi)針對大體積混凝土溫度控制的研究方向主要是通過仿真技術模擬混凝土內(nèi)部溫度變化情況，施工過程中通過埋設電子測溫元件、設立智能監(jiān)控平臺及時跟蹤內(nèi)部、外表面溫度，通過調(diào)節(jié)冷卻水管的運行參數(shù)對混凝土溫度進行精準控制。

本文通過總結前人做的一些研究成果，結合具體工程案例的溫控措施，對原材料溫度、混凝土入模溫度、降溫速率進行分析；另一方面冷卻水進水溫度越低，與混凝土溫差越大，冷卻效果越好，但過大的溫差會在冷卻水管周圍的混凝土中引起相當大的拉應力，因此控制混凝土內(nèi)部溫度和降溫速率也很關鍵。

1 工程概況

江西某船閘閘墻采用重力式結構，梯形截面，墻高約20 m、頂寬4.0 m、底寬14.0 m，考慮縱向分段、橫向分層、隔倉澆筑的原則，縱向分段長度20 m，橫向分4層澆筑，閘墻分層斷面見圖1?；炷馏w積較大，其水化熱量大，為防止構件產(chǎn)生裂縫縮短船閘使用壽命，對大體積混凝土結構進行合理的溫控設計與控制。

圖1 閘墻分層澆筑斷面(尺寸：mm；高程：m)

本工程溫度控制措施主要包括兩個途徑：1)控制原材料入機溫度、控制混凝土入模溫度、優(yōu)化配合比提高混凝土本身的抗裂性能；2)施工前通過有限元模擬分析混凝土內(nèi)部溫度場，分析混凝土溫度變化，確定冷卻水管布置方案、通水控制要求、溫度控制標準等主要參數(shù)。

2 原材料入模溫度控制和配合比優(yōu)化

本工程大體積混凝土澆筑期主要在7—10月，正處于夏季高溫期，為更好地降低混凝土澆筑時內(nèi)部溫度，首先從混凝土本身著手，優(yōu)化配合比，減小水化熱，通過降溫措施控制原材料溫度，混凝土入模前重點降低環(huán)境溫度。

2.1 配合比優(yōu)化

本工程混凝土配合比優(yōu)化主要從加大礦物摻合料含量、減少水泥用量、降低混凝土的水化溫升，合理控制凝結時間等方面入手：1)采用組分均勻、各項性能指標穩(wěn)定的粉煤灰、礦粉取代部分水泥，優(yōu)化膠凝體系，降低水泥用量，控制混凝土絕熱溫升及溫升速率；2)選用級配良好、低熱膨脹系數(shù)、低吸水率的粗集料；3)使用低流動性混凝土，在實驗室標準溫濕度環(huán)境下試拌的混凝土初凝時間要求大于25 h；4)在滿足施工的前提下，盡可能使用坍落度相對較低的混凝土，減少混凝土用水量，降低溫升、減少干縮，提高抗開裂性能。

2.2 原材料溫度控制

原材料控制主要目的是降低原材料入機前溫度，原材料溫度控制標準：水泥和礦粉低于60 ℃、粉煤灰低于40 ℃、集料低于30 ℃、拌合水低于12 ℃。

水泥、礦粉、粉煤灰等原材料選擇溫度較低的時段運輸進場，充分冷卻后使用，避免使用剛出廠的新鮮水泥，可采用多次倒庫進行降溫，必要時在儲罐外采用噴淋降溫方式降低水泥溫度；集料倉采取全遮陽方式降低集料溫度，集料堆高并從底層取料；拌合用水采用井水，水池用遮陽土工布覆蓋，避免陽光直射，當拌合水溫無法滿足要求時，在蓄水池內(nèi)加入冰塊降低水溫；在混凝土攪拌過程中設置霧炮降低環(huán)境溫度，通過熱工計算采取相應措施降低各原材料溫度從而降低混凝土出機溫度，使其不超過28 ℃。

本工程同時采取以上措施后，出機溫度仍無法滿足要求，因此采用片冰取代拌合水進行拌合。1 kg片冰融化為水大約需要吸收335 kJ熱量。根據(jù)本工程實踐經(jīng)驗，每加入10 kg的片冰至少可使新拌混凝土降低1 ℃。

2.3 混凝土出站及入模前溫度控制

混凝土罐車運輸時對罐車進行包裹，同時對罐體灑水濕潤，混凝土運輸及澆筑過程中的溫升控制在2 ℃以內(nèi)。入模前，對擬澆筑區(qū)域灑水濕潤并降溫，同時避免模板受陽光直射，若無法避免則在模板外表面進行淋水降溫，現(xiàn)場設置4臺霧炮機，對環(huán)境溫度進行降溫，控制混凝土入模前溫度不超過30 ℃。

3 冷卻水管布置

管冷循環(huán)控制系統(tǒng)是大體積混凝土澆筑前，為降低混凝土內(nèi)部溫度、縮小內(nèi)外溫差，根據(jù)結構形式和結構尺度在混凝土構件寬大結構處布設冷卻水鋼管，在外部設置冷卻水箱，通水冷卻降低混凝土內(nèi)部溫升，通過對支水管的閥門檔位進行調(diào)整，根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)控結果對不同支管流量進行定制化、精確化調(diào)整。升溫階段壓制溫峰，溫峰后通過調(diào)整水管，防止混凝土的降溫速率過快。

本工程投入大量費用，根據(jù)閘墻具體尺寸和施工分倉方案，布設大量冷卻水管，水管距溫控構件表面80～120 cm，采用直徑40 mm、壁厚2.5 mm、具有一定強度、導熱性能好的黑鐵管制作，彎管部分采用冷彎工藝。水管水平間距1 m、層間距1 m，每管長(從進水口至出水口)不超過200 m，每層冷卻水管設置1～2個進水口和出水口，冷卻水管布置見圖2。管冷系統(tǒng)布設完成后，混凝土澆筑前進行加壓通水試驗，時間大于0.5 h，主要關注水流量是否滿足要求。

圖2 冷卻水管布置(單位：cm)

由于混凝土澆筑初期水化熱升溫較慢，結合贛江現(xiàn)場實際水溫，澆筑初期2 h采用水泵直接抽贛江自然水至水箱供應循環(huán)用水，隨著出水管熱水進入水箱，水箱中水溫逐漸升高，為保證冷卻效果，現(xiàn)場每隔4～6 h利用贛江自然水對水箱水溫進行實時降溫調(diào)控。

通過工程實踐發(fā)現(xiàn)，冷卻水進水溫度越低、與混凝土溫差越大，冷卻效果越好，但過大的溫差會在冷卻水管周圍的混凝土中引起相當大的拉應力，因此本工程將冷卻水與混凝土之間的溫差控制在20 ℃以內(nèi)。同時為防止上層混凝土澆筑后下層混凝土溫度的回升，下層混凝土采用二次通水冷卻，通水時間根據(jù)測溫結果確定。

4 仿真分析溫度場變化

為解決混凝土水化熱和收縮引起的溫度裂縫問題，通過有限元仿真分析混凝土內(nèi)部溫度變化，對不同工況進行計算和比較，確定不出現(xiàn)溫度裂縫的安全工況，并根據(jù)仿真計算結果給出混凝土施工階段溫度控制標準和要求，提出相應的溫控要求。

仿真計算時，澆筑溫度按30 ℃考慮，溫控構件C30混凝土受C15混凝土墊層約束，計算時底部約束彈性模量取29 GPa，采用鋼模板施工，鋼模板的厚度為6 mm，根據(jù)計算取表面散熱系數(shù)58.9 kJ/(m2·h·℃)；頂面采用覆蓋土工布蓄水養(yǎng)護，蓄水深度根據(jù)計算取10 cm。根據(jù)水管布置情況，混凝土分層間隔期為7 d，溫度及溫度應力計算從混凝土澆筑開始，模擬之后28 d的溫度應力發(fā)展。通過仿真分析，混凝土內(nèi)部最高溫度為58.7 ℃，溫峰出現(xiàn)時間約為澆筑后第3 d?；炷羶?nèi)部溫度分布見圖3。

圖3 閘墻內(nèi)部溫度分布仿真分析

根據(jù)有限元仿真分析結果確定通水要求，開始通水時間及升溫期通水要求：覆蓋冷卻水管開始即通到最大水流量，水流量≥50 L/min，流速≥0.6 m/s，進出水溫差≤10 ℃；混凝土內(nèi)部最高溫度≤59 ℃，內(nèi)外溫差≤25 ℃。降溫期通水時間及要求：根據(jù)測溫結果降低水流量，確保降溫速率≤2 ℃/d(初期≤3 ℃/d)，進出水溫差≤10 ℃，內(nèi)外溫差≤25 ℃。停水時間：內(nèi)部最高溫度≤35 ℃且最大內(nèi)外溫差≤15 ℃。

5 施工期溫度監(jiān)控

大體積混凝土自澆筑開始，經(jīng)受外界環(huán)境溫度和自身水化熱的作用，使混凝土中任一點的位移和變形不斷變化，變形遇到約束時會產(chǎn)生應力，當應力超過混凝土的極限強度，或應變超過混凝土的極限拉伸值，混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫?；炷猎谟不^程中還容易產(chǎn)生收縮裂縫。基于以上原因在澆筑過程中和澆筑完成后的溫升控制，對防止混凝土開裂、確保施工質(zhì)量有重要意義。而監(jiān)測構件內(nèi)外溫度、溫度變化速度和溫度變化范圍，是避免或減少大體積混凝土構件出現(xiàn)裂縫的有效方法。

本工程閘墻混凝土選取典型部位埋設測溫計，澆筑和養(yǎng)護過程采用智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控混凝土內(nèi)部溫度分布、內(nèi)外溫差、降溫速率等關鍵參數(shù)，在最高溫度及內(nèi)外溫差快到達預警值時提前預警，并制定有針對性的調(diào)整措施，如通過加大通水流量、降低通水溫度、增大水箱換水頻率、表面保溫覆蓋等措施控制混凝土內(nèi)部溫度和降溫速率。

同時，本工程溫度監(jiān)測為混凝土后期養(yǎng)護提供了大量數(shù)據(jù)支持，混凝土澆筑完成后遇到了較低氣溫，氣溫低于混凝土表面溫度超過20 ℃(或內(nèi)外溫差大于25 ℃)，及時采用保溫板加強混凝土的保溫養(yǎng)護。另外，混凝土的拆模時間不僅考慮混凝土強度，還考慮了混凝土的溫度和內(nèi)外溫差，以免突然接觸空氣時降溫過快而開裂。典型位置溫度監(jiān)測歷時曲線見圖4。

圖4 溫度監(jiān)測歷時曲線

6 結語

1)控制原材料溫度、優(yōu)化混凝土配合比、降低混凝土入模溫度、布設冷卻水管降溫能夠有效降低混凝土內(nèi)部水化熱，提高混凝土本身的抗裂性能。

2)夏季施工混凝土入模溫度控制不超過30 ℃為宜。

3)根據(jù)冷卻水管布置，通過有限元仿真分析內(nèi)部溫度場，要求內(nèi)部最高溫度不宜過高(控制在60 ℃以內(nèi)為宜)，混凝土內(nèi)外溫差應≤25 ℃。

4)冷卻水進水溫度越低，冷卻效果越好，但過大的溫差會在冷卻水管周圍的混凝土中引起相當大的拉應力，將冷卻水與混凝土之間的溫差控制在20 ℃以內(nèi)為宜。

5)通水降溫速率不宜過快，根據(jù)測溫結果實時控制水流量，降溫速率要求≤2 ℃/d(初期≤3 ℃/d)，進出水溫差≤10 ℃。

6)通水時間根據(jù)測溫結果確定，當內(nèi)部最高溫度≤35 ℃且最大內(nèi)外溫差≤15 ℃時可停止通水，但應防止下一倉混凝土澆筑后溫度的回升，有必要時須采用二次通水冷卻，具體根據(jù)測溫結果確定。

7)溫度監(jiān)測可為混凝土后期養(yǎng)護提供數(shù)據(jù)支持，混凝土的拆模時間不僅要考慮混凝土強度，還應考慮混凝土的溫度和內(nèi)外溫差。

8)通過以上具體措施并嚴格按照溫控要求進行降溫，有效地防止、減弱了大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，提高結構的安全性和耐久性，得到良好的現(xiàn)場施工效果，對同類工程具有示范和參考意義。