泵房底板大體積混凝土裂縫控制技術研究及應用

◎方旭東 上海市水利工程集團有限公司

對建于軟基上的大型泵站，設計常根據(jù)結構應力計算情況，在受力復雜或應力集中的底板部位，布設若干鋼筋計、應變計以及無應力計等監(jiān)測底板混凝土應力、應變和鋼筋應力情況。可見，水利樞紐工程中泵站大體積混凝土底板的耐久性要求高，故控制混凝土早期裂縫發(fā)展對混凝土耐久性提高大有裨益，本文旨在為后期同類型項目設計及施工提供一定參考依據(jù)。

1.泵站底板概況

新川沙泵閘樞紐工程中泵站為150m3/s引排雙向泵站，泵房站身底板采用鋼筋混凝土結構，底板順水流方向長46m，垂直水流方向?qū)?0.5m。澆筑厚度1.8m，局部澆筑厚度2.7m、4.8m、2.5m。主泵房底板混凝土標號為C30，混凝土澆筑量約為4450m3。根據(jù)設計控制底板裂縫要求，混凝土中摻加高純聚丙烯纖維（1Kg/m3）。

本工程泵站選址位于左岸，泵站緊鄰陳行水庫外堤腳，基坑開挖起算面為第一道鋼筋砼支撐的2.0m高程。

泵站站身及內(nèi)外河進出水池段基坑設置兩道鋼筋砼支撐體系，泵站廊道（集水井）處坑中坑，最深開挖標高-10.5m，故廊道段設置第三道鋼管撐（φ800mm鋼管），支撐中心標高-5.5m，鋼管底口標高-5.9m，支撐配套連系梁底口標高為-6.3m，鋼管支撐體系侵入底板鋼筋骨架。考慮水庫及基坑安全，泵站底板采取水平方向分倉施工方案，泵站水平施工縫處止水做法如圖1：在集水廊道的內(nèi)外河兩側-7.4m標高，居中設置一塊寬30cm厚2mm的止水鋼板，鋼板雙面搭接焊，在第一倉澆筑集水廊道處時預埋固定牢靠，底板縫面鑿毛處理至露出粗石子面層并清理干凈，確保新老混凝土結合質(zhì)量。

圖1 泵站底板混凝土分倉施工節(jié)點圖

2.混凝土配合比設計

現(xiàn)代水泥生產(chǎn)工藝為兩磨一燒：生料粉磨（一階段）、熟料煅燒（二階段）、水泥熟料粉磨（三階段）。2004年前后隨著水泥熟料的生產(chǎn)線技術升級改造，新型干法旋窯水泥熟料生產(chǎn)線推廣應用[1]。常規(guī)水泥廠的日產(chǎn)量提升同時比表面積大幅提升，《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）規(guī)定水泥出廠比表面積不低于300，實際上生產(chǎn)中多為340～370，多數(shù)超400，現(xiàn)行國標《超細硅酸鹽水泥》GB/T35161-2017標號UP 52.5的比表面積已達到800。相關研究表明水泥篩分成0～30μm,30～60um和60～160μ m 這3個粒級 后,雖然0～30μm顆粒在總體重量占比不大，但是其早期水化放熱速率最快[2]。這也是普遍導致目前混凝土澆筑后溫峰齡期由5～7d達到峰值[3]縮短到2～3d。

本泵站底板澆筑時間為四季度11月至12月，上海寶山區(qū)歷年11月份日均最高氣溫18攝氏度，日均最低氣溫12攝氏度。因此澆筑時出現(xiàn)高溫情況的概率較低，但仍需注意外界氣溫對大體積混凝土溫控的影響，需要控制混凝土入倉溫度，尤其需注意對澆筑混凝土的表面保溫及養(yǎng)護。

泵站底板總方量約4500方，采用商品混凝土澆筑，所選廠家為上海瑞豐混凝土有限公司。在施工前優(yōu)化配合比設計，在滿足混凝土強度與工作性的基礎上，通過摻入礦物摻和料與合理搭配優(yōu)化，降低水泥與膠凝材料用量，降低混凝土水化放熱量與收縮減少水泥用量，以減少砼水化熱。

試配：根據(jù)攪拌站原材料和工程經(jīng)驗，2021年7月聯(lián)合河海大學在上海瑞豐混凝土有限公司富錦路分公司開展了多次試驗，分為基準組和優(yōu)化組進行試配。通過調(diào)整礦物摻合料和抗裂功能材料的用量，基于抗裂性和耐久性協(xié)同設計需求，設計確定了泵站底板大體積混凝土配合比（表1為大體積混凝土底板施工配合比）。

表1 大體積混凝土底板施工配合比

3.大體積混凝土數(shù)值模擬計算

因底板施工采用分倉澆筑的施工方案[4]，過程中模擬計算各澆筑塊開裂風險及溫度應力趨勢。結合無網(wǎng)格法與有限元法的求解過程對比[5]，采用有限元法對泵站底板結構進行建模和仿真計算，根據(jù)項目實際的邊界條件（尤其是確定的配合比）進行模擬，泵站底板有限元模型單元總數(shù)為164244，節(jié)點總數(shù)為180306。溫度場仿真模擬時設定地基的四周和底面為絕熱面，混凝土底板上表面為散熱邊界，底板側面木模板支護。

應力場仿真模擬時，設定地基的四周和底面施加法向約束，其他表面均為自由邊界?？紤]混凝土結構的溫度荷載、自生體積變形、徐變變形等影響以外還同時還考慮了混凝土的絕熱溫升、彈性模量和徐變度等隨時間而變化的特性，并對這些過程都進行了盡可能細致的數(shù)值仿真模擬。

模擬澆筑日期2021年11月28日，取澆筑溫度為日均氣溫+1.5度，底板內(nèi)部設置2層冷卻水管，表面采取保溫措施（等效表面散熱系數(shù)10.0kJ/(m2·h·℃)），根據(jù)以往泵站溫控防裂研究的經(jīng)驗，泵站底板混凝土應力較大區(qū)域往往出現(xiàn)在底板的中部，泵站廊道底板典型截面、典型特征點選取見圖2和圖4，具體選取特征點見圖3和圖5。

圖2 泵站廊道底板特征截面

圖3 泵站廊道底板特征截面布點圖

圖4 泵站下游底板特征截面

圖5 泵站下游底板特征截面布點圖

以底板外河側為例，內(nèi)部點（6、8）模擬結果顯示在齡期1.75d達到最高溫度約40℃，見圖10和圖11。同時此特征剖面的底板混凝土中心部位內(nèi)部點和上表面點在齡期1.75d時內(nèi)外溫差約為10℃，有利于降低表面開裂風險。

圖6 廊道特征截面3天齡期溫度場圖

圖7 下游底板特征截面3天齡期溫度場圖

圖8 廊道截面特征點溫度歷時曲線圖

圖9 廊道截面特征點應力歷時曲線圖

圖10 外河特征點5、6溫度歷時曲線

圖11 外河特征點7、8溫度歷時曲線

混凝土澆筑早期溫度呈現(xiàn)“內(nèi)高外低”分布詳見圖12 及圖13，應力受自約束影響，應力表現(xiàn)為“內(nèi)壓外拉”，表面特征點（5、7）在齡期1.25 d 時達到應力峰值0.13～0.24MPa，小于即時抗拉強度0.77MPa；后期混凝土達到溫度峰值后開始降溫，且內(nèi)部降溫速率及溫降幅度大于表面，表面拉應力逐漸減小、內(nèi)部拉應力逐漸變大，此時由于特征點位置處于廊道部分上部，且廊道混凝土的彈性模量遠大于軟土地基，外部約束相較于其他部分較大，因此內(nèi)部點6后期拉應力達到0.85，澆筑在軟基的部位內(nèi)部點8后期拉應力達到1.85MPa，低于后期即時抗拉強度，底板內(nèi)部后期開裂風險較小。

圖12 外河特征點5、6應力歷時曲線

圖13 外河特征點7、8應力歷時曲線

采用分層澆筑方案，采取保溫和冷卻水管措施時，后澆筑的上下游底板，對于澆筑在的廊道（含集水井）上部的部分，由于受到“老混凝土”較強的外部約束，盡管拉應力未超過即時抗拉強度，但拉應力水平較高，開裂風險介于0.7～0.8（抗裂安全度為1.25～1.43），存在一定的開裂風險，故在此部位增加抗裂構造鋼筋網(wǎng)片，進行抗裂的措施；對于澆筑在軟土基礎上的部分，外部約束較小，內(nèi)部點后期拉應力均遠小于即時抗拉強度，從內(nèi)部啟裂的貫穿性裂縫風險小。

4.冷卻水管布置、通水及溫度監(jiān)測要求

泵站底板內(nèi)埋設冷卻水管（管外徑40mm，壁厚2.5mm），根據(jù)往年工程實踐經(jīng)驗為確保更佳的通水冷卻效果，每50cm～80cm厚度內(nèi)設置一道冷卻水管，單個通水管路長度控制在250m以內(nèi)，過程中實時調(diào)整循環(huán)水池溫度，保障混凝土溫度與水溫之差不超過25℃，管中水的流速宜為0.6～0.7m/s。水流方向應每2h調(diào)換1次，溫峰之后的混凝土內(nèi)部日降溫不超過3℃。

采用冷卻水管進行初期冷卻，通水時間初步取7-10d。同時根據(jù)溫度監(jiān)測反饋的數(shù)據(jù)，控制冷卻水的開關及流量，當溫度急劇升高或內(nèi)外溫差大于25攝氏度時，加大流量；當溫度趨于平緩并逐步下降時，縮短冷卻水開啟時間，同時減小流量，及時做好外部保溫工作。

在混凝土施工過程中，每4h測量一次混凝土原材料的溫度、混凝土出料口溫度以及混凝土冷卻水的溫度和氣溫，并做好記錄?；炷翜囟鹊臏y量，倉面每100m2保證1組測點，每組測點分上中下3個測點。底板初凝后開始安排項目部專人進行溫度監(jiān)測，讀取預埋點的探頭溫度值。因為水化熱峰值一般出現(xiàn)在齡期前3天，在初凝后7天內(nèi)溫降達到穩(wěn)定與環(huán)境溫度趨同，設置觀測頻率如表2所示。

表2 溫度觀測頻率表

5.混凝土養(yǎng)護

混凝土澆筑完畢后，應及時進行抹平收光處理，并及時進行養(yǎng)護。澆筑層施工縫面的處理在澆筑分層的上層砼層澆筑前，對下層砼的施工縫面鑿毛處理。在施工縫處繼續(xù)澆筑砼前要對硬化砼表面進行處理，清除垃圾、表面松動石子和軟弱砼層。養(yǎng)護保溫基本要求：在混凝土初凝以后開始覆蓋保溫保濕養(yǎng)護，表面覆蓋一層塑料薄膜保濕，其上覆蓋兩層土工布保溫。

6.溫度實際發(fā)展及規(guī)律分析

在新川沙泵站底板實際施工中，底板分為三次澆筑：2021年12月1日開始澆筑廊道部分，2021年12月19日澆筑底板內(nèi)河側，2021年12月25日澆筑底板外河側部分，混凝土內(nèi)部及混凝土表面監(jiān)測點位布置如圖14所示。

圖14 泵站底板測點布置圖

在2021 年12 月平均氣溫為5-12℃，澆筑過程中的混凝土入倉溫度為10～15℃，澆筑后監(jiān)測混凝土內(nèi)部測點情況：

（1）廊道部位混凝土溫度1.75d達到溫度峰值35.9℃，由于采取了土工布覆蓋等溫控措施，內(nèi)外溫差峰值低于15℃，詳見圖15。

圖15 廊道溫度歷時曲線

（2）內(nèi)河側混凝土溫度在齡期2.9d達到溫度峰值34.0℃，溫降速率峰值僅有1.4℃/d，詳見圖16。

圖16 泵站內(nèi)河側底板溫度歷時曲線

（3）外河側混凝土較內(nèi)河側厚20cm，同時因循環(huán)水泵臨時故障在齡期3.2d溫峰達到42.8℃，溫峰過后前5.0d的溫降速率為1.6℃/d，詳見圖17。

圖17 泵站外河側底板溫度歷時曲線

（4）綜上，本次泵站大體積混凝土底板內(nèi)部溫升值為20～27℃，溫峰齡期在2～3d，內(nèi)部點及表面點溫度差在15℃，混凝土表面點及環(huán)境溫度差在5～10℃。

7.結論

根據(jù)項目大體積混凝土底板分倉澆筑施工方案，通過配合比設計確定了大體積混凝土底板專用的低水化熱配合比，為混凝土溫度應力場的數(shù)值模擬提供了準確的邊界條件約束，數(shù)值模擬分析出了大體積混凝土內(nèi)部溫度發(fā)展規(guī)律及開裂風險，采取了優(yōu)化冷卻水管布設、過程冷卻水通水及覆蓋保溫等措施，將大體積混凝土內(nèi)部溫差控制在了15℃以內(nèi)，較以往類似項目有提升，過程中關鍵技術得到了應用實踐。