寒區(qū)碾壓混凝土壩越冬保溫措施研究

姜 濤,李 寧,祝繼隆

(1、2.齊齊哈爾市水旱災(zāi)害防御中心,黑龍江 齊齊哈爾 161300;3.黑龍江省中部引嫩工程和江東灌澇區(qū)管護(hù)中心,黑龍江 齊齊哈爾 161300)

0 引 言

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)來說,溫度控制與溫度應(yīng)力是影響較大的兩個(gè)重要因素。常態(tài)混凝土壩由于水化過程釋放大量的水化熱導(dǎo)致其內(nèi)外溫差過大,會(huì)出現(xiàn)表面開裂現(xiàn)象。特別是在寒區(qū),冬季長(zhǎng)期歇工與惡劣氣候條件,極易使得越冬時(shí)混凝土壩內(nèi)外層、上下層均產(chǎn)生較大溫差,引起較大的拉應(yīng)力,導(dǎo)致出現(xiàn)表面裂縫。碾壓混凝土壩相對(duì)來說水化熱升溫較低,但受寒區(qū)施工環(huán)境、方式與材料特性等因素綜合影響,同樣不能忽視溫度裂縫問題。因此,嚴(yán)寒地區(qū)寒潮期間,需要結(jié)合溫度驟降分布情況,采取碾壓混凝土壩越冬保溫措施,預(yù)防和減少表面裂縫產(chǎn)生,減輕經(jīng)濟(jì)損失。

1 寒區(qū)碾壓混凝土壩裂縫

碾壓混凝土壩是指利用碾壓機(jī)在混凝土面層上均勻碾壓,實(shí)現(xiàn)大倉(cāng)面施工,其中材料使用硬性超干無坍落混凝土,需保證振動(dòng)壓實(shí)波傳遞至底層,均勻壓實(shí),攤鋪混凝土厚度約為30cm。在配合比組分、成型條件、高摻量混凝側(cè)料方面,碾壓混凝土與普通混凝土差別顯著。寒區(qū)混凝土裂縫較多,氣溫驟降時(shí),短期內(nèi)混凝土無法發(fā)揮徐變作用,內(nèi)外溫差大,增大了結(jié)構(gòu)的溫度梯度,大幅度增加溫度應(yīng)力。寒潮溫度降低時(shí)間一般不超過2～3d,對(duì)結(jié)構(gòu)深度影響通常在1m以內(nèi),由溫度降低引發(fā)的混凝土裂縫多發(fā)生于表層,主要出現(xiàn)于收倉(cāng)平面上,產(chǎn)生水平淺縫[1]。此外,寒潮來臨后,混凝土還可能產(chǎn)生深層裂縫,最深處斷面寬度是1/2～1/4。深層裂縫產(chǎn)生主要是由于內(nèi)部溫度遠(yuǎn)高于穩(wěn)定溫度,同時(shí)受老混凝土約束、表面孔洞、混凝土結(jié)構(gòu)不規(guī)則變形等多重因素影響,在環(huán)境溫度驟然降低等氣候條件下,表面裂縫逐漸發(fā)展成深層裂隙,影響結(jié)構(gòu)物安全[2]。

2 寒區(qū)碾壓混凝土壩防裂方法

2.1 降低發(fā)熱量

碾壓混凝土施工時(shí),為降低裂縫出現(xiàn)概率,重點(diǎn)在于水泥選用,要求選擇水熱化低與凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)的型號(hào),從源頭上降低溫度。因?yàn)楫a(chǎn)生的水化熱小,會(huì)使水泥強(qiáng)度發(fā)展緩慢,以此減少溫度差,避免表面開裂?？梢钥紤]減少水泥用量,配置時(shí)多添加粉煤灰,以消減水化熱峰值,避免泌水離析,優(yōu)化材料和易性與黏性,使得后續(xù)振搗更為密實(shí),需注意不同水泥品種,摻加粉煤灰數(shù)量也要隨之變化,最大可取代10%～30%水泥[3]。還可摻加高效減水劑,減少水泥與水用量,選用顆粒良好、粒徑較大的粗集料,控制用砂量,以免過多。同時(shí),采用低流動(dòng)性混凝土,在施工技術(shù)允許下,盡量使用低坍落度混凝土,精準(zhǔn)控制水灰比。

2.2 降低澆筑溫度

碾壓壩施工過程中,要求施工人員選擇低溫環(huán)境的早晚時(shí)間澆筑施工,材料堆放至陰涼處,或是通過噴水將集料熱量冷卻。儲(chǔ)存水泥的罐子外部噴涂白色油漆,適當(dāng)灑水冷卻。在拌和混凝土過程中,適當(dāng)加入冰塊,降低入模溫度,以冰片替代部分水為常用方法,注意拌和結(jié)束前冰塊全部融化。運(yùn)輸混凝土中,外界如果熱量較高也會(huì)對(duì)其造成影響,需要利用草簾、布條等覆蓋,或是直接淋水降溫,降低混凝土溫度。

2.3 分層分塊澆筑

在混凝土澆筑時(shí),結(jié)構(gòu)尺寸越大,其約束力也越強(qiáng)。對(duì)于平面尺寸較大的混凝土結(jié)構(gòu),可以采用分層分塊澆筑的方式。若將其分為多塊進(jìn)行澆筑,可以減少約束力。分塊長(zhǎng)度與分層厚度,需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件、混凝土尺寸、工期等因素來確定,以免分塊過長(zhǎng),或是分層過厚,不利于釋放混凝土內(nèi)部溫度,增加混凝土束縛[4]。同時(shí),還要結(jié)合混凝土要求,控制結(jié)構(gòu)厚度不超過3m。整體寬度或平面連續(xù)澆筑時(shí),厚度與多層混凝土相同,在一層混凝土初凝前,進(jìn)行二層澆筑;利用振動(dòng)壓力,確保上下兩層混凝土構(gòu)成整體,逐層碾壓壓實(shí),完成整體澆筑。具體分層方式包括分段、斜面及全面分層等。

2.4 埋設(shè)冷卻水管

碾壓混凝土內(nèi)部可以設(shè)置管網(wǎng),利用流動(dòng)循環(huán)的冷水,降低混凝土溫度。

2.5 安排施工進(jìn)度

混凝土施工中,有序安排施工進(jìn)度與操作程序是減少表面裂縫、避免出現(xiàn)基礎(chǔ)貫穿裂縫的重要措施。

2.6 表面保濕保溫

碾壓混凝土為避免開裂,重點(diǎn)在于盡可能減少新澆混凝土水分喪失,控制內(nèi)外溫差在25℃以內(nèi)。如果表面水分蒸發(fā)速度較快,或降低溫度幅度較大,均易引發(fā)混凝土出現(xiàn)表面開裂現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致裂縫向內(nèi)延伸。因此,碾壓混凝土需長(zhǎng)期保濕保溫,令表面緩慢干燥,以此提高混凝土強(qiáng)度,抵抗開裂拉應(yīng)力。養(yǎng)護(hù)方法包括覆蓋灑水和蓄水養(yǎng)護(hù)等,時(shí)間需超過14d。

3 寒區(qū)碾壓混凝土壩保溫材料選擇

寒區(qū)碾壓混凝土壩保溫中,選擇恰當(dāng)保溫材料對(duì)防裂具有重要作用,要兼具保濕、保溫、養(yǎng)護(hù)功能。常用保溫材料如下:

3.1 珍珠巖發(fā)泡材料

該材料常用于20世紀(jì),為傳統(tǒng)大壩保溫材料。鑒于普通珍珠巖吸水后容易膨脹開裂,研發(fā)出了?；⒅殚]孔型珍珠巖與閉孔珍珠巖,通過封閉珍珠巖氣孔,可增加珍珠巖吸水率,提高材料強(qiáng)度。珍珠巖由礦物纖維與珍珠巖加水性結(jié)合劑生產(chǎn)而成,適應(yīng)性好、環(huán)境危害小,礦物原料能夠自然消解,理化性能見表1。

表1 珍珠巖理化性能

3.2 聚苯乙烯泡沫板

該材料有連續(xù)擠出型聚苯乙烯與膨脹性聚苯乙烯,前者保溫效果更好,呈現(xiàn)閉孔蜂窩的完美結(jié)構(gòu),不會(huì)出現(xiàn)裂縫,導(dǎo)熱率低、吸水性強(qiáng),抗壓與抗老化性能高,是常用保溫材料。連續(xù)擠出型聚苯乙烯密度≥40kg·(m3)-1,耐火度B3,壓縮強(qiáng)度≥0.25,體積吸水率≤1.0%,吸濕率3.9%,導(dǎo)熱系數(shù)0.03W/m·k。連續(xù)擠出型聚苯乙烯能夠阻止熱傳導(dǎo),板材強(qiáng)度大、自身較為輕便,長(zhǎng)期浸泡于水中,也不會(huì)吸水變形,抗沖擊性強(qiáng)、不易分解,壽命長(zhǎng)達(dá)30～40a[5]。但是材料強(qiáng)度過高,板材容易脆裂,不透氣,導(dǎo)致內(nèi)外結(jié)構(gòu)溫差大。膨脹性聚苯乙烯為避免材料吸水,通常表面會(huì)涂抹丙烯酸水泥漿,外觀呈灰色,如果塊狀體保溫板黏結(jié),將會(huì)產(chǎn)生裂隙,特別是寒區(qū),容易受冰凍與熱脹冷縮影響[6-8]。

3.3 聚氨酯材料

該材料為常見保濕保溫材料,由于水電工程復(fù)雜,對(duì)材料要求較為嚴(yán)格,在受熱或受冷條件下,聚氨酯體積會(huì)產(chǎn)生變化。而尺寸改變與材料密度、結(jié)構(gòu)、環(huán)境有關(guān),其密度是29～65kg·(m3)-1,耐燃性<2s,壓縮強(qiáng)度≥0.17MPa,體積吸水率2%～5%,穩(wěn)定性<2.0%,導(dǎo)熱系數(shù)≤0.02W/m·k。聚氨酯泡沫與混凝土黏結(jié)效果好,兼具保濕、防水、吸振、保溫、隔音等功能,對(duì)環(huán)境危害小、耐撞擊性強(qiáng),使用后期保溫板會(huì)呈現(xiàn)顏色變化。寒區(qū)由于晝夜溫差大、氣候變化大,為減輕溫度應(yīng)力,通常壩面上下游會(huì)噴涂聚氨酯涂層,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期保溫[9-11]。

4 案例分析

某碾壓混凝土壩處于寒區(qū),多年氣溫實(shí)測(cè)資料,平均氣溫是4.9℃,冬季氣溫最低-37.0℃,極端溫差是79.5℃。由于氣候條件嚴(yán)寒,每年11月～次年3月停工越冬,面臨倉(cāng)面長(zhǎng)期蓋被、間歇、揭被等問題,處理不當(dāng)會(huì)造成混凝土開裂。該工程是Ⅰ等大(1)型工程,主體使用碾壓混凝土,壩高最大是94.5m,以往越冬保溫采取橡塑海綿保溫被,上下均用三防布防潮、防風(fēng)。采取聚氨酯保溫材料,利用個(gè)材料層間黏結(jié)性、韌性,結(jié)合保溫層尺寸分縫,做到分塊防護(hù),釋放內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度,仿真溢流壩段,采取有限元法,結(jié)合不同等效放熱系數(shù),計(jì)算越冬層面安全系數(shù)、最大應(yīng)力、保溫材料等。為獲取有效數(shù)據(jù),通過埋設(shè)在壩體的溫度計(jì),進(jìn)行測(cè)量降雪保溫相關(guān)數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場(chǎng)布置溫度傳感器,首層厚度取0.5m,將1個(gè)溫度傳感器設(shè)置在混凝土與雪層之間,進(jìn)行測(cè)量。設(shè)置測(cè)控時(shí)間,每30min進(jìn)行一次實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量。通過實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)分析來看,降雪后最低覆蓋溫度達(dá)到-2.75℃,此時(shí)環(huán)境氣溫約-26℃,溫差值為23.25℃,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,降雪有一定保溫效果。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2,雪層厚度0.5m時(shí),保溫材料厚度為30cm,橡膠海綿保溫被上覆蓋厚0.5m雪保溫,安全系數(shù)是1.65,最大應(yīng)力1.78MPa。

表2 不同放熱系數(shù)時(shí)安全系數(shù)、最大應(yīng)力、保溫材料厚度

綜合表2數(shù)據(jù)分析可知,相同保溫材料能夠節(jié)省36cm厚度,每層保溫厚度為2cm,則可節(jié)省18層保溫被。所以,寒區(qū)越冬保溫時(shí),適當(dāng)利用寒區(qū)降雪與保溫材料,能夠節(jié)省材料支出,經(jīng)濟(jì)適用。通過此種方法,可以預(yù)防保溫層脫落開裂,有效長(zhǎng)期的防護(hù)混凝土壩。

5 結(jié) 論

為解決寒區(qū)碾壓混凝土早期被凍、裂縫、溫差控制等問題,需提前做好其越冬保溫工作。文章以寒區(qū)碾壓混凝土壩為例,分析了碾壓混凝土壩施工過程中常應(yīng)用的降低發(fā)熱量、降低澆筑溫度、分層分塊澆筑、埋設(shè)冷卻水管、安排施工進(jìn)度、表面保濕保溫等防裂方法,提出了適合寒區(qū)碾壓混凝土壩的越冬保溫措施,并進(jìn)行了相關(guān)案例分析,以期為寒區(qū)工程建設(shè)等工作提供參考借鑒。