塢式船閘大體積混凝土澆筑溫控防裂技術(shù)研究

收稿日期：2024-01-12

作者簡(jiǎn)介：詹杰（1984—），男，本科，工程師，從事水運(yùn)港口相關(guān)工作。

摘要 文章結(jié)合某船閘工程案例，首先簡(jiǎn)要概述了工程的基本情況，然后分析了大體積混凝土澆筑入倉(cāng)方式的選擇、執(zhí)行三級(jí)配低流動(dòng)性混凝土配合比、預(yù)留施工縫和冷卻水管等方面，最后梳理介紹塢式船閘大體積混凝土澆筑施工的溫控防裂技術(shù)。研究表明，大體積混凝土澆筑溫控防裂技術(shù)具有良好的防裂效果，值得廣泛推廣。

關(guān)鍵詞 塢式船閘；大體積澆筑；溫控防裂；技術(shù)研究

中圖分類號(hào) U641.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0134-03

0 引言

塢式船閘具有基礎(chǔ)應(yīng)力均勻、整體性好、出入操作效率高、方便維護(hù)和安全性高等技術(shù)特點(diǎn)，在內(nèi)河航道工程中常見(jiàn)應(yīng)用。塢式船閘U形結(jié)構(gòu)中，底板是相對(duì)比較薄弱的部分，容易在致害因素影響下發(fā)生開(kāi)裂。其中，大體積混凝土溫度應(yīng)力引發(fā)開(kāi)裂是一個(gè)重要的致害因素，因此船閘大體積混凝土澆筑溫控防裂是一項(xiàng)實(shí)用意義很強(qiáng)的工程質(zhì)量控制技術(shù)。該文結(jié)合船閘工程案例，介紹所應(yīng)用的溫控防裂、現(xiàn)場(chǎng)溫控監(jiān)測(cè)和防裂效果分析等技術(shù)要點(diǎn)，可為同類工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 工程概況

案例樞紐及船閘建在某河流入口上游的1.80 km區(qū)域，閘址的匯水面積為11 260 km2，水流量年均約117.57億平方米。四級(jí)船閘的規(guī)格如下：有效寬度為23.00 m，有效長(zhǎng)度為280.00 m，門(mén)檻水深4.00 m。上、下兩個(gè)閘首采取塢式整體結(jié)構(gòu)，由箱型邊墩和鋼混凝土底板構(gòu)成。上下游引航道底寬度為60.00 m，長(zhǎng)度是450.00 m，水深為3.60 m。

該工程主要采用低塑性C25混凝土建設(shè)，特別注意考慮了抗開(kāi)裂、抗?jié)B透和抗凍害性等性能，因此對(duì)閘首、引航墻和側(cè)墻等各種混凝土結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行了實(shí)心或空心體特別設(shè)計(jì)。針對(duì)約束狀態(tài)復(fù)雜、易形成應(yīng)力集中的一些多變斷面、大長(zhǎng)寬比或者薄壁結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了受力分析和狀態(tài)優(yōu)化計(jì)算，以增加可靠性。該工程的一些實(shí)心結(jié)構(gòu)的單次澆注量大，有的甚至達(dá)到了1 072.80 m3。施工作業(yè)跨越年度高低溫季節(jié)，整個(gè)工期較長(zhǎng)，歷經(jīng)比較大的環(huán)境溫度變化，使工程溫控變得復(fù)雜。工程嚴(yán)格加強(qiáng)溫控要求，嚴(yán)格防范結(jié)構(gòu)發(fā)生溫度裂縫。

2 主要溫控防裂技術(shù)

2.1 大體積澆筑的入倉(cāng)方式

按照船閘施工規(guī)范要求，采用吊罐方式入倉(cāng)時(shí)，最好把混凝土坍落度控制在50～80 mm之間，骨料最好采取三級(jí)配制，最大粒度不要超過(guò)80 mm。如果采取泵送工藝，就應(yīng)該控制混凝土的坍落度，一般在120～180 mm之間把握，粗集料一般采取連續(xù)級(jí)配制。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，該工程決定采用低流動(dòng)性的三級(jí)配制混凝土。在澆注閘室、閘首和底板時(shí)，所用混凝土場(chǎng)拌生產(chǎn)，再由自卸車運(yùn)到作業(yè)點(diǎn)，倒入料斗（容量為6.00 m3），再操作入倉(cāng)。對(duì)于閘墻、閘室、閘首以及邊墩的澆筑，采用移動(dòng)式塔吊進(jìn)行，塔吊裝配在船閘底板，由吊罐投送入倉(cāng)。塔吊布置見(jiàn)圖1所示[1-5]。

2.2 執(zhí)行三級(jí)配低流動(dòng)性混凝土配合比

上下閘首均采取了整體塢式結(jié)構(gòu)。其中，上閘首的規(guī)格為38.00 m×42.50 m，口門(mén)寬度為23.00 m，邊墩寬度為9.75 m。閘首沿縱向分成了2個(gè)部分，其上下游長(zhǎng)度分別為24.00 m和14.00 m，底板厚度是3.00 m，底板高度在19.00～14.50 m之間漸變，邊墩頂高是39.00 m，門(mén)檻頂高采取24.00 m，門(mén)檻上的最低水深是4.00 m。下閘首采取30.0 m×42.50 m規(guī)格，邊墩寬度為9.75 m，口門(mén)寬度值為23.00 m，底板的底部高程是14.50 m，厚度是3.00 m，門(mén)檻頂高采取18.50 m，門(mén)檻上的最小水深也是4.00 m。

上閘首墊層用C20W4強(qiáng)度混凝土料，底板用C25W4強(qiáng)度混凝土料，寬縫用C30W4強(qiáng)度膨脹混凝土料。邊墩用C25W4F50強(qiáng)度混凝土料，二期則用C30W4F50強(qiáng)度膨脹混凝土料；下閘首墊層用C15強(qiáng)度混凝土料，底板用C25強(qiáng)度混凝土料，寬縫用C30強(qiáng)度膨脹混凝土料，消力檻和導(dǎo)流墩則用C30強(qiáng)度混凝土料，邊墩用C25F50強(qiáng)度混凝土料，二期用C30F50強(qiáng)度膨脹混凝土料。

閘室采取的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其寬度為23.20 m，凈寬為23.00 m。墻的底寬為3.00 m，高度是14.00 m，底板采取2.50 m厚度。閘室底板的普通段采取的高度是18.50 m，消力池段的底板采取的高度是17.50 m。胸墻的頂高為33.70 m，閘墻的頂高是32.50 m。整個(gè)閘室長(zhǎng)290.00 m，共分20個(gè)結(jié)構(gòu)段。消力池底板用的是C30混凝土。閘室墊層采用C15強(qiáng)度混凝土料，而其他的閘室段則采用C25強(qiáng)度混凝土料。閘墻采取C25F50強(qiáng)度混凝土料，底板施工寬縫使用C30強(qiáng)度膨脹混凝土料[6-9]。

浮式系船柱澆筑二期采用的是C30F50強(qiáng)度膨脹混凝土，澆筑胸墻二期則用的是C25F50強(qiáng)度混凝土。為了防止混凝土開(kāi)裂，澆筑施工主要采取吊罐法進(jìn)行。船閘澆筑使用的各級(jí)別混凝土的澆筑量如表1所示：

表1 船閘澆筑使用混凝土與澆筑量

混凝土級(jí)別 C25 C20 C15 C30膨脹

澆筑量/m3 64 407 181 1 379 2 313

基于船閘施工規(guī)范和水上工程澆筑混凝土規(guī)范，對(duì)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，確定出滿足要求的配比。

（1）水泥用量要低。

（2）堆積最大密度要高。

（3）水膠比適宜。

（4）砂率合理。采用中等粒度的砂料，在滿足力學(xué)性能、持久性能和施工性能的基礎(chǔ)上，盡量控制降低混凝土材料的收縮性，增強(qiáng)其體積穩(wěn)定性。

（5）粗集料選擇比較大的粒度。為了滿足施工要求，應(yīng)盡量選用大粒度的粗集料，以減少膠凝材料和水的使用，增強(qiáng)混凝土的本身抗裂能力。

（6）摻入高品質(zhì)硅質(zhì)飛灰。摻入高品質(zhì)硅質(zhì)飛灰，不僅可以減少水泥用量，還可以減小溫度變化和收縮，增加混凝土的持久性和抗裂性。

（7）使用優(yōu)質(zhì)高效減水劑。在綜合考慮原材料性能和供應(yīng)能力等因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目的指標(biāo)要求和檢測(cè)結(jié)果，選擇優(yōu)質(zhì)原材料進(jìn)行配比試驗(yàn)，獲得主要結(jié)構(gòu)部位三級(jí)配低流動(dòng)性混凝土配合比，施工中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行[10-12]，如表2所示。

2.3 施工縫預(yù)留

為了控制和防范結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，塢式閘在閘室底板的中部采取預(yù)留一條施工縫的工藝，墩底分層澆筑，預(yù)留寬縫，后期進(jìn)行封閉。為了讓閘首底板和閘室的混凝土澆筑得更牢固，在一起澆灌時(shí)，預(yù)埋了一些鋼筋，并且在混凝土之間留了一條寬縫。在底板預(yù)留了鋼筋接頭，開(kāi)始二期澆筑作業(yè)之前，需要將它們和底板連接起來(lái)，成為一個(gè)整體。開(kāi)始膨脹混凝土澆筑作業(yè)前，需要把寬縫里可能存在的泥水和雜物清理干凈，裝好結(jié)構(gòu)筋和加力筋，還要適當(dāng)濕潤(rùn)結(jié)合面，然后再分層操作混凝土澆筑。在低溫季節(jié)，應(yīng)先對(duì)閘室和閘首底板澆筑混凝土。這樣可以保證澆筑后不會(huì)發(fā)生收縮開(kāi)裂，并且一期和二期混凝土能很好地結(jié)合。

2.4 冷水管的預(yù)埋操作

為了控制和降低水化熱溫升，在該工程中使用了預(yù)設(shè)冷水管。為了確保船閘的澆筑強(qiáng)度，特別準(zhǔn)備了兩套攪拌系統(tǒng)，每套攪拌系統(tǒng)的生產(chǎn)能力在40 m3。選用了深井低溫水作為攪拌用水，還配備了冷水機(jī)組，生產(chǎn)出5 ℃冷水，用于淋濕骨料，以進(jìn)一步降低攪拌水的溫度。

盡量在夜間、傍晚和清晨等這些低溫時(shí)段進(jìn)行混凝土澆注作業(yè)，盡可能避免在不利的天氣條件下施工。加強(qiáng)出料的溫度控制，可以采用以下措施：①盡可能在儲(chǔ)放砂石料的倉(cāng)頂搭建遮陽(yáng)棚，避免陽(yáng)光直射，必要時(shí)配備冷水噴水管，并及時(shí)對(duì)粗集料澆水降溫。②選擇溫度相對(duì)較低的井水進(jìn)行材料調(diào)拌。

溫度控制要求：為了保證澆筑質(zhì)量，采取必要措施控制澆筑體內(nèi)部溫度。尤其是基礎(chǔ)約束區(qū)，一般最高溫度不能超過(guò)38.00 ℃，非約束區(qū)的最高溫度也不能超過(guò)40.00 ℃，澆筑內(nèi)表溫度差必須小于25.00 ℃。為了達(dá)到這個(gè)要求，采用了埋設(shè)冷卻水管的助力溫控工藝，泵吸江水用作冷卻水。

水冷卻方案：①選擇直徑2.50 cm和2.80 cm的通水鐵管。②混凝土澆筑完成后，馬上通冷水，并保證連續(xù)給水12 d。③注意控制出水流量，通常按20～25 L/min控制。④為了提高冷卻效果，保證冷水溫度，一般情況下每6 h變水流方向。⑤每隔1～2 h，給水測(cè)溫并詳細(xì)記錄。⑥保持冷卻管密封性。⑦澆筑體內(nèi)部溫度最高不超出60.00 ℃，進(jìn)口冷水溫度與澆筑體內(nèi)部溫度差值不可超過(guò)25.00 ℃。⑧每天的降溫速度不應(yīng)當(dāng)超出2.00 ℃。⑨當(dāng)溫度平均值降在26.00～28.00 ℃時(shí)，應(yīng)當(dāng)停止通水；⑩內(nèi)埋管完成使用后要封堵好。

3 現(xiàn)場(chǎng)溫控監(jiān)測(cè)

應(yīng)用溫度傳感器和溫度檢測(cè)儀器進(jìn)行溫控監(jiān)測(cè)。

監(jiān)督冷卻管的規(guī)格、配置、水源和動(dòng)力配備是否符合溫控方案。澆筑前2 h開(kāi)展壓水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)漏水要及時(shí)處理。

檢測(cè)原料溫度，通過(guò)計(jì)算獲得入模溫度。如果計(jì)算出的入模溫度突破溫度控制設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，則采取降溫輔助措施。

檢測(cè)入模溫度，檢測(cè)頻率為1次/h。

測(cè)量環(huán)境、冷卻水和混凝土的溫度。一般混凝土在澆筑2～3 d后即可以達(dá)到溫度峰值，然后有個(gè)短暫的溫度速降期，在6～7 d后進(jìn)入穩(wěn)定降溫期。實(shí)測(cè)結(jié)果，并對(duì)比預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果，分析實(shí)測(cè)溫度、溫變速度和冷卻水功效等參數(shù)，適當(dāng)修正預(yù)測(cè)參數(shù)，提高現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)性。

養(yǎng)護(hù)階段一般分為4個(gè)部分：澆注、升溫、降溫和穩(wěn)定降溫。這些部分都需要注意溫控。除此之外相關(guān)養(yǎng)護(hù)措施也有必要進(jìn)行監(jiān)控，比如養(yǎng)護(hù)過(guò)程的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間保證等。計(jì)算內(nèi)表溫度差，保持內(nèi)表溫差在一定范圍內(nèi)，根據(jù)內(nèi)表溫度差調(diào)節(jié)養(yǎng)護(hù)措施，以確保養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

溫控工程師需要每天都對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果修正溫控模型的計(jì)算。如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，要及時(shí)給出溫控的建議或指令。溫控任務(wù)結(jié)束后，要形成一份溫控總結(jié)報(bào)告，每周還要提交一份溫控周報(bào)。

4 防開(kāi)裂效果評(píng)測(cè)分析

采取了溫控措施以后，開(kāi)展必要的防裂效果評(píng)測(cè)分析。對(duì)澆筑混凝土給予溫控質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)澆筑混凝土是否符合防裂溫控技術(shù)指標(biāo)，詳見(jiàn)表2所示。觀察混凝土表面狀態(tài)，如果表面質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，則預(yù)示防裂溫控效果良好[13]。

表2 分層澆筑方案下底板防裂溫控的參考指標(biāo)

施工期 高溫季節(jié) 秋冬低溫季節(jié)

部位 下閘首 上閘首

澆筑溫度/℃ <26.00 <14.00

最高溫度/℃ 34.00 29.00

基礎(chǔ)溫差/℃ <15.00 <10.00

內(nèi)外溫差/℃ <7.00 <9.00

降溫速率/（℃/d） <1.40 <1.10

5 結(jié)語(yǔ)

基于工程案例，梳理介紹了塢式船閘大體積澆筑溫控防裂技術(shù)。要點(diǎn)包括：大體積混凝土澆筑采取吊罐入倉(cāng)方式；嚴(yán)格執(zhí)行三級(jí)配低流動(dòng)性混凝土配合比；預(yù)留施工縫；冷卻水管；控溫；加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)溫控監(jiān)測(cè)和防裂效果分析。塢式U形船閘的底板是相對(duì)比較薄弱的結(jié)構(gòu)部分，容易在致害因素影響下發(fā)生開(kāi)裂。大體積混凝土溫度應(yīng)力是一個(gè)引發(fā)開(kāi)裂的重要致害因素，船閘大體積混凝土防范開(kāi)裂，在澆筑施工中應(yīng)注意加強(qiáng)上述溫控防裂技術(shù)的實(shí)施和落實(shí)。

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