船塢大體積混凝土防裂與溫度的控制應用

趙祉勝 黃磊明

（中海工程建設總局 北京 100036）

1 概況

青島海西灣修造船基地造船塢主要由1號、2號造船塢，水泵房，總組及舾裝場，分段預舾裝場，分段翻身裝焊平臺，1號、2號船塢主機預舾裝場等組成。其中泵房底板及塢墩為大體積混凝土，塢壁、塢室底板為現澆混凝土。為防止結構混凝土水化熱過大及結構尺寸變化引起裂縫，我們結合工程實際開展了混凝土防裂的系統試驗及結構溫度測量與控制的應用研究。

2 混凝土實際應用情況

綜合各項技術經濟情況分析結果，施工采用單摻粉煤灰（摻量14%、18%）拌和塢壁及底板混凝土，復合摻加粉煤灰（摻量13%）及膨脹劑（摻量8%～10%）拌和泵房底板及塢墩大體積混凝土。具體情況見下表。

混凝土技術參數表

3 混凝土防裂施工措施

3.1 混凝土拌和

a.為保證混凝土質量，混凝土用二級配碎石進場后篩洗分級；河砂過篩。

b.夏季施工，根據混凝土入倉溫度情況（不超過28℃），碎石料堆撒水降溫，拌和水池添加冰塊，拌和料倉設遮陽棚。

3.2 混凝土澆筑

混凝土澆筑分段分層進行，使混凝土沿高度均勻上升；混凝土澆筑入倉溫度不超過28℃。大體積混凝土澆筑時，使混凝土初凝時間滿足混凝土覆蓋時間要求，避免產生冷縫。

3.3 混凝土構件養護

a.單摻粉煤灰的塢壁、底板混凝土構件潮濕養護不少于14天；復合摻加粉煤灰及膨脹劑的混凝土構件潮濕養護不少于21天。

b.根據混凝土構件內部溫度測量結果，對可能產生裂縫的部位設置降溫或保溫措施。

4 大體積混凝土構件的內部溫度測量與控制

4.1 測溫設備

振弦式溫度傳感器是利用弦線的振動頻率受溫度影響這一原理而最新研制成功的一種溫度傳感器。因測量簡便、抗環境干擾能力強，適用于長期測定0～100℃范圍內的混凝土內部溫度或環境溫度。配用專門軟硬件后，可自動進行多點長期監測。測量誤差可限制在2℃以內。我們根據河海大學研究所的推薦，選用了山東科技大學洛賽爾傳感技術有限公司生產的成套溫度測量設備，傳感器為WDG—1型溫度傳感器（總計使用80只），讀數器采用多點巡測儀，自配筆記本電腦用于數據的記錄。

4.2 工程主體

北船重工青島海西灣造修船基地位于膠州灣口門西南側的海西灣內，坐南朝北。1號塢（30萬t級）尺度為480m×96m×14.1m，2號塢（50萬 t級） 尺度為 530m×125m×13.1m，各設浮箱式塢門一座，兩塢間塢口處設共用水泵房一座，塢口朝北，船塢泵房底板及塢門墩等為大體積鋼筋混凝土結構，現以2號塢塢口情況為例說明大體積混凝土溫度測控情況。

2號塢口寬147m，其中東塢墩10.0m，塢口底板125m，西塢墩12.0m，門檻頂標高-6.4m，塢口底標高-11.4m。塢口底板及塢墩屬于大體積混凝土，采取分層施工工藝。

2號塢墩分為 5 層，第一層標高為-11.4～-7.4m，混凝土方量為 2334m3；第二層標高為-7.4～-3.0m，混凝土方量為1329m3；第三層標高為-3.0～1.4m，混凝土方量為 1329m3；第四層標高為 1.4～4.4m，混凝土方量為 906m3；第五層標高為4.4～5.8m，混凝土方量為423m。具體情況見圖1。

圖1 2號塢口分層示意圖

4.3 測點布置情況

根據構件大多為實體混凝土的結構特點，我們把測點設在混凝土內部幾何中心位置，這樣就能測出混凝土內部溫度最高值。為監測混凝土熱量的向上下傳播，又在混凝土上下表面20cm處各埋設一測溫傳感器（代表了構件表層溫度及底部溫度）。同時我們還測量了大氣溫度（太陽直射到傳感器上）和蓄水養護時的養護水溫度，以了解大氣、養護水等環境溫度對混凝土內部溫度變化的影響。當混凝土構件厚度較大時，我們還在中心傳感器與上下表層傳感器的中心各加一個傳感器，以測量混凝土內部溫度變化情況。

4.4 幾種典型構件的溫度測量與控制

4.4.1 未設冷卻水管不同厚度構件降溫對比情況

圖2 未設冷卻水管不同厚度構件對比情況

如圖2所示，同樣未設冷卻水管，厚度大（h=3.7m）的構件內部最高溫升（84.5℃）不僅比厚度?。╤=1.9m）的（實測 63.8℃，加上兩者入模溫度差修正加 8℃，為 71.8℃）高約12℃，而且高溫持續時間長，溫度長期居高不降，到290h還有78℃左右。板頂熱量向大氣擴散，不受板厚的影響，溫度下降較快，在降溫季節，內外溫差越來越大，直至入倉450h，還達32℃，一般在40℃左右。而板厚為1.9m的構件，構件內外溫度下降均較快，其最大溫差約為23.1℃，且持續時間短?？梢?，厚度大了而不設冷卻水管，不僅板中和板底溫度居高不下，內外溫差更是居高不下，容易造成開裂。

4.4.2 同厚度同設一層冷卻水管，間距不同降溫情況對比以2號塢東塢墩二層為例，圖3中各部位對比分析如下：

圖3 同厚度同設一層冷水管，間距不同降溫情況（2號塢東塢墩二層）

a.板頂溫度。在混凝土的升溫階段和降溫初期階段，?1.00m及?2.00m冷卻水管板頂溫度與管邊溫度幾乎同梯度升降，比各自的管邊溫度低4℃左右，降時比大氣最低溫度高7℃左右。

b.管邊溫度。在混凝土的升溫階段和降溫初期階段，?1.00m及?2.00m冷卻水管管邊溫度幾乎同步升降，前者比后者低15℃左右，在混凝土的降溫后期階段，停水時，?1.00m處管邊溫度反彈上升，上升4℃后趨于平穩不變，?2.00m處管邊溫度不反彈上升而繼續下降，只是下降梯度很小。

c.冷卻水管中上部溫度。在混凝土的升溫階段和降溫初期階段，?1.00m及?2.00m冷卻水管中上部溫度與管邊的溫度同步升降，其峰值溫度分別比各自管邊的峰值溫度高5℃、3℃左右，到達峰值的時間均約滯后6h，因下降梯度較大，末了均比各自管邊的溫度稍低，停水后，管邊的溫度平穩下降或下降梯度很小，而中上部溫度因向大氣散熱而繼續下降，其結果是中上部溫度比各自管邊的溫度約低6℃左右。

d.冷卻水管中下部溫度。在混凝土的升溫階段和降溫初期階段，?1.00m及?2.00m冷卻水管中下部溫度與管邊的溫度同步升降，其峰值溫度分別比各自管邊的峰值溫度高10℃、7℃左右，此后，仍維持這一溫差，到達峰值的時間幾乎相同；停水后，與管邊的溫度一樣，也平穩或下降梯度很小，且比各自的管邊溫度高5℃左右。

綜上所述，管間距越大，混凝土內部溫度越高，溫度下降越慢，最高溫升越高，由此可見，管間距越小越好，但管間距越小，布管密度越大，成本越高。并且對結構影響也越大?？梢姽荛g距也有限制，一般以1～1.5m為宜，不應大于 2.0m。

4.4.3 表面蓄水與噴水對表層溫度的影響

以2號塢東塢墩二層與2號塢東塢墩三層相比為例，從圖4可見，37～141h，因受天氣變化影響，養護水域板頂溫度偏低，此時，板頂溫度應達到最高點，但因天氣影響，有較大波動。但因受養護水的保溫影響，其溫度變化最大為7℃。而大氣最大變化為12℃，且溫度偏低。在全檢測過程中，養護水溫度基本處于大氣溫度與板頂溫度之間。板頂溫度暫趨平衡時，大氣溫度約為26～43℃，板頂溫度為34.6～37.4℃，在同期施工的2號塢東塢墩第三層測量數據（噴水養護，埋設冷卻水管降溫）：板頂溫度暫趨平衡時，大氣溫度約為29～40℃，板頂溫度為41.7～43.3℃，溫度較高于未蓄水的構件板頂約6～7℃?？磥?，蓄水養護是可以保溫，使板頂保持較高的溫度。

在板頂溫度暫趨平衡后，養護水又起到減少大氣對構件溫度影響的作用，從圖4中可看出，大氣溫差最大可達17℃，而養護水溫差則只有9～12℃，板頂溫度變化則只有1.6℃，不到2℃。在同期施工的2號塢東塢墩第三層測量數據（噴水養護，埋設冷卻水管降溫）：在澆注后207h時，大氣日氣溫變化為8.5℃，而板頂溫度變化則為3.9℃。其效果十分明顯，可見蓄水養護水不但起到保溫作用，而且還可降低溫度巨變對構件溫度的影響，減少因溫度劇變而引起構件開裂的可能性。

4.4.4 中途停水對降溫過程的影響

圖4 表面蓄水對表層溫度的影響（2號塢東塢墩三層）

再以2號塢東塢墩三層為例，從圖4可見，澆筑后即通水冷卻，測得22h后埋深1.7m測點最高溫度為75.1℃，比未設冷卻水管的 2 號塢東塢墩（-7.3～-3.6m，厚3.7m）中心最高溫度 84.2℃，低了 9.1℃，即將溫升峰值約降低了10℃左右；通水冷卻154h后，停水前，埋深1.7m測點溫度降至52.5℃，每天平均降4.5℃。每天以4℃再下降，6天后可望降至28℃，與大氣最低溫度持平衡。這樣，就好進冬，不怕冷擊，不會出現“夏季不裂，冬季裂”的情況。澆完，即通水降溫，能削峰又減少通水冷卻天數，經濟！154h后，因施工原因，通水停止?；炷羶炔繙囟燃赐Ｖ瓜陆?，甚至部分位置有所回升，這說明冷卻水對混凝土降溫的作用是極其明顯的。而在混凝土內部溫度下降未到平衡點時即停止通水，通水效果并未達到預期目的。故在大體積混凝土施工中，混凝土通水一定要嚴格按照溫度監測數據指導施工，以保證施工效果，并降低經濟成本。

4.5 溫度控制方法

根據對上述測量結果的分析，得出如下結論：對大體積混凝土，應采取“內降溫、外保溫”的養護措施，以控制混凝土內外溫差在一定的范圍內。內降溫，就是把水泥水化產生的熱量及時通過一定途徑排出，從經濟、速度、可控制性等方面考慮，可采用通冷卻水的方法。具體應注意到以下兩方面：

a.降溫管的布置。根據對已有測溫記錄的分析，得出如下結論：降溫水管間距宜為1.0m，不應大于1.5m。根據混凝土截面尺寸分層布置降溫水管管網，管網層間距宜為1.0m，不應大于1.5m，最下一層冷卻水管應適當偏下布置，以利于下部熱量消散，使混凝土構件內部溫度基本平衡，以免形成溫差（因板底對混凝土熱量消散不利）。降溫管網應有堅固托架支撐。降溫管可采用直徑不小于25mm的薄壁鋼管，鋼管的連接應牢固，密封可靠，以防在澆搗時把接頭震裂而漏水或混凝土進入堵塞水管。降溫水管網各分層之間不應連接，如必須連接，連接管不應埋在混凝土內，以便可分別控制。

b.降溫水的通水。在混凝土埋住降溫水管時即通水降溫，把水化反應初期的熱量帶走，而降低溫升峰值（及時通水可使混凝土的溫升峰值降低10℃以上，且有利于減少降溫的持續時間）。盡可能把混凝土內部溫度降至比每天大氣最高溫度不高于10℃再停止通水（為防止溫度突降，造成內外溫差因氣候變化引起突然超過控制值），并且絕不要中途停水。冬季環境溫度較低時，可把循環出的水流到混凝土板頂，形成約20cm厚的保溫層（實際效果同蓄水養護），以達到內降溫、外保溫的目的，且可以防止冷空氣對板頂混凝土的冷擊。應經常對進水溫度進行測量，進水溫度與混凝土內部溫度之差宜不大于25℃。

外保溫，就是通過某些控制方法采取一定措施，防止混凝土表面溫度散發過快，達到把混凝土構件內外溫差控制在某個范圍內的目的。外保溫的方法較多，如延長拆模時間、表面覆蓋塑料布（既保濕又保溫）、表層蓄水、采用加熱養護等，可根據現場實際情況采取相應措施。