混凝土防滲墻澆筑初期溫度特性分析

王文，陳科文，汪征

(1.國(guó)電大渡河金川水電建設(shè)有限公司，四川阿壩 624100;2.南充市城鄉(xiāng)供排水管理服務(wù)處，四川南充 637000)

混凝土是現(xiàn)代最重要的建筑材料和工程結(jié)構(gòu)材料之一，大體積混凝土結(jié)構(gòu)在水利工程建設(shè)中已得到了廣泛應(yīng)用，如混凝土重力壩、拱壩和混凝土防滲墻。而大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力及溫度裂縫問(wèn)題也越來(lái)越引起工程界的關(guān)注，工程的復(fù)雜性及混凝土材料的特殊性導(dǎo)致在進(jìn)行溫控設(shè)計(jì)、防止溫度裂縫方面出現(xiàn)了眾多問(wèn)題而一直在困擾著廣大設(shè)計(jì)及施工人員。因此，進(jìn)行混凝土溫度研究從而進(jìn)行有效的溫控防裂設(shè)計(jì)具有重要的意義。筆者以瀑布溝水電站基礎(chǔ)防滲墻澆筑初期溫度監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，分析了混凝土防滲墻澆筑初期溫度變化規(guī)律，供同類(lèi)工程參考。

1 工程概述

大渡河瀑布溝水電站是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙等綜合利用效益的大型水電工程。攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高186 m，總庫(kù)容53.37億 m3，裝機(jī)總?cè)萘?600MW。壩基覆蓋層最大厚度為77.9m，采用2道混凝土防滲墻全封閉防滲，墻厚1.2m，中心間距14m。副防滲墻高程670m以下最大深度為76.85m，主防滲墻高程670m以下最大深度為75.55m。副防滲墻高程670m以上頂部直接插入大壩心墻，插入深度為10m;主防滲墻頂部設(shè)有3.5m×4m的灌漿兼觀測(cè)廊道。

2 防滲墻溫度監(jiān)測(cè)布置

在下游墻(主防滲墻)樁號(hào)0+240、0+310監(jiān)測(cè)斷面，618、645、671m高程處各布設(shè)了一組雙向混凝土應(yīng)變計(jì)(共10支)。在上游墻(副防滲墻)樁號(hào)0+240監(jiān)測(cè)斷面，671、645、618m 高程各布設(shè)了一組雙向混凝土應(yīng)變計(jì)(共6支)。應(yīng)變計(jì)可觀測(cè)混凝土的應(yīng)變和溫度。圖1為0+240斷面防滲墻溫度監(jiān)測(cè)布置圖。

圖1 防滲墻0+240斷面儀器布置圖

3 大體積混凝土水化溫升原理

混凝土的基本材料之一——水泥的水化放熱量大致在200～400kJ/kg，這樣的熱量可以使絕熱狀態(tài)下的混凝土溫度上升30℃ ～40℃，如再疊加上自身原有的溫度，則混凝土中的最高溫度會(huì)達(dá)到70℃ ～80℃。但是水泥的水化放熱時(shí)間較長(zhǎng)，需要幾十天乃至幾個(gè)月的時(shí)間(一般以前3～7d的放熱量為最大)，在普通情況下(構(gòu)件尺寸、厚度不大時(shí))，這種放熱可以比較快地消散到周?chē)h(huán)境中，從而使混凝土內(nèi)部的溫度和周?chē)h(huán)境的溫度相差不大。而大體積混凝土由于熱量散發(fā)的路徑變長(zhǎng)，且因混凝土又是一種相對(duì)來(lái)說(shuō)散熱能力較差的介質(zhì)，因此，在初期階段(約0～4d)，混凝土中的放熱速度大于散熱速度，溫度不斷升高，混凝土受熱體積膨脹。此后，因放熱量大幅度降低，混凝土?xí)蛉匀怀掷m(xù)對(duì)外大量散熱而導(dǎo)致溫度降低，產(chǎn)生體積收縮。混凝土的水化規(guī)律和水化速率可以用水泥的水化放熱規(guī)律、水化速率衡量。

水泥的水化放熱規(guī)律:在連續(xù)介質(zhì)中的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布方程為:

當(dāng)每m3混凝土水泥含量為W(kg)時(shí)，混凝土總放熱規(guī)律按式(2)計(jì)算:

式中 Q為單位重量(kg)水泥的放熱量。

4 防滲墻溫度特征分析

根據(jù)應(yīng)變計(jì)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，圖2～5為其溫度變化過(guò)程線，表1為各曲線對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)值。

圖2 S1、S2溫度-時(shí)間曲線圖

圖3 S3、S4溫度-時(shí)間曲線圖

由表1可知，混凝土在澆筑后50h左右達(dá)到溫度峰值，峰值溫度比環(huán)境溫度高40℃ ～50℃，其中上游防滲墻最大峰值溫度為50.3℃，下游防滲墻最大峰值溫度為83.1℃。下游防滲墻混凝土溫度達(dá)到峰值溫度所需時(shí)間整體上較上游防滲墻多，其中上游防滲墻所需最長(zhǎng)時(shí)間為62h，下游防滲墻所需最長(zhǎng)時(shí)間為83h。

圖4 S7、S8溫度-時(shí)間曲線圖

圖5 S9、S10溫度-時(shí)間曲線圖

由圖2～5可知，混凝土澆筑初期各測(cè)點(diǎn)溫度變化具有相同特征，表現(xiàn)為在澆筑初期的幾天時(shí)間內(nèi)上升至峰值后降低，溫降速率小于溫升速率，在峰值溫度后的兩周時(shí)間內(nèi)尚未降至環(huán)境溫度。不難看出，下游防滲墻最大峰值溫度大于上游防滲墻最大峰值溫度且達(dá)到峰值溫度所需時(shí)間較大，降至環(huán)境溫度所需時(shí)間較長(zhǎng)。大壩上游防滲墻采用標(biāo)號(hào)為C40混凝土，下游防滲墻采用C45混凝土，采用普通硅酸鹽水泥P.LH42.5(非國(guó)標(biāo))。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工資料，每m3混凝土中，上游墻配合比為:水∶水泥∶粉煤灰∶人工砂=168∶302∶129∶752;下游墻配合比為:水∶水泥∶粉煤灰∶人工砂 =168∶327∶140∶729。在相同條件下，高標(biāo)號(hào)混凝土水泥所占百分比大于低標(biāo)號(hào)混凝土。由上述可知，水泥是一種在水化時(shí)會(huì)放出大量熱量的材料，因此，下游墻在澆筑時(shí)由于水泥含量較大將產(chǎn)生較多的熱量，這也正是下游墻峰值溫度較高的原因。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者根據(jù)瀑布溝水電站基礎(chǔ)防滲墻溫度監(jiān)測(cè)資料得出了以下結(jié)論:

表1 各測(cè)點(diǎn)水化溫升特性表

(1)防滲墻澆筑初期溫度變化規(guī)律:在澆筑初期的幾天時(shí)間內(nèi)上升至峰值后降低，溫降速率小于溫升速率，在峰值溫度后的兩周時(shí)間內(nèi)尚未降至環(huán)境溫度。該規(guī)律符合大體積混凝土水化溫升規(guī)律。

(2)混凝土在澆筑后50h左右達(dá)到溫度峰值，峰值溫度比環(huán)境溫度高40℃ ～50℃，其中上游防滲墻最大峰值溫度為50.3℃，下游防滲墻最大峰值溫度為83.1℃。

(3)高標(biāo)號(hào)混凝土產(chǎn)生的水化熱較大，峰值溫度較高，這主要是由于高標(biāo)號(hào)混凝土中的水泥含量較多的緣故。

(4)大體積混凝土澆筑過(guò)程中，應(yīng)對(duì)高標(biāo)號(hào)混凝土采取工程措施，嚴(yán)格控制水化溫升，防止混凝土開(kāi)裂。

［1］哈爾濱建筑工程學(xué)院.混凝土學(xué)［M］，北京:建筑工業(yè)出版社，1990.

［2］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:水利電力出版社，1999.

［3］劉有志，朱岳明，張國(guó)新.基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的墩墻混凝土真實(shí)溫度應(yīng)力性態(tài)及開(kāi)裂機(jī)理分析［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008，27(5):47-52.