永定新河防潮閘大體積混凝土冬季施工溫度控制問題研究

王衛東，趙明志，方志國

（天津市引灤工程隧洞管理中心，河北 遷西 064300）

1 工程概況

永定新河位于天津市區北側，西起天津市北辰區的屈家店，東至濱海新區的北塘，最后注入渤海，全長66 km。該河是海河流域北系永定河、北運河、潮白河和薊運河的共同入海尾閭河道。永定新河防潮閘是在河口樁號63+041處新建的1座共20孔的防潮閘，設計流量4 640 m3/s，校核流量4 820 m3/s；閘底板兩孔一聯共10塊，其外形尺寸為長×寬×高=35m×29m×2m（其中上下游齒腳處閘底板厚度3.5m），單塊閘底板混凝土2 266 m3，均為一次澆筑成型。

2 大體積混凝土冬季施工面臨的問題分析

永定新河防潮閘底板工程所面臨的最大問題是底板大體積混凝土施工過程中溫度裂縫問題。混凝土凝結硬化過程中，水泥和水發生水化反應放出大量的水化熱，當混凝土體積較大和散熱條件不好時，水化熱基本上積蓄于混凝土內部，從而引起混凝土內部溫度的明顯升高，進而產生溫度變形和溫度裂縫。所謂大體積混凝土是指混凝土結構的最小斷面尺寸大于等于1 m或預計因水泥水化熱引起混凝土內外溫差過大，必須采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，防止產生結構裂縫的混凝土。

大體積混凝土施工階段所產生的溫度裂縫，是其內部矛盾發展的結果。澆筑初期混凝土的彈性模量和強度都很低，對水化熱引起的急劇升溫約束不大，相應的溫度應力也較小。隨著混凝土齡期的增長，其彈性模量和抗拉強度隨之提高，對混凝土內部因溫度升降而產生變形約束也就愈來愈大。由于大體積混凝土結構一般斷面較大，加之混凝土材料導熱性能差，水化熱聚集在結構內部不易散失，因此容易出現較大的溫度應力。當溫度應力超過其抗拉強度時，便會出現溫度裂縫。這一問題不僅產生在混凝土升溫的過程中，而且也出現在混凝土降溫的過程中。大體積混凝土產生溫度裂縫的最基本原因，是結構中心與表面之間存在溫度梯度。因此，為了防止溫度裂縫，就要從控制混凝土內部的最高溫度、減小其內外溫差來入手。

3 混凝土內外溫差計算

影響混凝土內外溫度變化的因素有很多，包括水泥品種、水泥用量、摻合料、外加劑、施工工藝、環境溫度、骨料溫度、養護條件等。除了外部因素外，其中最重要的因素是水泥用量。混凝土內部溫度主要是水泥水化產生的熱量，因此首先要在不采取任何控制措施的情況下計算混凝土中心最高溫度。混凝土內部水化熱引起的最高溫度計算公式為：

式中：Tmax為混凝土內部水化熱引起的最高溫度（℃）；T0為混凝土澆筑溫度（℃），根據規范和現場情況取10℃；W為水泥用量（kg/m3），參照水工定額泵送C25混凝土取415 kg/m3；Q0為水泥水化熱量（kJ/kg），取289 kJ/kg；C為混凝土比熱[J/（kg·K）]，取0.96；r為混凝土密度（kg/m3），取2 400 kg/m3。

經計算，混凝土內部最高溫度值為Tmax=62.06℃。該工程施工時間主要集中在2008年11月—2009年2月，這段時間當地氣溫大多在-10～10℃，按照規范要求，大體積混凝土內外溫差應控制在25℃以內，混凝土入倉溫度應不低于5℃。因此，如果不采取嚴格的溫度控制措施，就無法滿足工程施工質量要求。

4 施工中所采取的溫度控制措施

該工程混凝土冬季施工首先必須保證在拌和、泵送、澆筑和振搗時不出現凍結現象，嚴格控制混凝土拌合物出機溫度不低于10℃、入倉溫度不低于5℃；其次是混凝土后期養護過程中防止溫度裂縫的產生，嚴格控制其內外溫差在25℃以內。為了實現上述目標、保證工程質量，在混凝土施工過程中采取了一系列溫度控制措施。

4.1 混凝土施工過程中的防凍措施

首先是根據環境溫度及其變化情況，做好混凝土攪拌、運輸、澆筑過程中溫度的計算，調整所采取的控制措施。混凝土的攪拌采用熱水，水溫根據環境變化適時調整；做好混凝土運輸時的保溫及從運輸到澆筑的時間控制。此外，應根據氣候變化情況，需要時在閘底板四周及頂部搭設保溫棚，防止大風降溫天氣造成入倉后的混凝土出現凍結問題。

4.2 降低混凝土的絕對升溫

從混凝土內部水化熱引起的最高溫度計算公式可以看出，在保證混凝土強度的前提下，減少混凝土中水泥用量是溫度控制的最有效途徑。為了減少水泥用量同時提高混凝土在沿海環境下的耐腐蝕、耐久性等，對該工程進行了混凝土防腐及耐久性專題研究，采用了大摻量粉煤灰以減少水泥用量的措施。經試驗研究論證，最后設計的混凝土配合比為∶水泥∶粉煤灰∶砂子∶石子∶水∶泵送劑=180∶270∶705∶1 015∶180∶6.75。

4.3 混凝土內部降溫措施

閘底板混凝土為一次性澆筑成型，為了降低混凝土內部因水化熱引起的絕對升溫，施工中在閘底板內布設φ60冷卻管，進行水循環冷卻降溫。根據閘底板在齒槽及其他部位厚度的不同，在垂直方向上等間距均勻布置2～3層冷卻管；在水平方向上，冷卻管之間及冷卻管與底板四周等間距布置，間距控制在0.5～1 m。在混凝土養護期間，通過冷卻水降低混凝土內部溫度。入口冷卻水的溫度控制在不低于15℃，同時每隔24 h入水與出水方向互換。根據混凝土內部溫度變化情況，在絕對溫度不斷降低、溫度梯度變化趨于平穩后即可停止循環水冷卻。

4.4 混凝土外部保溫措施

在完成混凝土澆筑及表面壓光后，立刻開始采用蓄熱養護法保溫。混凝土表面由下至上分別用鋪塑料薄膜、彩條布、兩層棉被、稻草簾進行保濕、保溫。在閘底板的側壁用塑料泡沫板、棉被進行覆蓋保溫。

5 混凝土溫度監測及數據分析

為了準確掌握澆筑后混凝土內部溫度變化情況，以便采取更為有效的溫度控制措施，澆筑前在混凝土內部埋設了溫度傳感器，養護期間對其進行了觀測及數據分析。

5.1 溫度監測系統布置

閘底板混凝土溫度傳感器平面、立面布置，如圖1所示。

圖1 閘底板混凝土溫度傳感器布置（單位：mm）

其中，閘底板上下游齒槽部位混凝土厚度為3.5 m，在其四角布置4套溫度傳感器，每套5支；閘底板齒槽以外其他部位混凝土厚度為2 m，共布置5套溫度傳感器，每套3支。

5.2 溫度觀測及分析

溫度觀測周期約為10～15 d，前6 d內每隔2 h觀測1次，以后溫度變化平緩，每隔4～10 h觀測1次，直至溫差曲線平穩下降為止。以第11～12#閘底板齒槽部位混凝土溫度觀測情況為例，該底板于2008年11月13日6∶30開始澆筑，澆筑方式為分層全斷面一次性澆筑成型，14日23∶30澆筑完成，15日4∶00表面壓光后開始觀測。觀測記錄，詳見表1（該表僅是抽取每天同一時刻的觀測記錄）。

表1 混凝土溫度觀測記錄值 ℃

混凝土在凝結硬化過程中內部溫度隨時間變化曲線，如圖2所示。從圖2可以看出，由于混凝土工程量大、澆注持續時間長，在觀測之初，中下層的混凝土已開始水化反應并升溫，而上層的混凝土還處于入倉溫度。但總的變化趨勢是混凝土澆筑后的1～3 d，溫度處于上升階段；混凝土內部最高溫度出現在澆筑后的3～5 d內，以后溫度處于下降階段，10 d以后溫度變化趨于平穩；各部分溫度梯度最大值大多在10℃以內，滿足規范規定的混凝土內外溫差小于25℃的要求。工程完工拆模后，閘底板混凝土表面平整、無裂縫，外觀質量非常好。這說明各項溫度控制措施是非常有效的，達到了預期的目的。

圖2 混凝土內部溫度隨時間變化曲線

6 結語

永定新河防潮閘底板大體積混凝土施工主要集中在2008年11月—2009年2月，這段時間正是北方氣溫最低的時段。為了保證工程質量，施工中采取了一系列的溫度控制措施，成功地解決了大體積混凝土冬季施工質量控制問題。其所采用的大摻量粉煤灰、混凝土內部循環水冷卻降溫、外部蓄熱法保溫等技術的綜合運用，達到了預期效果，對于北方冬季大體積混凝土施工具有很好的借鑒意義。