大壩混凝土快速施工與溫控防裂措施

李金濤

（吉林水利電力職業學院，吉林 長春130117）

良好的溫度控制是保證混凝土澆筑質量的關鍵，制作混凝土的主要原料是水泥和水，而水泥遇水后會產生水化熱現象，如果散熱速度較慢，將提高混凝土的溫度，然后逐漸下降，降低至環境溫度。溫度升高的前期，內部溫度大于表面溫度，從而形成了內部與外部之間的溫度差，導致內部和外部凝結的不一致，發生的變形方式也不相同，最終形成了混凝土裂縫，混凝土整體溫度趨向于環境溫度后，其內部的結構開始收縮，一旦受到外力的制約，將形成拉應力，也會形成混凝土的裂縫問題。

1 溫控計算理論

1.1 溫度計算公式

混凝土熱傳導的計算，需要使用熱傳導連續方程，初始條件是T=T（x，y，z，t0），公式中的T 是指混凝土溫度，單位是℃；θ是指絕熱溫升，單位是℃；a 是指導溫系數；單位是m2/h；τ 是指齡期，單位是d；t 指時間，單位是d。具體公式如下：

1.2 混凝土應力公式

在混凝土施工過程中，由于溫度、內部構件收縮等問題，發生變形，從而形成內部非常復雜的應力，并且應變增量處于動態變化，其包括了多種應變增量，應力計算公式如下：

2 溫控防裂措施

混凝土溫度控制是一個綜合性的問題，與溫控有關的因素有很多，尤其是在工程施工過程中，不可預測的因素較多，從而增加了溫控防裂的難度，溫控防裂從原料采購時期就已經開始，現階段，混凝土溫控防裂措施主要從以下幾點入手。

2.1 拌和及出機溫度

在高溫季節，使用風冷、冷水或者是冰塊預冷骨料，降低混凝土的出機溫度，從而將混凝土整體溫度降至為最低溫度；在寒冷季節，由于環境溫度較低，不宜使用預冷措施，自然攪拌即可。

2.2 原材料控制

混凝土溫控防裂需從原材料采購開始，所采購的原材料要嚴格按照國家標準進行，使用的水泥、粉煤灰、外加劑、骨料等，都要嚴格遵守大壩施工設計標準，以及完全的滿足合同要求，質量需由多個部門聯合控制，包括了質量管理部門、物資部、實驗室等。在原材料進入施工場地時，需進行抽樣檢測；在外加劑配置時，需按照實驗室下發的配料單進行，計量要準確，攪拌要均勻，配制好后，交由實驗室進行檢測。

2.3 運輸時溫控措施

第一，如果施工時環境溫度較高，在混凝土運輸過程中，需在容器上設置隔熱措施，隔離外部溫度，防止運輸過程中混凝土溫度升高；第二，澆筑需要在短時間內快速完成，所以在澆筑之前，做好調度和規劃，進行統一配合，統一施工，提高機械設備的利用率，盡量減少運輸和卸料時間；第三，運輸車輛需選擇尾氣排放不在容器位置的，容器沖洗時間不可超過120 分鐘；第四，從混凝土攪拌到運輸，直至最后的振搗環節，將混凝土的溫度始終控制在4℃以下。

2.4 倉溫控制

第一，在澆筑過程中，當檢測倉內溫度大于24℃時，需進行噴霧，降低倉內溫度，防止熱量倒灌；第二，如果環境溫度較高，在振搗結束后，使用保溫材料覆蓋澆筑位置，隔離外部高溫，覆蓋時間應在5.5h～8.5h 之間；第三，外部環境的溫度無論是多少，混凝土澆筑溫度都不可超過5℃。

3 大壩混凝土快速施工實例

3.1 工程簡介

某大壩使用的是混凝土重力結構，最大壩高為14m，主壩長為16m，底部寬度為21.2m，開挖底高程為-2.1m，防滲面板使用的是厚度為1m 的礦渣混凝土，基礎厚度為2.5m，應用粉煤灰混凝土澆筑，大壩模型如圖1。

圖1 大壩模型

3.2 混凝土快速施工方案

依據大壩施工的實際情況，設計四種不同形式的混凝土澆筑施工方案，應用分層澆筑方式，開展防真計算。第一，A 方案，大壩底板澆筑，做為第一層，需一次澆筑成型，養護60d 后，進行壩體澆筑，高度為1.5m/層，每層間隔時間為18d；第二，B 方案，底層澆筑與A 相同，壩體澆筑高度為3m/層，每層間隔時間為18d；第三，C 方案，底層澆筑與A 相同，壩體澆筑高度為4m/層，每層間隔時間為18d；第四，D 方案，底層澆筑與A 相同，壩體澆筑高度為1.5m/層，每層間隔時間為9d。由于仿真計算與實際施工有著一定的差異，所以在計算時，要考慮晝夜溫差，以5d 為標準，澆筑時5 天內的平均氣溫設為20℃，晝夜溫差為9℃。在進行澆筑溫度的計算時，將大壩的縫面、基礎四周邊界都視為絕熱邊界，其他面視為熱量交換邊界；應力計算時，將大壩基礎視為鉸支座，使用連桿支撐的方式，將上部壩體視為自由結構，由于選取的澆筑方案不同，混凝土表面和內部的溫度、應力也會有很大的差異，所以為了獲取不同澆筑方案，產生的不同結果，在混凝土面板位置，距離底板大約1.2m 處，選擇一個內點和一個外點，作為主要的檢測對象。

3.3 計算參數

該大壩使用的混凝土配合比如表1 所示，實驗室提供了混凝土的熱力學參數，具體詳見表2。其中，大壩面板位置使用的是礦渣混凝土，其θ（絕熱溫升）為T=39.21τ/（0.35+τ），底板使用的是粉煤灰混凝土，其θ 為T=47.31τ/（0.70+τ），其他混凝土為θ（τ）=26.1（1-e-0.34τ0.75）。

表1 大壩混凝土配合比（kg/m3）

表2 混凝土熱力學參數

3.4 混凝土快速施工結果分析

3.4.1 溫度分析

通過仿真計算，對設置的檢測對象進行分析，受到水泥水化熱的影響，澆筑后混凝土內部檢測點溫度升高，澆筑厚度不同，溫度的變化也有很大的差異，而混凝土澆筑的表面溫度，受到外部環境溫度的影響很大；在澆筑的一段時間后，混凝土內部和外部的溫度，在環境溫度的作用下，逐漸降低，波動變化不大。當進行上一層混凝土澆筑時，下層混凝土受到熱傳導的影響，溫度會有所升高，查看下層靠進上層位置設置的檢測點，會發現下層混凝土內部溫度將接近4℃。

3.4.2 應力分析

壩體在澆筑的后期，底板混凝土的約束力不斷增加，而上層混凝土的不斷澆筑，會進一步增加底板混凝土的壓力，還有一個原因是，面板混凝土在凝結過程中，會產生較大的干縮值，從而增加了上層澆筑的約束，而每層澆筑之間的間隔時間，會使大壩底板位置的彈模得到膨脹，提高了上層混凝土的約束力，從而形成內部復雜的拉應力。通過仿真計算，對壩體混凝土溫度的變化趨勢，以及壩體澆筑后期混凝土體的約束力變化，和面板、底板受到的應力分析，結合A、B、C 三種方案來看，A 方案澆筑高度為1.5m/層，所以施工時間也最長；B 方案時間要少于A 方案，C 方案使用的澆筑高度為4m/層，時間是最短的，但同時也是溫控防裂難度最大的施工方案；D 方案使用的是1.5m/層的澆筑方式，間隔時間只有以上方案的一半，施工速度得到明顯的提升，極大縮減了施工周期，并且溫控防裂的難度較小。

有分析指出，由于澆筑施工間隔時間過長，澆筑的混凝土內部熱量流失也就越多，再進行下一層的澆筑時，將導致內外溫差的提高，從而增加了裂縫的風險；而增加澆筑厚度，使混凝土內部的溫度增加，再澆筑下一層，進一步的增加了內外溫差，也是產生裂縫的主要原因。由于施工環境的問題，導致大壩工期緊張，通過合理的溫控防裂措施，以及加快大壩混凝土的施工速度，在保證工程質量的前提下，減少混凝土的澆筑厚度，縮短澆筑的間隔時間。應用溫控防裂計算公式，進行仿真計算，從而確定了短間歇薄層澆筑的可行性，為快速施工的開展提供了有利的數據支撐。