水化熱抑制劑在泵站混凝土防裂中的對(duì)比分析

劉小江，王永智，陳海霞，馬樹(shù)軍

（1.河南省水利第一工程局，河南 鄭州 450000；2.河南省引江濟(jì)淮工程有限公司，河南 鄭州 450000）

1 引 言

在大體積混凝土施工期應(yīng)力的影響因素中，溫度應(yīng)力通常是主要的影響因素。對(duì)于夏季澆筑的大體積混凝土，溫度應(yīng)力往往比其他季節(jié)更大。七里橋泵站采用高流動(dòng)性泵送混凝土施工，主體大體積混凝土結(jié)構(gòu)在夏季澆筑，其溫控防裂難度很大。在類似的工程實(shí)踐中，墩墻結(jié)構(gòu)會(huì)在澆筑后產(chǎn)生貫穿性裂縫，對(duì)于結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性將產(chǎn)生較大影響。如果在夏季僅采用水管冷卻措施，則需要布置非常密集的水管以及配置低溫水，將增加施工的不便程度。因此，文章采用數(shù)值模擬方法，探索了采用水化熱抑制劑與冷卻水管聯(lián)合進(jìn)行溫控防裂的方式。

水化熱抑制劑由于其本身應(yīng)用的復(fù)雜性一直以來(lái)受到水利學(xué)者的高度關(guān)注，徐文強(qiáng)研究了不同厚度的水工大體積混凝土對(duì)水化熱抑制劑的適用性，認(rèn)為厚度＜1.20 m 的混凝土可以用抑制劑代替冷卻水管。Yan等人從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)于新型淀粉基作為抑制劑的影響進(jìn)行了探究，但對(duì)于實(shí)際大體積混凝土工程的影響仍有待進(jìn)一步深入。

文章運(yùn)用等效冷卻水管模型的三維有限元計(jì)算程序。對(duì)引江濟(jì)淮七里橋泵站大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)水池中聯(lián)部位開(kāi)展了仿真計(jì)算，仿真計(jì)算內(nèi)容為施工期的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，并在混凝土中摻入水化熱抑制劑以期簡(jiǎn)化溫控措施，相關(guān)溫控措施可為今后類似大體積混凝土工程提供借鑒。

2 主要計(jì)算參數(shù)

2.1 氣溫資料

考慮±6 ℃的晝夜溫差的該工程所在地月平均氣溫?cái)M合曲線公式如下：

式（1）中：t為每天中的時(shí)刻（h）；Ta為日平均氣溫。

2.2 地基和混凝土主要熱力學(xué)參數(shù)

地質(zhì)熱力學(xué)參數(shù)參考類似工程，詳見(jiàn)表1。

表1 地基熱力學(xué)參數(shù)表

墊層為C15 混凝土，底板及底板以上結(jié)構(gòu)為C30 混凝土。根據(jù)七里橋泵站工程施工混凝土配合比資料擬定了混凝土熱力學(xué)參數(shù)，主要熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。不摻抑制劑和摻入抑制劑的主要材料參數(shù)發(fā)展歷時(shí)曲線見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 混凝土彈性模量歷時(shí)曲線圖

圖2 混凝土絕熱溫升歷時(shí)曲線圖

表2 混凝土熱力學(xué)參數(shù)表

3 仿真計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

進(jìn)水池中聯(lián)有限元網(wǎng)格模型如圖3 所示，單元總數(shù)為59 889個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為71 383個(gè)。坐標(biāo)原點(diǎn)位于進(jìn)口處墊層，Z軸豎直向上，X軸指向水流方向，Y軸按右手螺旋法則指向左岸。

圖3 進(jìn)水池中聯(lián)總體有限元模型示意圖

溫度場(chǎng)仿真計(jì)算中，地基側(cè)面及底面為絕熱邊界，上表面為散熱邊界。施工臨時(shí)縫面和結(jié)構(gòu)永久縫面在未被覆蓋時(shí)為散熱邊界，覆蓋后為絕熱邊界。其他表面均為散熱邊界。應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算中，在地基的側(cè)面及底面施加法向約束，上表面為自由邊界。結(jié)構(gòu)永久縫面為自由邊界，其他表面為自由邊界。

3.2 主要工況與結(jié)果對(duì)比

限于篇幅，取工況1、工況4與工況6計(jì)算結(jié)果作為典型工況對(duì)高溫條件下采用商品混凝土澆筑泵站的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。

3.2.1 無(wú)抑制劑計(jì)算工況

工況1：混凝土澆筑溫度為多年平均的日均氣溫+5 ℃。澆筑塊的齡期前5 d表面有鋼模板，拆模后無(wú)表面保溫措施，混凝土內(nèi)部無(wú)冷卻水管。

工況4：混凝土澆筑溫度為多年平均的日均氣溫+2 ℃。第一、第二澆筑塊的齡期前3 d采用鋼模板，第三、第四澆筑塊齡期前3 d采用木模版。拆模后在澆筑塊表面覆蓋保溫材料，散熱系數(shù)為150 KJ/（m2·d·℃），保溫至齡期130 d。在底板及以上的澆筑層布置冷卻水管，通水10 d，對(duì)齒墻及第二澆筑層削峰（削減溫度峰值）25 ℃，第一、第三、第四澆筑層削峰15 ℃。

3.2.2 有抑制劑計(jì)算工況

工況6：混凝土澆筑溫度為多年平均的日均氣溫+2 ℃。第一、第二澆筑塊的齡期前3 d采用鋼模板，第三、第四澆筑塊齡期前3 d采用木模版。拆模后表面覆蓋保溫材料，散熱系數(shù)均為150 KJ/（m2·d·℃），保溫至齡期130 d。在底板及以上的澆筑層布置冷卻水管，通水8 d，對(duì)齒墻削峰15 ℃、第一、第二、第三澆筑層削峰10 ℃、第四澆筑層削峰5 ℃。在底板及以上的澆筑層中摻入水化熱抑制劑。

各工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～圖5，實(shí)測(cè)溫度探頭位于底板內(nèi)部1 m 深處。實(shí)際工程施工中采用的措施與工況4 接近，故實(shí)測(cè)溫度接近工況4的溫度曲線。

圖4 底板內(nèi)部的早齡期溫度歷時(shí)曲線對(duì)比圖（℃）

圖5 底板內(nèi)部的早齡期應(yīng)力歷時(shí)曲線對(duì)比圖（MPa）

為控制該進(jìn)水池中聯(lián)大體積混凝土的施工期拉應(yīng)力，采取了溫控+抑制劑等多種溫控措施協(xié)同發(fā)揮作用，最終將施工期應(yīng)力降至混凝土抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

夏季氣溫高，商品混凝土的澆筑溫度難以控制，這兩個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致混凝土的水化反應(yīng)速度很快，會(huì)縮短冷卻水管發(fā)揮作用的時(shí)間，導(dǎo)致夏季采用商品混凝土很難有效控制大體積薄壁結(jié)構(gòu)混凝土澆筑塊的水化熱最高溫。摻入水化熱抑制劑后，混凝土的水化反應(yīng)速度明顯減慢，澆筑塊臨空面和冷卻水管可以有更加充分的時(shí)間散熱，可以更好地控制夏季澆筑混凝土的最高溫。與僅采用冷卻水管來(lái)控制最高溫的措施相比，摻入水化熱抑制劑后，可以有效簡(jiǎn)化溫控措施，包括水管間距、冷卻水流量、冷卻水水溫，都可以放寬要求。