基于水熱化估算的北方地區(qū)水工混凝土溫控特征探討

葉萬超

(沈陽利鑫土木工程有限責(zé)任公司，沈陽 110000)

0 前 言

水工混凝土施工溫度特征是其施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，對于其穩(wěn)定是影響顯著，是水工設(shè)計的重要參數(shù)[1]。尤其是在北方地區(qū)，冬季水工混凝土施工，需要對其溫控特征進(jìn)行分析，對其熱量損耗進(jìn)行分析后，控制水工混凝土的施工參數(shù)值[2]。近些年來，許多學(xué)者針對水工混凝土的溫控特征進(jìn)行探討，并取得一定的研究成果[3-9]，但大都通過現(xiàn)場試驗的方式進(jìn)行溫度測定，從而對其溫控特征進(jìn)行分析[10]。對于水工混凝土溫控特征一直缺少理論支撐，當(dāng)前，基于熱能平衡的水熱化估算公式在一些領(lǐng)域混凝土溫控特征中得到應(yīng)用[11-15]，但在水工混凝土溫控特征應(yīng)用還較少，為此文章結(jié)合水熱化估算公式對北方地區(qū)水工混凝土的溫控特征進(jìn)行探討，研究成果對于北方地區(qū)冬季水工混凝土施工具有重要參考價值。

1 水熱化估算方法

該方法基于水熱平衡方法對其放熱量進(jìn)行估算，估算方程為：

Q=Q0(1-e-mt)

(1)

式中：Q為水化熱量，kJ；Q0為水工混凝土單位質(zhì)量的水化熱量,kJ；m為放熱系數(shù)；t為放熱時間，h。對△t時間內(nèi)的總放熱量進(jìn)行計算：

△Q=Qn-Qn-1=WQ0(e-mtn-1-e-mtn)

(2)

式中：△Q為△t時間內(nèi)的總放熱量，kJ；tn-1、tn分別為不同時間段，h。各時段水工混凝土的放熱估算方程為：

q1,1=cM△T=cM(T2,n-T2,n-1)

(3)

q1,2=cM△T=cM(T2,n-T0)

(4)

式中：q1,1、q1,2分別為放熱和空氣比熱，kJ；T2,n、T2,n-1、T0為不同時段的溫度，℃；c為放熱比熱，kJ/kg℃；M為水工混凝土的密度，kg/m3。在tn時刻水工混凝土的水化熱能估算方程為：

(5)

式中：Tn為估算溫度，℃。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

以某水利工程為實(shí)例，該工程實(shí)例為寬度為16.5m的水工閘壩，該閘壩邊墩按照垂直墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置，采用C25標(biāo)號的水工混凝土進(jìn)行閘門啟閉室的澆筑。對閘壩水工混凝土材料特性進(jìn)行了測定，水工混凝土的主要材料特性，見表1。

表1 水工混凝土的主要材料特性

2.2 計算誤差分析

結(jié)合水工混凝土各監(jiān)測點(diǎn)溫度實(shí)際測定值，對水熱化估算溫度進(jìn)行誤差分析，水工混凝土溫度計算精度分析結(jié)果，見表2。

表2 水工混凝土溫度計算精度分析結(jié)果

從計算結(jié)果可看出，采用水熱化估算的各監(jiān)測點(diǎn)溫度和實(shí)際測定的溫度之間的誤差<±1.5℃，最高溫度計算誤差滿足規(guī)范要求。水工混凝土不同監(jiān)測點(diǎn)最高溫度時間主要集中在60h以內(nèi)，最高溫度出現(xiàn)時間誤差<±20h。水工混凝土澆筑時間及厚度對其最高溫度影響顯著，中心監(jiān)測點(diǎn)溫度放熱較為遲緩，使得其最高溫度出現(xiàn)時間相比于其他監(jiān)測點(diǎn)有所減緩。溫度上升時期的水熱化估算誤差總體低于溫度下降階段，這主要是因為最高溫度受水化溫度遞增影響有所延緩，使得其計算誤差加大。最高溫度在溫度下降段變幅較高。

2.3 不同厚度對水工混凝土環(huán)境溫差影響分析

采用水熱化估算方程對不同厚度下水工混凝土的內(nèi)外溫差進(jìn)行計算，并對其溫差最高值出現(xiàn)時間進(jìn)行對比分析。不同厚度對水工混凝土環(huán)境溫差影響分析結(jié)果，見表3。

表3 不同厚度對水工混凝土環(huán)境溫差影響分析結(jié)果

從不同厚度對水工混凝土環(huán)境溫差影響分析結(jié)果可看出，采用水熱化估算的理論溫差和實(shí)際檢測的環(huán)境溫差之間吻合度較高，環(huán)境溫差隨著水工混凝土澆筑厚度增加而逐步增大，最大溫差出現(xiàn)時間有所延緩，環(huán)境溫差最大值出現(xiàn)在水工混凝土澆筑厚度為3.6m時，水工混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受環(huán)境溫差變化影響較為顯著，是其內(nèi)部溫差變化的主因，水工混凝土內(nèi)部熱能消耗可通過增加水工混凝土薄壁厚度來降低。

2.4 薄壁厚度對水工混凝土熱能消耗影響分析

采用水熱化估算方程對不同薄壁厚度下的水工混凝土內(nèi)部熱能消耗的影響進(jìn)行計算分析。水工混凝土不同薄壁厚度對其內(nèi)部熱能消耗影響分析結(jié)果，見表4。

表4 水工混凝土不同薄壁厚度對其內(nèi)部熱能消耗影響分析結(jié)果

從水工混凝土不同薄壁厚度對其內(nèi)部熱能消耗影響分析結(jié)果可看出，水工混凝土內(nèi)部溫度消耗總體呈現(xiàn)線性遞增變化趨勢，且當(dāng)薄壁厚度<135cm時處于遞增較為顯著，溫度遞減在溫度最高值時較為顯著，水工混凝土溫度遞減主要集中在薄壁厚度為117-180cm，薄壁厚度每遞增10cm其溫度提高2℃。薄壁厚度和水工混凝土內(nèi)部溫度之間具有較好的相關(guān)性。水工混凝土表層放熱速率較大，使得其表層溫度增幅較為明顯。水工混凝土施工中內(nèi)部溫度受環(huán)境溫差影響度較小，表層對熱系數(shù)受環(huán)境溫度影響較大，其系數(shù)越小使得溫度擴(kuò)散速率越低。

3 結(jié) 論

1)水工混凝土澆筑時間及厚度對其最高溫度影響顯著，中心監(jiān)測點(diǎn)溫度放熱較為遲緩，使得其最高溫度出現(xiàn)時間相比于其他監(jiān)測點(diǎn)有所減緩。

2)水工混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)受環(huán)境溫差變化影響較為顯著，是其內(nèi)部溫差變化的主因，水工混凝土內(nèi)部熱能消耗可通過增加水工混凝土薄壁厚度來降低。

3)薄壁厚度和水工混凝土內(nèi)部溫度之間具有較好的相關(guān)性。水工混凝土表層放熱速率較大，使得其表層溫度增幅較為明顯。水工混凝土施工中內(nèi)部溫度受環(huán)境溫差影響度較小，表層對熱系數(shù)受環(huán)境溫度影響較大，其系數(shù)越小使得溫度擴(kuò)散速率越低。