泡沫保溫板保溫對某船閘閘室空箱側墻溫控影響分析

陸金倫，黎錦釗，彭耀蔣

(廣東省源天工程有限公司,廣州 511340)

1 工程概況

某船閘閘室邊墻上部空箱結構層相較于輸水廊道層，雖然斷面尺寸較小，但結構形式變化復雜，體積厚薄不均，同時有1層澆筑很久的混凝土支撐梁穿過空箱結構層(見圖1)。支撐梁由3道對頂撐以及兩道斜撐組成，對頂撐以及斜撐斷面尺寸均為1.0 m×1.1 m(寬×高)。支撐梁混凝土強度等級為C40，閘室主體結構混凝土強度等級為C25。

(a) 俯視示意

(b) 側視示意

根據施工計劃的安排，閘室空箱結構層與輸水廊道的澆筑間歇期在3—4個月，第1層空箱分2層澆筑，第1層空箱澆筑(9月)完畢后間歇20 d，再開始澆筑第2層空箱，第2層空箱分3層澆筑，間歇期為6—9 d?？障浣Y構層采用懸臂式鋼模板，澆筑后7 d拆模。

由于閘室空箱結構各部分厚薄不均，最薄的側墻僅厚1.2 m(見圖1)，屬于薄壁結構，同時支撐梁對新澆筑混凝土的約束作用明顯。此外閘室空箱是在氣溫逐漸下降的9、10月澆筑，致使澆筑后混凝土表面溫降較快，內部和表面的溫度梯度較大。施工分層示意見圖1，Ansys有限元網格示意見圖2。

圖2 有限元模型示意

根據當地的氣象統計資料顯示，樞紐處多年平均氣溫為21.7 ℃，最熱為7月，平均氣溫為25.8 ℃，最冷為1月，平均氣溫為18.4 ℃。

混凝土熱力學參數見表1和表2。

表1 混凝土力學參數

表2 混凝土熱學參數

2 溫控特征點選取

通過大量取點分析，位于支撐梁上部的空箱側墻是溫控防裂需要關注的重點區域，因此，選取位于此區域的特征點進行重點分析。其中特征點①位于空箱側墻內部，特征點②位于空箱表面(見圖1)，具體位置見表3所示。

表3 閘室空箱層特征點的具體位置

根據《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》(JTS 202-1-2010)附錄C.4，混凝土表面抗裂安全系數計算公式為：

K≥1.4

(1)

式中:

K——混凝土的溫控抗裂安全系數；

σs(t)——齡期t時混凝土拉應力計算值，MPa；

fsp(t)——齡期t時混凝土劈裂抗拉強度試驗值，MPa。

由于本工程未做劈裂抗拉強度試驗，故根據抗壓強度與抗拉強度之間的關系，擬合得到混凝土的抗拉強度曲線。

3 無表面保溫施工工況仿真分析

擬定的閘室空箱混凝土施工基本工況：空箱第1層混凝土從9月5日開始澆筑，澆筑溫度為26 ℃，澆筑后7 d拆模，拆模后灑水養護，在第1層空箱頂部埋設1層冷卻水管(PE管內徑為25 mm，壁厚為3 mm)，水平間距為1.5 m，管長為60 m，通水時間5 d，冷卻水溫為20 ℃，通水流量為1.2 m3/h，不采取保溫措施。

1) 特征點溫度變化規律

通過對閘室空箱混凝土分層施工的仿真計算，整理出閘室空箱層各特征點的溫度計算結果見表4，特征點溫度歷時曲線見圖3。

特征點①②距離支撐梁頂面僅0.23 m，其中，點①位于空箱側墻內部，其散熱條件相對較差，在澆筑后2 d達到最高溫度45.24 ℃，溫升值為19.24 ℃，在溫降階段，溫降幅度達到22.71 ℃，但最大溫降速率較小，僅為1.60 ℃/d；點②位于空箱表面，散熱條件好，最高溫度出現齡期早，在齡期1 d即達到最高溫度34.70 ℃，同時溫降幅度也較小，僅為13.4 3℃，但最大溫降速率為1.85 ℃/d。特征點內外溫差在澆筑后3 d達到最大，為12.81 ℃。當澆筑下一層混凝土時，因為兩個特征點距離新澆筑層較遠，所以其溫度場變化過程基本未受新澆筑層的影響。

表4 空箱結構層特征點溫度特征值統計

圖3 特征點溫度歷時曲線示意

2) 特征點應力變化規律

空箱層各特征點的溫度應力計算結果見表5，特征點的應力歷時曲線見圖4。

表5 特征點溫度應力特征值統計

圖4 特征點應力歷時曲線示意

在空箱層混凝土澆筑初期，由于散熱條件的差異，位于空箱側墻內部混凝土的溫升幅度遠大于外側表面混凝土的溫升幅度。由表4可知，特征點②的溫升幅度僅為8.70 ℃，小于特征點①的溫升幅度19.24 ℃，所以，盡管混凝土內外都處于溫升階段，但仍不可避免的出現了相互變形約束。此時，點①所處的混凝土內部處于相對體積膨脹的狀態，點②所處的混凝土表面處于相對體積收縮的狀態，所以，出現了拉應力。同時，點②所處部位內外溫差更大，導致在澆筑初期即迅速增長，齡期1.5 d時溫度應力為0.87 MPa，而此時混凝土抗拉強度僅為1.03 MPa，所以，抗裂安全系數在齡期為1.5 d即達到最小，僅為1.18，因而在拆模前產生表面裂縫的可能性較高。

繼續降低澆筑溫度則成本過高，改變通水冷卻參數也不能很好地減小空箱側墻內外溫差和溫度梯度，因此，在保證澆筑溫度為26 ℃和采取通水冷卻措施的前提下，盡可能減小混凝土的內外溫差和溫降速率成為必然選擇。

4 泡沫保溫板保溫溫控效果分析

在保證澆筑溫度為26 ℃、拆模時間為7 d以及其余各項溫控措施相同的基礎上，控制保溫板厚度分別為0 cm(即不外貼保溫板)、1 cm、2 cm，探明不同保溫板厚度對混凝土溫度場和溫度應力場的影響。

1) 溫度場對比分析

通過有限元仿真計算，不同保溫板厚度各溫控特征點的最高溫度及內外溫差見表6，不同保溫板厚度下各溫控特征點的溫度歷時曲線見圖5～圖6。

由表6可知，采用鋼模板時，特征點最大內外溫差為12.81 ℃；采用鋼模板外貼1 cm厚泡沫保溫板時，特征點最大內外溫差為8.07 ℃；采用鋼模板外貼為2 cm厚泡沫保溫板時，特征點最大內外溫差為 6.17 ℃。雖然保溫提高了混凝土內部的最高溫度，但是拆模前的最大內外溫差顯著減小。

表6 不同保溫板厚度特征點最高溫度及內外溫差

圖5 不同保溫板厚度特征點①溫度歷時曲線示意

圖6 不同保溫板厚度特征點②溫度歷時曲線示意

2) 溫度應力場對比分析

不同保溫板厚度，各溫控特征點的最大拉應力、最小抗裂安全系數及其出現齡期見表7～表8，各特征點不同保溫板厚度下的應力歷時曲線見圖7～圖8。

表7 不同保溫板厚度特征點①最大拉應力及抗裂安全系數

表8 不同保溫板厚度特征點②最大拉應力及抗裂安全系數

圖7 不同保溫板厚度特征點①應力歷時曲線

圖8 不同保溫板厚度特征點②應力歷時曲線

從圖7可見，對于中間內部點，不同保溫板厚度導致溫度應力的變化不大。而由圖8可知，當采用鋼模板外貼泡沫保溫板時，表面特征點②在混凝土澆筑后應力歷時曲線經歷了3個峰值。第1個應力峰值是由于拆模前混凝土內外溫差和內外變形不一致引起的；第2個應力峰值是由于拆模后混凝土表面溫度在短時間內迅速下降引起的；第3個應力峰值是由于澆筑下一層混凝土時新老混凝土變形不一致引起的。

由圖8可知，保溫性能越強(保溫板厚度越大)，拆模前空箱混凝土表面應力峰值越小，達到應力峰值的時間也越晚。僅采用鋼模板時，拆模前特征點②拉應力在4 d達到極大值1.12 MPa；采用鋼模板外貼1 cm厚泡沫保溫板時，由于內外溫差減小，拆模前特征點②拉應力減小，在6 d達到極大值1.10 MPa；采用鋼模板外貼2 cm厚泡沫保溫板時，早期的內外溫差更小，特征點②拉應力在混凝土澆筑后6 d達到極大值1.08 MPa?？梢?，隨著保溫性能的增強，空箱混凝土表面的早期應力得到明顯改善，這對于防止混凝土早期出現表面裂縫極為有利，但保溫板厚度繼續增大所產生的作用越來越小。

從圖7、圖8可以看到，保溫性能越強，一方面導致混凝土表面最高溫度的升高幅度增大，拆模時混凝土表面溫度與環境溫度的差值越大，拆模后空箱混凝土表面拉應力的突增幅度也就越大。當采用鋼模板時，基本無保溫作用，拆模時特征點②應力基本不受影響；當采用鋼模板外貼1 cm厚泡沫保溫板時，保溫效果較好，拆模后特征點②應力增幅為0.26 MPa，在拆模2.5 d后拉應力達到極大值1.35 MPa；當采用鋼模板外貼2 cm厚泡沫保溫板時，保溫效果最好，但拆模后特征點②應力增幅為0.41 MPa，在拆模3 d后拉應力達到極大值1.49 MPa(抗裂安全系數為1.29)，很有可能引起空箱表面開裂。

由以上分析可知，隨著保溫效果的增強，拆模前溫度應力得到明顯改善，拆模后防裂壓力會加大。當采用鋼模板時，最小抗裂安全系數僅為1.18；當采用鋼模板外貼1 cm厚泡沫保溫板時，拆模前最小抗裂安全系數為1.36(出現在2.5 d，雖未達到規范規定的1.4，但很接近)，7 d拆模后最小抗裂安全系數為1.42；而當采用鋼模板外貼2 cm厚泡沫保溫板時，拆模前最小抗裂安全系數雖然提高至1.45，但拆模后的最小抗裂安全系數反而降低到1.29。所以，綜合考慮混凝土表面點早期和后期的溫控防裂要求，選擇采用鋼模板外貼1 cm厚泡沫保溫板的方式進行表面保溫。

5 結語

實際施工采用鋼模板外貼1 cm厚泡沫保溫板，7 d拆模的方案。拆模后檢查，未發現裂縫。根據本文的研究和實踐，對于空箱閘室側墻混凝土溫控有以下認識：

1) 空箱閘室側墻混凝土溫升溫降很快，一般1～2 d即出現最高溫度，側墻部位早期溫度拉應力較大，特別是側墻外表面，混凝土抗裂安全系數明顯偏低。

2) 對空箱結構外表面采取保溫，是減小早期溫度拉應力的有效手段。保溫材料的種類和厚度一般需通過計算確定，也不宜過度保溫。