清遠二線船閘工程大體積混凝土施工期溫控防裂研究

黎錦釗

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 工程概況

清遠水利樞紐主要工程作用為航運和改善水環境，同時可以在當地發揮發電、反調節等養殖等作用。本次新建的工程主要為清遠二線船閘工程，其主體結構混凝土澆筑方量達3.72×104m3，無論是總澆筑量還是平均入倉量都很高。該工程大體積混凝土結構較多且斷面形式都比較復雜，施工期溫控防裂任務十分艱巨。本工程采用自卸車以及混凝土罐車聯合工作的澆筑模式，自卸車和罐車通過場地內公路將混凝土運送至施工倉面，然后使用門吊配合罐將混凝土入倉。混凝土的平均運送距離不超過1 km，運距較短可防止運輸過程中混凝土的溫度回升現象。本文結合該項目重點介紹混凝土開裂的原理以及清遠二線船閘工程大體積混凝土施工期溫控防裂對策。溫控對策主要包括混凝土材料、施工期溫控措施、管理措施等方面，可為類似工程大體積混凝土溫控防裂提供有益的借鑒。

2 混凝土裂縫產生的原因

2.1 混凝土自身特性

混凝土是一種典型的復合材料，其微觀結構決定了抗拉強度遠低于抗壓強度的特性[1]。混凝土抗拉強度不超過其抗壓強度的1/8～1/12，在拉應力的作用下極易開裂。未配筋的素混凝土在工作過程中通常表現出明顯的脆性，因此一般將混凝土材料設計為受壓構件，在可能出現的受拉區配置鋼筋。

2.2 混凝土水化放熱

混凝土澆筑后，溫度變化會呈現出3個明顯的階段[2-4]。首先是溫度上升期，也就是水化放熱期，在自然情況下一般可持續數周。然后是降溫期，在該階段水泥水化幾乎完成，不再放熱，可不考慮混凝土土放熱。最后是穩定期，在該階段混凝土自身不再放熱，僅作為熱導體，溫度隨氣溫周期變化。混凝土水化放熱曲線見圖1。從圖1中可以看出，混凝土澆筑后的3個階段，施工期溫控目標一般為降低最高溫度并控制降溫過程。混凝土因水泥、粉煤灰等材質水化放熱的溫升值可用朱伯芳院士推薦的式(1)估算[5]，在大體積混凝土施工前應進行混凝土熱工計算，以制定合理有效的溫控手段，并編制大體積混凝土施工溫控專項方案。

圖1 混凝土水化熱溫升曲線

(1)

式中：W為水泥用量；c為比熱；ρ為密度；Q(τ)為水泥水化熱，一般可根據水泥品種估算；k為折減系數；F為除水泥外的膠凝材料用量。

2.3 混凝土溫度應力

如2.2節所述，混凝土澆筑后，其膠凝材料組分會放出大量的熱，同時混凝土是熱的不良導體，導溫系數一般不超過0.10 m2/d。大體積混凝土因膠凝材料放熱且由于自身導溫能力較差，內部溫度較高，而外表面暴露在空氣中，溫度較低。因此，混凝土內外之間會產生較大的溫度梯度，并且混凝土受到來自基礎以及自身的約束作用，溫度較高的位置受熱膨脹承受拉應力，溫度較低位置收縮承受壓應力[6]。當受拉區的拉應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土便會出現溫度裂縫。混凝土因溫度荷載而開裂示意圖見圖2，從圖2中可以看出，溫升階段混凝土在邊緣處最容易開裂。

圖2 混凝土溫升階段溫度裂縫發展示意圖

3 船閘大體積混凝土溫控計算

對船閘大體積混凝土結構進行有限元溫控仿真分析，可以為溫控防裂措施的制定提供準確的溫度場結果。

3.1 溫度場計算理論

在混凝土結構施工過程中，混凝土溫度會隨時間發生變化。這個問題可以描述為具有熱源的熱傳導問題。根據熱傳導理論，推導出相應的平衡方程。該不平穩溫度場T(x,y,z,t)應滿足區域R內的以下方程[7]：

(2)

式中：Q為熱源；a為混凝土的導溫系數，m2/d；ρ為混凝土密度，kg/m3；τ為時間，h。

3.2 有限元模型

本工程船閘底板和墩墻混凝土均為整體一次性澆筑。有限元模型坐標系選取如下：將順河向作為X軸正方向，Y軸為左右岸方向，以豎直向上為Z方向。用八節點六面體單元對模型進行空間離散，共剖分節點42 870個，單元36 962個，其中底板9 504個單元，墩墻共10 320個單元。有限元模型見圖3。

圖3 船閘有限元模型圖

3.3 邊界條件

混凝土上表面及四周、地基出露上表面與空氣接觸，為散熱邊界。地基四周和地面為絕熱邊界，熱流量為零。仿真分析時，氣溫邊界條件可使用如下余弦函數模擬：

(3)

式中：Tam為年均氣溫；Aa為氣溫變幅；t0為初始時刻；ti為氣溫最高的時刻。

3.4 計算結果

澆筑溫度按照當地氣溫進行預估，分析時不考慮溫控防裂措施，按照自然散熱進行考慮。選取船閘大體積混凝土內部和外部的特征節點進行研究，內部和外部特征點溫度過程線見圖4，混凝土溫度場云圖見圖5。從溫控仿真結果可以看出，混凝凝土內部溫度較高，外部溫度較低，內外溫差超出規范要求。如果不另外制定溫控防裂措施，僅靠天然散熱作用，船閘大體積混凝土在施工期的開裂風險極大。

圖4 混凝土特征點溫度過程線圖

圖5 船閘底板和墩墻施工期溫度云圖

4 船閘大體積混凝土防裂對策

4.1 混凝土材料設計

4.1.1 配合比設計

在進行混凝土配合比設計時，應進行熱工計算，可根據式(1)進行計算。混凝土配比設計流程見圖6。根據強度初步擬定混凝土配合比，進行熱工計算，并根據規范對結果進行驗算。在滿足強度的要求下，對混凝土配合比進行調整，直到滿足規范要求。清遠二線船閘主體結構C30大體積混凝土配合比最終確定見表1。

圖6 混凝土配合比設計流程圖

表1 主體結構C30混凝土配比 /kg·(m3)-1

4.1.2 水泥種類

水泥是混凝土硬化過程中放熱的主要原因。本次清遠二線船閘主體結構混凝土均采用低熱水泥進行拌和，可以減少混凝土的放熱量，從而減小混凝土的內部最高溫度以及溫度分布梯度，降低混凝土開裂的風險。

4.2 溫控措施

4.2.1 骨 料

對料場設置專門的防曬裝置，清遠二線船閘工程的調節料倉上部設置防曬棚，并對骨料定期進行灑水。夏季高溫季節氣溫較高，通過自然的冷卻方式不能使骨料充分降溫時，采取風冷措施對骨料進行整體降溫。

4.2.2 澆筑溫度

本工程采用自卸車以及混凝土罐車聯合工作的澆筑模式，自卸車和罐車通過場地內公路將混凝土運送至施工倉面，然后使用門吊配合罐將混凝土入倉。混凝土的平均運送距離不超過1 km，運距較短可防止運輸過程中混凝土的溫度回升現象。

4.2.3 通水冷卻

施工期通水冷卻是控制混凝土溫度最為有效的方式。在混凝土澆筑前預埋冷卻水管，通過施工期的通水，可有力地控制混凝土的內部溫度。為獲得較好的溫控效果，冷卻水管采用鋼管，間距應控制在1.5 m左右，本工程冷卻水管布置圖見圖7。在施工期溫控時，冷卻水管進出水口溫差應控制在6℃～12℃。

圖7 船閘底板冷卻水管布置圖

4.3 施工管理措施

各單位應充分重視大體積混凝土施工前的準備工作，在設計階段就應完成混凝土配比的優化工作。施工單位應做好施工期的各項工序，如冷卻水管的布置和調試。如果施工期可能有溫度驟降的天氣，應提前準備表面保溫材料。同時對施工作業人員進行培訓，提高施工人員施工素質，減少因施工技術原因而產生的混凝土裂縫。如條件允許，應進行施工期的混凝土溫度自動化監測，以減輕施工人員負擔，提高溫控效率。

5 結 論

本文對導致混凝土開裂的原因進行了綜述，對清遠二線船閘工程大體積混凝土溫度場進行了溫控仿真分析。從結果可知，如果僅依靠自然散熱，混凝土開裂風險極大。為避免開裂，本文提出了施工期大體積混凝土溫控防裂的對策，主要包括混凝土材料、施工期溫控措施、管理措施等方面。通過對已完工的混凝土結構進行全面檢查，清遠二線船閘主體結構混凝土均未發現有害的溫度裂縫。結果表明，清遠二線船閘工程所采取的溫控防裂對策是有效的，既保證了工期，又提高了施工質量，可為同類工程大體積混凝土結構施工期溫控防裂提供有益的借鑒。