邳州站混凝土早期温度裂缝控制研究

陈参军 孔祥伟

邳州站混凝土早期温度裂缝控制研究

陈参军 孔祥伟

一、工程概况

南水北调东线邳州泵站位于江苏省邳州市八路镇，为大（1）型泵站，设计流量100 m3/s。泵站底板混凝土强度等级C25，顺水流方向长38 m，垂直水流方向38.2 m。进水侧底板厚度1.3m，出水侧1.7m，局部厚度约3.8m。底板设计竖直方向不能分缝分块，只能分层浇筑，属大体积混凝土。泵站流道混凝土强度等级C25，抗渗等级W6，抗冻等级F100。进水流道断面的宽度为8.0m，进口断面的高度为5.2m，出水流道出口断面的宽度为7.5m，出口断面的高度为5.22m，亦属大体积混凝土，施工时须做好温控措施防止裂缝产生。

二、邳州泵站温控措施

混凝土出现裂缝的原因是混凝土内部应力超过混凝土抗拉强度，特别是混凝土拆模后，混凝土结构尚未受到外部荷载作用时，此时出现的裂缝，基本上属于此种类型。为了有效控制施工期混凝土裂缝的出现和发展，必须从控制混凝土的水化升温、延缓降温速率、减少混凝土收缩、提高混凝土极限拉伸强度、改善约束条件和设计构造等方面全面考虑，结合实际采取措施。

1.降低混凝土浇筑温度

控制混凝土入仓温度不超过28℃，由于泵站底板施工是在8月份，天气温度较高，采取了下列措施来降低混凝土拌合物温度：

（1）在骨料堆搭设遮阳棚，混凝土泵管覆盖草袋，避免阳光直射，降低拌和物的入模温度。

（2）使用温度较低的井水作为拌和用水（经较长时间观测，井水温度一直稳定在16℃～17℃）作为拌和用水。

（3）预冷骨料，对石子喷冷水进行预冷，在浇筑仓面喷雾降低仓面温度。水泥罐和粉煤灰罐外侧搭设遮阳棚，避免阳光直射，降低水泥温度。

（4）混凝土入仓后及时平仓振捣，加快覆盖速度，缩短混凝土在空气中的暴露时间。

（5）混凝土浇筑尽可能利用阴天及早晚、夜间进行。

（6）混凝土收光抹面后，采用塑料薄膜和土工布及时覆盖。

2.降低混凝土的水化温升

在基础内部预埋Φ50聚乙烯冷却水管，通入循环冷却水，强制降低混凝土中水泥水化热引起的升温。通水时间一般为15～20d，混凝土与水温之差不宜超过25℃。管中水的流速以0.6m/s为宜，水流方向每24h调换一次。每天降温不宜超过1℃。

3.加强表面保护降低混凝土内外温差

混凝土浇筑后，加强混凝土的保温保湿工作，避免暴晒，混凝土终凝后及时覆盖塑料薄膜和土工布保湿养护。用土工布封闭流道两端进口及竖井口，避免形成穿堂风，使混凝土缓慢变温，保持混凝土温度内外差不超过25℃。充分发挥混凝土的徐变特性，降低温度应力。底板保湿养护时间不得低于14d。规定合理的拆模时间，延缓混凝土降温时间和速度，充分发挥混凝土应力松弛效应。结构完成后，适时回填土，混凝土避免长时间暴晒。

4.加强温差监控

表1 底板施工进度表

在底板内埋设电子测温计，测温计分上中下三层布置，上下层距表面10cm左右布置。在流道墩墙内埋设电子测温计，测温计分上中下三层布置，上层在高程18.0（进水侧）、18.7（出水侧）布置；中间在15.0（进水侧）、15.5（出水侧）；下层在13.1（进水侧）、12.6～13.8（出水侧）布置，平面分四个测区。在混凝土浇筑后7d内观测温度变化，外部混凝土每天观测最高、最低温度，前3d每2h观测一次，其后6h观测一次，气温骤降期间增加温度观测次数。

5.增加抗裂钢筋

在流道墩墙底板以上2m，顶板以下1m范围内增加抗裂钢筋，钢筋规格和间距是B16＠100，原钢筋设计是B16＠200。

6.在混凝土中加入聚丙烯纤维

施工掺量1kg/m3。

三、温控研究

为做好裂缝控制研究，委托河海大学建立温控计算模型，进行温控计算，通过温控计算，取得了相关施工控制参数，具体如下。

1.计算工况（见图1、图2）。

图1 多年各月平均气温变化图

图2 底板施工相关月份气温变化图

2.底板混凝土浇筑施工安排

根据施工单位浇筑新施工方案，其进度如表1所示。

混凝土热性能参数参考李楼泵站试验结果。混凝土绝热温升过程线如图3所示，最大绝热温升47.98℃。

3.水管冷却布置

冷却水管分布位置如图4所示，前后平均间距1m，个别较厚断面增加水管布置。

图3 混凝土绝热温升过程线图

图4 水管单元网格示意图

水管直径为Φ50mm，为三向一维传导杆单元。底板中间位置布置1层，竖井周边布置3层。水管通水温度控制在17℃。

4.研究结果

根据施工方案，冷却水管根据底板的不同厚度进行布置，并在施工开始通冷却水，水温设定为17℃，而各批次浇筑混凝土的入仓温度为28℃。从计算结果来看，由于保温措施完善（土工布+薄膜），混凝土浇筑块表面放热系数接近绝热，因此，温度主要向地基传热，底板表面区域形成较高温度区。另外由于分区施工的缘故，底板上下游施工的时差有1～2d，这样各自达到最高温度的时间不同。冷却水管的作用明显，可迅速降低内部温度；水泵井侧墙由于没有水管的冷却，温度最高达51℃，大概为该区浇筑后的第5d。随着时间发展，底板的最终温度将趋于水管的冷却水温17℃。

浇筑初期，在入仓温度（28℃）和水化热（绝热温升47.98℃）共同作用下，与冷却水管的水温（17℃）形成强烈的温差，因此在水管周围的应力急剧变大，形成一个一个的应力包，中心应力分别是：第7d的大主应力是6.28 MPa；第14d为5.6 MPa，均超出水管周围混凝土的抗拉强度。而混凝土的应力并不大，其中第7d的大主应力是-0.42～0.54 MPa；第14d为1.08～1.98 MPa；第28d是2.59 MPa，这些都是在抗拉强度允许范围内。

水泵井有两个部位的应力变化需要引起特别注意：首先，水泵井底层混凝土区域，在完成浇筑后间隙3d再开始后续施工，因此与上面后续混凝土在接触面应力变化比较大；其次，底板与墙的接触处在第28d的大主应力为4.6 MPa。应采取必要防裂措施。

从计算结果来看，冷却水管的水温为17℃，与入仓温度加水化热温度差别较大，明显在水管周围形成应力包，其值超过了混凝土的强度，建议相应提高冷却水管的通水温度，并适时停止水管冷却。

四、结语

南水北调邳州泵站混凝土施工通过采取温控措施，混凝土裂缝控制取得了良好的效果。邳州站包括泵站、节制闸、清污机桥、公路桥等五座建筑物，共出现13条裂缝，最大裂缝宽带0.24mm，最小0.06mm，均为非结构性缺陷裂缝，对结构安全不影响。

从邳州站工程实践中看出，预防和减少混凝土早期温度裂缝，必须结合工地的实际条件，从控制混凝土的水化升温、延缓降温速率、减少混凝土收缩、提高混凝土极限拉伸强度、改善约束条件等方面全面考虑。而在施工条件受到限制的情况下，对混凝土采取保温措施，降低混凝土内外温差，是减少温度裂缝的关键■

（作者单位：江苏省徐州市水利工程建设有限公司 221000 山东省济宁市南水北调工程建设管理局 272000）

（专栏编辑：周 权）