青兰渡槽大体积混凝土温控技术研究

王立新，霍 燚

青兰渡槽大体积混凝土温控技术研究

王立新，霍 燚

（河北省水利工程局，河北石家庄050021）

对平板支撑大体积混凝土施工质量、施工工艺及结构稳定等关键技术展开深入研究和分析论证。结合不同工况采用温控仿真有限元模型程序，通过温度场、应力场等平板支撑混凝土结构计算和裂缝分析，研究混凝土温度控制及裂缝防治措施，探索混凝土应力计算及裂缝防治新技术，找出变化规律，指导施工实践。图2幅，表9个。

大体积混凝土；温控；工程施工；仿真计算；有限元模型

1 概 述

青兰渡槽是大型分离式扶壁型式，为1级建筑物，设计流量为235m3／s，加大流量为265m3／s，此种结构型式的渡槽在水利工程中应用尚属首次。

平板支撑结构混凝土结构尺寸为69.2m× 58.792m，厚度为1.5～3m，混凝土工程量总计7242.79m3，设计没有考虑分缝。

由于整体工期压缩，按照节点工期安排施工时间为6月初至8月底。青兰渡槽平板支撑预应力混凝土是在高温季节和泵送施工各种最不利条件叠加情况下施工的大体积预应力混凝土结构。因此，高温季节施工制定切实可行的温控措施是保证施工质量的关键。

2 配合比的优选

是使混凝土具有较好的抗裂能力，就是要求混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比较小、线胀系数较小，自生体积变形最好是微膨胀，至少要是低收缩。

混凝土原材料的品质和配合比决定了混凝土热学、力学性能，它从减少混凝土绝热温升、提高抗裂能力两方面防止裂缝的产生。掺入外加剂（主要指减水剂）、掺和料（主要为粉煤灰）可以减少用水量，改善混凝土的和易性和强度。另外，还可选用材质好、级配佳的粗细骨料以减小混凝土的线胀系数，掺入膨胀剂、减缩剂以减少收缩量等。

平板支撑浇筑混凝土等级为C40F150。配合比经过实验室反复论证和试验分析，并根据专家论证结论的进行了优化（见表1）。

选择混凝土原材料、优化混凝土配合比的目的

表1 配合比

3 施工工艺

3.1 分缝

虽然设计从结构整体性考虑整个平板结构没有分缝，但是根据施工进度安排，混凝土施工期正赶上高温季节，考虑工程的结构受力特点和混凝土温控防裂要求等因素，应力应变各角度分析均应分施工缝浇筑。

为此专门请专家召开论证会，经设计同意，确定分10仓浇筑，防止应力约束产生的裂缝，并作出专门的温度控制方案。

3.2 平板支撑结构温控防裂优化方案

3.2.1 参数选择

（1）气象条件

施工环境温度取值：4月份平均气温T＝19.35℃。取气温为A＝12.3℃，气温年变幅为B＝14.6℃，最高气温日期距离1月1日的天数为C＝210d。

地下水水温：3～4月18℃，5月20℃，6～8月22℃，9～10月20℃。通水水温按与混凝土最高温度不大于25℃控制。

（2）混凝土的热力学参数

近似地认为混凝土弹性模量不同龄期的变化规律与抗压强度变化规律相同（见表2、表3）。

表2 平板支撑结构混凝土热学性能参数

表3 平板支撑结构混凝土力学性能参数

水化热温升计算公式采用下式：

式中，a为水化热达到一半的龄期。

（3）水管参数

冷却水管采用蛇形均匀铺设，间距1.0m、距离周边1.0m、进出水管口间距1.0m、出露长度不小于20cm（见表4）。

3.2.2 计算模型及模拟方法

由于平板支撑结构平行水流方向分有1条施工缝，因此温控模型选取中间的1个结构段，即长度为63m、宽度为11.75m的结构段。模型中考虑了下部支柱结构的影响，在支柱结构与平板支撑结构连接部位，通过建立弹簧单元（COMBIN40和COMBIN14）来模拟支柱与平板支撑结构间的接触问题。混凝土结构采用8节点等参单元（见图1）。

表4 冷却水管参数

图1 计算模型网格剖分

（1）计算荷载以及边界条件

4个支柱底部给予绝热边界条件和全约束力学边界条件；模板和混凝土表面在温度场计算中，拆模前是光滑钢表面与空气热对流边界条件，拆模后是光滑固体表面与空气热对流边界，拆模前渡槽衬砌段混凝土表面的等效放热系数统一取风速为零时钢表面（光滑）的放热系数18.46kJ／（m2・h・℃），拆模后考虑风速影响，混凝土表面放热系数取为30.0kJ／（m2・h・℃）。在拆模后洒水养护时，有洒水养护的表面成为混凝土表面与洒水热对流边界，这些边界属于第三类热学边界条件。

计算温度场时，混凝土单元的初始温度为浇筑温度，下部支柱的初始温度为夏季的平均气温。

（2）计算结果特征点的选取

沿长度方向截取平板支撑结构的中心纵断面，如下图所示，选取3个横截面（截面1、截面2、截面3）代表点（上、中、下）的温度场和温度应力场进行分析（见图2）。

图2 代表点选取示意

3.3 平板支撑结构混凝土夏季浇筑温控方案优选

（1）夏季浇筑基本工况分析

夏季浇筑基本工况条件为：浇筑温度为30℃，采用C40F150泵送混凝土，开浇3d后拆模，表面洒水养护28d，无温控措施。

（2）温度场分析

由温度计算结果可知，所选取的不同截面最高温度均出现在混凝土结构中间部位。从温度历时曲线来看，平板支撑结构混凝土的温度场均经历了水化热温升、温降和随环境气温周期变化3个阶段，各个截面代表点的演化趋势基本一致。各截面最大内表温差出现于浇筑后的第3、5、7d不等，最高温度值出现于浇筑后的第2～5d不等。

（3）应力场分析

由应力计算结果可知，所选取的不同截面代表点温度应力变化经历了压应力增长、压应力减小、产生拉应力、拉应力快速增长并达到最大值、拉应力再减小并进入随气温周期性变化的演化趋势（见表5、表6）。

表5 各截面代表点对应龄期第一主应力值对比

表6 各截面代表点对应龄期安全系数值对比

对比各个截面代表点第一主应力值和安全系数值可以看出，当平板支撑结构混凝土夏季浇筑温度为30℃时：对于截面1，上部表面点各龄期拉应力较小，最大值为1.77MPa，中间点和下部表面点的拉应力在冬季均比较大，最大值分别为4.48MPa和5.96MPa，相应最小抗裂安全系数分别为1.08和0.81，均在1.5以下，不满足规范抗裂安全要求。对于截面2，3个代表点拉应力在冬季均较高，其中上部表面点和下部表面点的最小抗裂安全系数值偏低，分别为1.35和1.38，也不满足规范抗裂安全要求。对于截面3，上部表面点最大拉应力较小，为1.19MPa，而中间点的最大拉应力值为3.48MPa，相应最小抗裂安全系数为1.4，与相关规范比较偏小。

综上可知，对平板支撑结构，夏季混凝土浇筑温度为30℃时，混凝土大部分区域拉应力值偏大，极易出现裂缝。故应增加一定的温控措施，以减小温度应力，提高混凝土的抗裂安全系数。

3.4 温控方案分析

夏季浇筑温控方案条件为：浇筑温度为24～28℃，开浇3d后拆模，表面洒水养护28d，并采取相应温控措施，其中冬季保温是指气温低于14℃时即采取保温措施（见表7）。

表7 计算方案选择

（1）温度场分析

根据不同方案下所得温度计算结果，所选取的3个截面的最高温度均出现在混凝土结构中间部位。从温度历时曲线来看，混凝土各代表点温度场均经历了水化热温升、温降和随环境气温周期变化3个阶段，各计算方案演化趋势基本一致。各截面的最大内表温差出现于浇筑后的第3、5、7d不等，最高温度值出现于浇筑后的第2～5d不等。

（2）应力场分析

根据不同方案下所得应力计算结果，所选取的不同截面代表点温度应力变化经历了压应力增长、压应力减小、产生拉应力、拉应力快速增长并达到最大值、拉应力再减小并进入随气温周期性变化的演化趋势，各计算方案的演化趋势基本一致。

截面1应力计算结果可以看出，方案1、方案2、方案4下，截面1区域混凝土抗裂安全系数均偏低，方案3和方案5中采取的温控措施可使截面1区域基本满足相关规范的抗裂要求。

截面2应力结果可以看出，各方案中采取的温控措施均可使截面2区域混凝土抗裂安全系数达到相关规范的抗裂要求。

截面3应力结果可以看出，各方案中采取的温控措施均可使截面2区域混凝土抗裂安全系数达到相关规范的抗裂要求。

综上可知，平板支撑结构最易出现裂缝的区域在截面1处，其次为截面2，截面3区域的拉应力较小，基本上不会有裂缝产生。方案1施工条件下，截面1中间点和下部表面点拉应力较大，极易产生温度裂缝。因此一方面，当降低浇筑温度至24℃，并采取通水措施，通水温度为20℃，通水时间为15d，在冬季改用保温效果较好的保温被保温时，截面1下表面点的最小抗裂安全系数为1.45，基本上满足抗裂要求。另一方面，考虑到实际施工中浇筑温度降低至24℃比较困难，仿真计算了方案5条件下的温控效果，即在26℃浇筑条件下，采用25mm外径的PE管通冷却水，通水温度为15℃，通水时间为20d，并在冬季气温较低时用保温被给混凝土表面保温，此种情况下截面1下表面点最小抗裂安全系数为1.46，也基本满足规范要求。

方案1～方案5中的通水冷却措施在混凝土结构中布置的水管为单排水管。现考虑在放宽浇筑温度的前提下，在平板支撑结构中布置双排冷却水管，进行通水冷却，即方案6。在方案6情况下，最易出现裂缝的截面1下部表面点处的最小抗裂安全系数出现在220d龄期，为1.45，对应的第一主应力为3.37MPa，混凝土抗裂安全性基本满足规范要求。

3.5 优选结果

夏季浇筑温度为30℃时，所选取的代表点拉应力均偏大，混凝土易产生温度裂缝，应当采取温控措施减小温度应力（见表8、表9）。

表8 不同截面处各方案下的最高温度及最大内表温差值

表9 不同截面处各方案下的最小抗裂安全系数及对应的主应力值

根据以上方案比选，方案5截面1下表面点最小抗裂安全系数最高，也基本满足规范要求。同时，PE管施工具有方便、快捷、价格低廉的特点，高温季节浇筑温控方案应选用方案5。

4 平板支撑施工

4.1 温度控制

（1）控制目标

混凝土浇筑温度不大于26℃，混凝土内外温差控制标准为不大于20℃。预冷混凝土运输、浇筑过程中温度回升率不大于0.25。

（2）降低出机口温度的措施

骨料仓采取搭设遮阳篷、堆高骨料等措施，浇筑前喷洒冷水预冷。拌和水采用地下水和加冰屑，保证拌合水温度不大于10℃。延长静置时间，水泥厂、粉煤灰厂贮藏降温后进场，现场在水泥罐周圈盘冷却水管降温等措施。水泥控制温度不超过50℃，粉煤灰控制温度不超过30℃。

（3）减少温度回升

对混凝土搅拌运输车采取隔热保温措施，进料时对运输车洒冷水，降低车体温度。

减少暴露时间：采用混凝土泵车入仓，混凝土入仓后及时平仓振捣，加快覆盖速度，缩短曝晒时间。

浇筑安排在下午18时至次日上午8时进行，并且白天仓面采用覆盖措施，避免阳光直射。

混凝土施工时，外界气温较高，为防止混凝土初凝及气温倒灌，在仓面设置1台仓面喷雾机，以降低仓面小环境的温度，营造湿润小环境。

（4）控制水化热温升

埋设冷却水管进行初期通水，以降低混凝土最高温度并削减内外温差，满足内外温差要求。冷却水管的布置按照上述方案5执行，单排PE管，水管水平间距1m，布置于厚度方向的中间部位，单根水管长50m。

在开始浇筑时即开始通水，前4d通水采用制冷水，通水温度控制在15～18℃，以后通水采用地下水，水温20℃，通水流量为35L／min，总通水时间15d。

混凝土的测温初期1h观察1次，1d后每2h观察1次并记录，气温和混凝土内部温度变化大时要加大观测密度；做好温控过程中的数据记录和分析，及时指导温控工作。

（5）热工计算

做好以上的温度控制，运输环境为28℃，采用混凝土搅拌车运输α＝0.25；泵送混凝土转运2次，自运输到浇筑时的时间为0.06h。热工计算结果是：混凝土的浇筑温度T1＝25.0℃。

满足上述方案5的内部温升和抗裂要求的计算条件。

混凝土收面后采用1层塑料薄膜和1层棉毡覆盖保温保湿，定期洒水保湿养护，养护时间不少于28d。对平板支撑结构下部进行围封，喷水保湿，保持底部的温度和湿度。

4.2 温度控制情况

通过实际测量，平板支撑混凝土浇筑温度均低于26℃。混凝土仓面浇筑开始后即进行通水降温，每2h测冷却水管的进出水温，冷却水管通水的流速为0.926～1.051m／s。混凝土浇筑完成24～30h后混凝土内部最高温度达到最高70℃，达到最高温度2～3h以后混凝土内部温度开始下降，冷却水出水温度最高达到53℃，混凝土表面温度最高为56℃，混凝土表面最高温度56℃，当时气温36℃。混凝土内外温差不大于25℃，符合设计及规范要求，平板支撑混凝土未发现裂缝。

实际测温结果比原方案计算最高温度要高，分析原因是倾向于水泥较以前颗粒变细，早期强度提高，水化热反应提前集中，降温水管运行不是像计算设定那样稳定等因素造成。

5 结 论

大体积混凝土其裂缝形成的原因和客观因素复杂，特别是在施工阶段，还掺杂有人为因素。根据大体积平板支撑应力的仿真计算分析，影响平板支撑结构裂缝的主要因素仍然是温变所致的温度应力和混凝土收缩性自生变形应力。

（1）通过采用科学的施工方法和严格施工管理措施，可以杜绝裂缝的出现。施工中，通过减小混凝土内外温差、降低外界条件对混凝土变形的约束、提高混凝土自身的抗裂能力等技术和管理措施，可以达到混凝土防裂的目的。

（2）通过优选原材料和配合比，可以明显改善混凝土的性能，结合使用外加剂，保证混凝土的强度及抗渗、抗冻性能。

（3）从平板支撑不同部位温度和应力的计算结果来看，混凝土裂缝的发生和发展可根据裂缝出现的时间和启裂点位置来分，主要可分为温升期裂缝和随后的降温期裂缝两类。温升期出现的裂缝都发生在浇筑初期，裂缝的形式一定都是启裂于表面的、由表向内扩裂的“由表及里”型裂缝，启裂点往往位于混凝土表面的中心区域。它们主要是由混凝土内外温差导致的，内部温度相对高的混凝土要约束外部温度较低的表面混凝土的收缩变形，从而产生表面温度拉应力。内外温差越大，早期表面拉应力就越大，出现表面开裂的风险也越大。当表面裂缝出现后，在外在不利因素的引导下，很可能向纵深发展并最终成为贯穿性裂缝或深层裂缝。因此，施工时要特别重视混凝土表面裂缝出现的可能性和相应的施工防裂方法，混凝土的防裂工作首先要设法防止温升期这类裂缝的产生。

责任编辑 吴 昊

2014－12－12

王立新（1968－），男，教授级高级工程师，主要从事水利工程施工管理工作。