大坝大体积混凝土不同运输方式对浇筑温度的影响分析

梅 勇

河南省信阳市鲇鱼山水库管理局 河南 商城 465300

目前，越来越多的大体积混凝土被应用于水利工程中，尤其是水库大坝的建设。在浇筑大坝大体积混凝土时，通常会产生水泥水化热，造成混凝土内部与外界的温度差异，从而导致混凝土温度场分布不均匀[1-2]。混凝土的导热性能和徐变特性，导致这种温度场分布的不均匀极易在混凝土中产生温度应力，尤其是在混凝土表面容易产生温度拉应力。如果温度拉应力超过混凝土的抗拉极限，则在混凝土的表面极大可能会产生裂缝，从而影响了大坝结构的安全性，这在大体积混凝土中表现得尤为突出[3]。

在大体积混凝土温度控制中，选择合理的水灰比、浇筑温度、水管冷却、配置温度钢筋等均为常规的温度控制方式。浇筑温度作为混凝土温度差计算的初始温度，在混凝土温度控制中具有重要的作用，然而由于浇筑运输过程中不可避免的温度升高，导致在计算时不宜采用拌和后的温度。

本文针对不同的运输工具，分析其温升情况，以期对运输工具选择及温控计算进行合理确定。

1 运输过程温度回升计算模型

混凝土在搅拌站搅拌结束后，往往需要通过交通工具进行运输。交通工具根据不同的作业条件，一般可以分为水平运输工具和垂直运输工具。常用的运输机具包括自卸汽车、皮带机及缆机吊罐等。

混凝土运输过程中的温度回升包括装卸料、转运及运输机具上的温度回升。

其中，装卸料及转运温度回升系数、运输机具上的温度回升系数通过参阅规范，可根据温度差分计算方式，采用双向差分法计算，按式（1）计算得出[4]：

式中：T0,τ+Δτ——计算点计算时段的温度；

T0,τ——计算点前一时段的温度；

Δτ——计算时段时间步长；

T1τ、T2τ、T3τ、T4τ——计算点周围的4个点在前一时 段的温度值；

L1、L2、L3、L4——计算点距周围四点的距离；

r ——系数，r＝αΔτ/h2，这里的α为混凝土导温系 数，h2为混凝土差分的平均栅格间距，即 L1、L2、L3、L4的平均值；

Δθτ——计算时段内混凝土绝热温升。差分网格如图1所示。

图1 差分网格示意

与空气接触的混凝土表面温度按第三类边界处理，计算公式如下[5]：

式中：Tb,τ+Δτ——边界点计算时段的温度；

T0,τ+Δτ——靠边界的计算点计算时段温度；

Tc——混凝土表面气温；

h ——T0,τ+Δτ点至混凝土边界的距离；

β ——混凝土表面放热系数；

λ——混凝土导热系数。

角点温度计算公式如下[1]：

式中：T角——角点温度；

λ——混凝土导热系数；

L1h、L2h——分别为边界上的分格距离；

β1、β2——两边界上的表面放热系数。

2 皮带机运输方式入仓的温度回升计算

采用皮带机进行运输时，运输断面如图2所示，计算过程中假定运输过程中混凝土在输送带上均匀分布。

图2 皮带机运送混凝土断面示意

根据某具体实例，混凝土面上部尺寸为0.68 m，下部尺寸为0.28 m，厚度为0.1 m，胶带机侧壁与水平面角度为38°，计算点平均距离为1 cm；计算时间步长为10 s；假定顶面混凝土表面放热系数取70 kJ/（m2·h·K），其余面混凝土表面放热系数取20 kJ/（m2·h·K），浇筑时的环境气温取33.1 ℃，进入仓面后卸料的温度回升系数按0.032计。

皮带机不同运输时间的混凝土温度回升如表1所示。

表1 皮带机不同运送时间的温度回升

3 自卸汽车+缆机吊罐运输方式入仓的温度回升计算

本次计算实例中的自卸汽车吊罐运输能力为9 m3。在运行中温度回升采用双向差分法计算，计算点平均距离为1 cm，计算时间步长为1 min。

为避免运输过程中的热量倒灌，在自卸汽车车厢周边设置篷布进行保温，自卸汽车离开拌和楼前用篷布覆盖整个车厢，车厢顶面及侧面的混凝土放热系数取30 kJ/（m2·h·K）。自卸汽车（侧卸式混凝土运输车）由拌和楼运至供料平台卸料点，卸入斗容9 m3吊罐后由缆机吊运至浇筑仓位。

缆机吊罐采用YL系列液压自能立式混凝土吊罐，进料口直径D1为2.53 m，卸口料为矩形，尺寸为0.9 m×1.0 m，罐体高度H1为3.2 m，进料口柱体高度H2为1.8 m。吊罐结构如图3所示。

图3 缆机吊罐结构示意

吊罐内混凝土模型计算点平均距离为1～2 cm；计算时间步长为10 s，浇筑时的环境气温取33.1 ℃，吊罐外表面贴保温卷材，混凝土表面放热系数取20 kJ/（m2·h·K）。汽车+缆机不同工况下的混凝土入仓温度回升如表2所示。

表2 缆机不同运送时间的温度回升 单位：℃

4 工程实例分析

为评价本文建立的运输方式的温度回升计算模型，采用在运输过程中埋设温度传感器的方式进行误差计算分析。

某坝体工程位于四川省某县，浇筑月份为7月份，实测外界气温温度为33.1 ℃，浇筑用C30混凝土配比如下：用水量∶水泥∶粉煤灰∶砂∶小石∶中石∶减水剂∶引气剂＝120∶159∶86∶689∶585∶877∶1.714∶0.049。其中，小石粒径为5～20 mm，中石粒径为20～40 mm。在运输过程中埋设测温元件，所述测温元件型号为DS18B20，测温误差（2 5 ℃环境下）为0.1 2 ℃，测试范围为 -30～150 ℃，绝缘电阻为850 MΩ。

运输机采用专用槽形皮带运输，皮带机槽形为梯形，上部尺寸为0.68 m，下部尺寸为0.28 m，侧壁与水平面角度为38°。皮带运输机运输时间为8 min，混凝土机口温度为10 ℃。测温元件埋设在距离混凝土表面5 cm处，共埋设5个。取5个测温元件的平均值作为测量值，每隔1 min输出一次测量值。差分计算与测量值对比如图4所示。

当采用自卸汽车、吊罐进行混凝土运输时，自卸汽车采用侧卸式混凝土运输车，由拌和楼运至供料平台卸料点，卸入斗容9 m3吊罐后由缆机吊运至浇筑仓位，其中自卸汽车运输时间为20 min，吊罐运输时间为15 min。

混凝土机口温度为10 ℃，吊罐初始温度为11.2 ℃。测温元件埋设在混凝土中心，共埋设5个。取5个测温元件的平均值作为测量值，每隔5 min输出一次测量值。差分计算与测量值对比如图5所示。

图4 计算值与测量值对比一

图5 计算值与测量值对比二

由图4和图5可知，对于短时间运输的混凝土温度控制而言，采用差分算法计算结果与实测温度值误差较小。

由文献[1]和[5]中的计算实例可以得知，利用差分进行温度的计算控制，其与理论值或实测值的误差相对较小，随着差分精度的提高，误差可控制在5%之内。随着运输时间的缩短、气温变化幅度的降低、混凝土相关热力学参数的准确获取，上述误差会进一步缩小。通过差分进行温度计算，将温度误差控制在工程允许的范围内，是完全可 行的。

5 不同运输方式入仓温度分析

由上述分析计算可知，随着运输时间的不断增加，混凝土入仓温度也随之升高。其中，采用皮带机运输混凝土时，由于混凝土直接裸露在大气中，大气温度的回灌比较明显，其温度回升的速度较快，因此，对于大坝主体混凝土，夏天施工时不宜采用皮带机入仓。

对于自卸汽车+缆机吊罐运输方式而言，温度升高主要集中在汽车运输过程中，而在缆机吊罐运输时，由于空间有限，且通过采用相应的保温措施，其温度升高较小。因此，在此种运输方式中，应尽量减小汽车运输时间和等待时间。

通过对具体实例分析，对于出机口温度为7 ℃的混凝土，要将入仓温度控制在10 ℃以内，自卸汽车运输时间不宜超过15 min，缆机吊运不宜超过10 min，同时在施工过程中，须加强混凝土入仓过程中的管理工作，尽量缩短汽车运输及吊罐吊运时间。

6 结语

本文通过建立运输过程中温度回升计算的差分模型，对皮带机运输和自卸汽车+缆机吊罐运输2种不同方式分别进行了实例分析，并对其温度回升进行比较，得出了不同运输方式的温升情况，以及2种不同运输方式的适用情形。

本文总结的相关结论可为大坝大体积混凝土在实际施工中合理选择运输方式提供技术参考，并可起到一定的指导作用。

[1] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:水利电力出 版社,2012.

[2] 张国新.非均质材料温度场的有限元算法[J].水利学报,2004(10): 71-76.

[3] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[4] 杜平,刘书贤,谭广柱,等.基于四维温度场理论的大体积混凝土数值 分析[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2012,31(8):526-530.

[5] 邓旭.大体积混凝土温度及应力控制相关问题研[D].郑州:郑州大 学,2014.