水化热抑制剂在泵站混凝土防裂中的对比分析

刘小江，王永智，陈海霞，马树军

（1.河南省水利第一工程局，河南 郑州 450000；2.河南省引江济淮工程有限公司，河南 郑州 450000）

1 引 言

在大体积混凝土施工期应力的影响因素中，温度应力通常是主要的影响因素。对于夏季浇筑的大体积混凝土，温度应力往往比其他季节更大。七里桥泵站采用高流动性泵送混凝土施工，主体大体积混凝土结构在夏季浇筑，其温控防裂难度很大。在类似的工程实践中，墩墙结构会在浇筑后产生贯穿性裂缝，对于结构的耐久性、安全性将产生较大影响。如果在夏季仅采用水管冷却措施，则需要布置非常密集的水管以及配置低温水，将增加施工的不便程度。因此，文章采用数值模拟方法，探索了采用水化热抑制剂与冷却水管联合进行温控防裂的方式。

水化热抑制剂由于其本身应用的复杂性一直以来受到水利学者的高度关注，徐文强研究了不同厚度的水工大体积混凝土对水化热抑制剂的适用性，认为厚度＜1.20 m 的混凝土可以用抑制剂代替冷却水管。Yan等人从微观结构出发，对于新型淀粉基作为抑制剂的影响进行了探究，但对于实际大体积混凝土工程的影响仍有待进一步深入。

文章运用等效冷却水管模型的三维有限元计算程序。对引江济淮七里桥泵站大体积混凝土结构进水池中联部位开展了仿真计算，仿真计算内容为施工期的温度场及应力场，并在混凝土中掺入水化热抑制剂以期简化温控措施，相关温控措施可为今后类似大体积混凝土工程提供借鉴。

2 主要计算参数

2.1 气温资料

考虑±6 ℃的昼夜温差的该工程所在地月平均气温拟合曲线公式如下：

式（1）中：t为每天中的时刻（h）；Ta为日平均气温。

2.2 地基和混凝土主要热力学参数

地质热力学参数参考类似工程，详见表1。

表1 地基热力学参数表

垫层为C15 混凝土，底板及底板以上结构为C30 混凝土。根据七里桥泵站工程施工混凝土配合比资料拟定了混凝土热力学参数，主要热力学参数见表2。不掺抑制剂和掺入抑制剂的主要材料参数发展历时曲线见图1～图2。

图1 混凝土弹性模量历时曲线图

图2 混凝土绝热温升历时曲线图

表2 混凝土热力学参数表

3 仿真计算分析

3.1 计算模型

进水池中联有限元网格模型如图3 所示，单元总数为59 889个，节点总数为71 383个。坐标原点位于进口处垫层，Z轴竖直向上，X轴指向水流方向，Y轴按右手螺旋法则指向左岸。

图3 进水池中联总体有限元模型示意图

温度场仿真计算中，地基侧面及底面为绝热边界，上表面为散热边界。施工临时缝面和结构永久缝面在未被覆盖时为散热边界，覆盖后为绝热边界。其他表面均为散热边界。应力场仿真计算中，在地基的侧面及底面施加法向约束，上表面为自由边界。结构永久缝面为自由边界，其他表面为自由边界。

3.2 主要工况与结果对比

限于篇幅，取工况1、工况4与工况6计算结果作为典型工况对高温条件下采用商品混凝土浇筑泵站的温度场和应力场进行分析。

3.2.1 无抑制剂计算工况

工况1：混凝土浇筑温度为多年平均的日均气温+5 ℃。浇筑块的龄期前5 d表面有钢模板，拆模后无表面保温措施，混凝土内部无冷却水管。

工况4：混凝土浇筑温度为多年平均的日均气温+2 ℃。第一、第二浇筑块的龄期前3 d采用钢模板，第三、第四浇筑块龄期前3 d采用木模版。拆模后在浇筑块表面覆盖保温材料，散热系数为150 KJ/（m2·d·℃），保温至龄期130 d。在底板及以上的浇筑层布置冷却水管，通水10 d，对齿墙及第二浇筑层削峰（削减温度峰值）25 ℃，第一、第三、第四浇筑层削峰15 ℃。

3.2.2 有抑制剂计算工况

工况6：混凝土浇筑温度为多年平均的日均气温+2 ℃。第一、第二浇筑块的龄期前3 d采用钢模板，第三、第四浇筑块龄期前3 d采用木模版。拆模后表面覆盖保温材料，散热系数均为150 KJ/（m2·d·℃），保温至龄期130 d。在底板及以上的浇筑层布置冷却水管，通水8 d，对齿墙削峰15 ℃、第一、第二、第三浇筑层削峰10 ℃、第四浇筑层削峰5 ℃。在底板及以上的浇筑层中掺入水化热抑制剂。

各工况计算结果见图4～图5，实测温度探头位于底板内部1 m 深处。实际工程施工中采用的措施与工况4 接近，故实测温度接近工况4的温度曲线。

图4 底板内部的早龄期温度历时曲线对比图（℃）

图5 底板内部的早龄期应力历时曲线对比图（MPa）

为控制该进水池中联大体积混凝土的施工期拉应力，采取了温控+抑制剂等多种温控措施协同发挥作用，最终将施工期应力降至混凝土抗拉强度范围内。

4 结论

夏季气温高，商品混凝土的浇筑温度难以控制，这两个因素会导致混凝土的水化反应速度很快，会缩短冷却水管发挥作用的时间，导致夏季采用商品混凝土很难有效控制大体积薄壁结构混凝土浇筑块的水化热最高温。掺入水化热抑制剂后，混凝土的水化反应速度明显减慢，浇筑块临空面和冷却水管可以有更加充分的时间散热，可以更好地控制夏季浇筑混凝土的最高温。与仅采用冷却水管来控制最高温的措施相比，掺入水化热抑制剂后，可以有效简化温控措施，包括水管间距、冷却水流量、冷却水水温，都可以放宽要求。