基于水热化估算的北方地区水工混凝土温控特征探讨

2021-05-24叶万超

黑龙江水利科技 2021年4期

叶万超

(沈阳利鑫土木工程有限责任公司，沈阳 110000)

0 前言

水工混凝土施工温度特征是其施工质量的重要指标，对于其稳定是影响显著，是水工设计的重要参数[1]。尤其是在北方地区，冬季水工混凝土施工，需要对其温控特征进行分析，对其热量损耗进行分析后，控制水工混凝土的施工参数值[2]。近些年来，许多学者针对水工混凝土的温控特征进行探讨，并取得一定的研究成果[3-9]，但大都通过现场试验的方式进行温度测定，从而对其温控特征进行分析[10]。对于水工混凝土温控特征一直缺少理论支撑，当前，基于热能平衡的水热化估算公式在一些领域混凝土温控特征中得到应用[11-15]，但在水工混凝土温控特征应用还较少，为此文章结合水热化估算公式对北方地区水工混凝土的温控特征进行探讨，研究成果对于北方地区冬季水工混凝土施工具有重要参考价值。

1 水热化估算方法

该方法基于水热平衡方法对其放热量进行估算，估算方程为：

Q=Q0(1-e-mt)

(1)

式中：Q为水化热量，kJ；Q0为水工混凝土单位质量的水化热量,kJ；m为放热系数；t为放热时间，h。对△t时间内的总放热量进行计算：

△Q=Qn-Qn-1=WQ0(e-mtn-1-e-mtn)

(2)

式中：△Q为△t时间内的总放热量，kJ；tn-1、tn分别为不同时间段，h。各时段水工混凝土的放热估算方程为：

q1,1=cM△T=cM(T2,n-T2,n-1)

(3)

q1,2=cM△T=cM(T2,n-T0)

(4)

式中：q1,1、q1,2分别为放热和空气比热，kJ；T2,n、T2,n-1、T0为不同时段的温度，℃；c为放热比热，kJ/kg℃；M为水工混凝土的密度，kg/m3。在tn时刻水工混凝土的水化热能估算方程为：

(5)

式中：Tn为估算温度，℃。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

以某水利工程为实例，该工程实例为宽度为16.5m的水工闸坝，该闸坝边墩按照垂直墙体结构进行设置，采用C25标号的水工混凝土进行闸门启闭室的浇筑。对闸坝水工混凝土材料特性进行了测定，水工混凝土的主要材料特性，见表1。

表1 水工混凝土的主要材料特性

2.2 计算误差分析

结合水工混凝土各监测点温度实际测定值，对水热化估算温度进行误差分析，水工混凝土温度计算精度分析结果，见表2。

表2 水工混凝土温度计算精度分析结果

从计算结果可看出，采用水热化估算的各监测点温度和实际测定的温度之间的误差<±1.5℃，最高温度计算误差满足规范要求。水工混凝土不同监测点最高温度时间主要集中在60h以内，最高温度出现时间误差<±20h。水工混凝土浇筑时间及厚度对其最高温度影响显著，中心监测点温度放热较为迟缓，使得其最高温度出现时间相比于其他监测点有所减缓。温度上升时期的水热化估算误差总体低于温度下降阶段，这主要是因为最高温度受水化温度递增影响有所延缓，使得其计算误差加大。最高温度在温度下降段变幅较高。

2.3 不同厚度对水工混凝土环境温差影响分析

采用水热化估算方程对不同厚度下水工混凝土的内外温差进行计算，并对其温差最高值出现时间进行对比分析。不同厚度对水工混凝土环境温差影响分析结果，见表3。

表3 不同厚度对水工混凝土环境温差影响分析结果

从不同厚度对水工混凝土环境温差影响分析结果可看出，采用水热化估算的理论温差和实际检测的环境温差之间吻合度较高，环境温差随着水工混凝土浇筑厚度增加而逐步增大，最大温差出现时间有所延缓，环境温差最大值出现在水工混凝土浇筑厚度为3.6m时，水工混凝土内部结构受环境温差变化影响较为显著，是其内部温差变化的主因，水工混凝土内部热能消耗可通过增加水工混凝土薄壁厚度来降低。

2.4 薄壁厚度对水工混凝土热能消耗影响分析

采用水热化估算方程对不同薄壁厚度下的水工混凝土内部热能消耗的影响进行计算分析。水工混凝土不同薄壁厚度对其内部热能消耗影响分析结果，见表4。

表4 水工混凝土不同薄壁厚度对其内部热能消耗影响分析结果

从水工混凝土不同薄壁厚度对其内部热能消耗影响分析结果可看出，水工混凝土内部温度消耗总体呈现线性递增变化趋势，且当薄壁厚度<135cm时处于递增较为显著，温度递减在温度最高值时较为显著，水工混凝土温度递减主要集中在薄壁厚度为117-180cm，薄壁厚度每递增10cm其温度提高2℃。薄壁厚度和水工混凝土内部温度之间具有较好的相关性。水工混凝土表层放热速率较大，使得其表层温度增幅较为明显。水工混凝土施工中内部温度受环境温差影响度较小，表层对热系数受环境温度影响较大，其系数越小使得温度扩散速率越低。