闸墩内部水管冷却和表面保温措施的抗裂作用研究

高喜才

(河南省水利第一工程局，河南 郑州 450000)

在各种水工混凝土结构中，一种比较典型的结构就是水闸，在其混凝土结构中也经常会存在裂缝，而且裂缝问题在泵送混凝土技术出现并逐渐得到普遍应用以后变得更加明显。裂缝开裂的具体机理会因为混凝土具体构造以及施工时期的差异而变化，因此对于工程建筑防裂措施的开展实施要有目的性。在各种水工混凝土建筑施工项目中，有2种比较常见的温控防裂措施。首先对于水管冷却温控防裂措施，相关的模拟仿真技术已经发展得相对成熟，它通常适用于超大型的水工混凝土建筑施工活动。而在表面保温方面，已经有很多研究人员对这种温控防裂方法的作用效果以及保温材料的选择等开展了探究。对于水闸闸墩来说，它在很多方面都和普通的混凝土坝存在差异，包括建筑构造、具体施工的操作手段和裂缝开裂机理，而且在这类混凝土水工建筑的温控防裂的研究并不深入。

1 计算理论和方法

在整个计算领域R内，不稳定温度场T(x，y，z，t)必须符合：

(1)

式中，T—温度，℃；a—导温系数，m2/h；t，τ—时间和龄期，d；θ—绝热温升，℃。

以热传导定律以及热量平衡条件为计算基础，能够得出：

(2)

式中，λ—混凝土的导热系数，kJ/(m·h·℃)；cw—流量，m3/s;ρw—比热，kJ/(kg·℃);qw—密度，kg/m3。

因为已经知道了冷却水的入口温度数据，所以能够基于式(2)通过推导得出水体的温度。另外，由于水管水温的测算会受到Tn即温度梯度的影响，所以这种情况下混凝土温度场的计算应该基于迭代法进行求解，因为它属于边界非线性问题。另外，对于弹性混凝土的应力增量有：

(3)

2 闸墩混凝土开裂机理

将某泵送混凝土退水闸工程作为具体的研究对象，该水闸的闸墩高度接近9m，厚度为1.3m，高度则将近19m。该退水闸工程的施工时间是在冬季，在实际的混凝土浇筑施工过程中，最低的工作环境温度为-11℃。

不存在冷却水管情况下的计算网格如图1所示。

图1 无冷却水管时计算网格

具体的几项重要的混凝土力学参数见表1。表中的各项力学参数是通过仿真模拟实验得到的，即对施工过程中的各种状态环境开展数值模拟。

表1 混凝土主要热学参数

在只使用竹胶模板状态下的相关数据如图2—3所示。

由图2中(a)与(b)图的走势情况能够发现，混凝土内部温度峰值的产生时间位于浇筑施工的初期，另外内外部承受压应力等的数据峰值大部分都是与混凝土内部温度的极值同步达成。在后期，其温度逐步减小，水闸闸墩的结构所承受的应力也会因为温度变化而受到影响，外部所承受的主要力量为压应力，而内部则为拉应力。

图2 温度及应力变化曲线

在混凝土内部温度因为浇筑活动而升高的阶段，因为混凝土的外部热量会散失的更快，所以混凝土结构的内外部会因此形成结构温差。而且混凝土结构内外部的温差值会在其内部的温度上升为峰值的同时处于极值状态。尽管由于过大的结构温差，混凝土结构会发生变形，但是因为相比于混凝土的结构外部，其内部的混凝土因为温度过高而膨胀得更为迅速，从而会产生混凝土内外部结构变形。这一系列反应很容易形成首先从水闸闸墩混凝土外部开裂的地裂缝，这也正是部分水工混凝土的裂缝在拆模之前就产生的原因。

当混凝土浇筑来到后期时，混凝土整体结构的温度都会降低。但是总的来说混凝土结构外部温度降低的数值一定会较大程度小于混凝土结构内部，这时就会造成其结构内部的冷缩幅度大。另外，相较于浇筑初期，底板对于闸墩产生的约束力在后期的力度是更大的，所以在冷缩变形以及底板更强约束力的共同作用之下，闸墩的拉应力会在接近地板的位置达到峰值，如图3(b)所示。因此在这种情况下也最易形成从闸墩内部开裂的裂缝。

图3 主应力σ1等值线(单位：MPa)

3 防裂机理与防裂效果

3.1 单纯表面保温

单纯的表面保温的温控措施的作用原理是基于对混凝土结构外部的散热速度的降低，从而能够减小其结构内外部的温差。在闸墩混凝土的外部使用竹胶模板能够起到一定的保温效果，相比较来说所产生的保温效果更好的是塑料板。为了表现出混凝土的结构温度所受到的保温材料种类的影响，在使用竹胶模板之后，再进行研究加用塑料保温板所产生的实际保温效果。

计算发现，通过对闸墩混凝土的外部使用保温材料是可以降低混凝土内外部结构的温差的，而且实际产生的防裂效果会受到使用的保温材料性能的影响。如果只使用竹胶模板，在浇筑早期混凝土的结构温差约为15℃，而如果在此基础上加用塑料板则其温差能够下降到5℃。同时，如果只使用竹胶模板，水闸闸墩外部的拉应力极值是0.7MPa，而如果加用塑料板则其拉应力会明显下降，具有显著的防裂效果。

闸墩的底部相比于大坝其混凝土的厚度是更小的，因此结构外部的温度状况对其温差状况的影响作用是更强的，增强表面使用材料的保温性能能够有效控制混凝土结构温差。如果只使用竹胶模板，则闸墩典型点的温升约为30℃；如果加用塑料板其温升极值能够达到35℃。另外如果在闸墩混凝土的外部只使用竹胶模板，则浇筑后期其结构内部的拉应力极值1.4MPa，如图4所示；在加用塑料板的情况下其拉应力极值为2.0MPa，如图5所示。

图4 2种保温材料结合时温度与应力曲线

图5 2种保温材料结合时主应力σ1等值线(单位：MPa)

另外，在加用塑料板进行表面保温的情况下，进行拆模操作更易造成闸墩混凝土结构产生裂缝，因为在混凝土外部使用保温材料的情况下拆模会使混凝土结构温差突变，如图6所示。因此在使用保温材料的情况下应该适当地延后拆模时间。

由图6可知，如果使用塑料板进行长期保温，相较于只使用竹胶模板，尽管它可以有效减轻拆模产生的影响，但其在浇筑后期的拉应力增长更为显著。

图6 长期使用塑料板时温度与应力曲线

3.2 表面保温和水管铺设结合

水闸闸墩相较于普通的大坝混凝土结构具有更小的厚度，所以如果在其内部铺设管道注入冷水可以有效地减缓闸墩混凝土整体结构温度的变化幅度以及结构内外部的温差，因此能够减小混凝土结构由于温度变化而形成的各种应力。在该退水闸工程的建设施工活动中，有在闸墩的内部铺设水管，而且在其外部使用了竹胶模板，同时为了避风搭设了塑料棚。因为大多数的混凝土开裂现象都发生在水闸闸墩的结构偏下方，所以在水管铺设过程中将水管仅仅铺设了12层，达到了闸墩整体高度的三分之二左右，各层水管之间的距离为0.5m，水管结构整体位于混凝土浇筑层的中心部位。另外，冷却水管是铁质的，管道的外径是5cm，内径是4cm，该退水闸工程的闸墩混凝土浇筑共耗时16h，铺设管道的冷水注入工作在闸墩混凝土浇筑完成之后立刻开展，注入的水体温度为17℃，流量大小为5.62m3/h，总体耗费的通水时间为5.5d。铺设了冷却水管的计算网格如图7所示。

图7 有冷却水管时的网格

计算发现，经过水管埋设以及表面保温方法的共同作用，在浇筑早期混凝土的结构温度差异被控制在了5℃左右，具体如图8(a)所示。在这个结构温差之下，水闸闸墩的外部几乎没有产生拉应力，拉应力的峰值位于没有任何水管铺设的地方，如图9(a)所示，主应力达到了0.5MPa，这个数据代表埋设水管注入冷水可以形成十分不错的温控效果。而如图9(b)所示(单位:MPa)，在混凝土浇筑的后期，其结构内部的拉应力峰值1.0MPa时，同样是位于没有任何水管铺设的地方，而在铺设水管的位置拉应力大小只达到了0.8MPa，相较于使用竹胶模板，其大小减小了0.6MPa；而相较于使用塑料保温板，其大小减小了1.2MPa，能够有效减少裂缝的产生。而且如图8(b)所示，因为铺设水管能够发挥很好的温控效果，拆模的日期在计算里被提早到了第十天，而在这一时期的混凝土仍在降温过程中，因此应该合理地将拆模的时间延后以避免由于拆模而造成的混凝土外部应力的突变。

图8 结合2种手段的温度与应力曲线

图9 结合2种手段的主应力σ1等值线(单位：MPa)

总而言之，如果结合水管埋设以及表面保温方法的共同作用，则水闸闸墩混凝土的拉应力在整个浇筑过程中都能被控制在极低的水平，将本文所述的这2种温控措施相结合能够在实际的水闸闸墩施工活动中产生很好的防裂效果。

4 结论

通过研究可以得出，在闸墩的表面使用保温材料虽然可以减小早期的混凝土结构温差，但是会导致温度的突变更加显著。针对这种情况，本文提出结合外部保温材料的使用以及铺设水管这2种方法，不仅可以做到有效控制闸墩结构的温差，而且也可以控制温变的幅度和拉应力的变化，对于类似的闸墩施工提供了一定的借鉴。但是，本文并未对采用冷却管技术时通水温度、降温速度和通水时间如何进行严格控制进行详细研究，在后续的具体施工过程中要特别注意这一点。