洋前坝水库大体积混凝土施工温度控制措施研究

吴 轩

(江西赣禹工程建设有限公司，南昌 330209)

0 引 言

大体积混凝土施工过程中，将出现混凝土温度升高现象，当超过一定范围时会造成混凝土浇筑质量下降，从而影响工程的质量[1-3]。混凝土施工温度控制具有多种方法、措施，针对不同的外界环境条件需采取不同的温度控制措施以保证温度控制效果[4-6]。在外界温度较高的情况下，往往采取冷却管进行降温，影响该措施降温效果的因素包括：冷却管间距、进水温度等[7-8]。

1 工程概况

洋前坝水库地处赣州市定南县岿美山镇溪尾村，坝址位于定南水一级支流老城河上游，坝址以上流域面积25.8km2，水库总库容2170×104m3，是一座以供水为主兼有灌溉的中型水库枢纽工程，枢纽建筑物主要由主坝、1#副坝、2#副坝和供水工程等组成。左、右岸非溢流坝为C15混凝土重力坝，坝长各为49.5m和53m，坝顶高程为411.50m，左、右岸非溢流坝最大坝高分别为45.50m和48m。坝顶宽6.5m，坝体上游面390.00m高程以上竖直，390.00m以下为1∶0.25的斜坡面；坝体下游面406.00m高程以上竖直，406.00m以下为1∶0.75的斜坡面。坝体上游面采用厚1.5m的C25混凝土面板，坝体基础及齿槽采用C20混凝土。

2 综合温控措施

2.1 优化混凝土配合比设计

浇筑混凝土前，需进行混凝土配比试验，选取集配优良，发热低的配比。在保证混凝土质量的同时，尽可能减少水泥用量，减少混凝土施工中的水化热。针对施工温度要求严格的区域，尽可能选取温度较低的11月至次年4月进行，若无法避开高温的6-8月，则可利用夜间时间进行施工。

2.2 拌和楼出机口温度控制

控制混凝土细骨料的含水率在6%以下，且含水率波动幅度≤2%。混凝土骨料可采用预冷的方式进行处理，拌和时可使用冷水，以降低混凝土出机口的温度。其它情况出机口温度应按各月不同的浇筑温度作适当调整。

2.3 采取综合温控措施，降低混凝土入仓温度和浇筑温度采取综合温控措施

2.4 混凝土运输过程温度控制

1)优化混凝土运输方案，加快混凝土的入仓速度，宜一次性到位，以尽最大能力减少混凝土中间倒运次数，减小混凝土温度回升系数。

2)确保运输道的畅通，缩短运输时间。

3)高温季节施工需加强混凝土运输机具的保温工作，混凝土运输车辆顶部搭设活动遮阳蓬，车厢两侧设保温层，以减少混凝土温度回升。

3 混凝土施工温度控制分析

3.1 混凝土结构温度场

混凝土施工浇筑过程中，温度的变化主要原因是水泥的水化热作用。因此，混凝土内部的温度场是随时间变化的动态过程。混凝土施工区域R内，混凝土温度场满足以下关系：

(1)

式中：T为温度；a为导热系数；τ为时间；T0为混凝土初始温度；Tw为进水的温度；θ0为混凝土最终绝热温升；φ、ψ为与水管冷却效果有关的函数。

3.2 温度应力

混凝土大坝内部，初始温度和稳定温度之间存在温差，这将导致混凝土内部存在温度应力，采用下式计算：

(2)

式中：Kp为应力松弛系数；R为基础约束系数；Ec混凝土弹性模量；α为温度线膨胀系数；μ为泊松比；k为浇筑初期温升折减系数；B为水化热温度应力系数；Tf为水化热形成的温升；c为体积形变影响系数；ε0为初始应变。

3.3 数值模拟模型建立及参数选取

3.3.1 模型建立

混凝土坝冷却管空间布置方式如下：2m×2m，2m×1m，1m×1m，不通水降温方案作为对比方案。通过建立数值模拟模型，分析混凝土的温度场和应力场。混凝土浇筑完成后，继续通水10d，进口冷水温度为10℃。冷水管布置方式如图1所示，共铺设5层。

图1 冷水管布置方式

3.3.2 计算参数选取

利用ANSYS软件分析该方法控制混凝土施工温度的效果。各材料参数见表1。

表1 计算参数取值

3.3.3 混凝土徐变假定

数值分析时混凝土徐变按下式计算：

C(t,τ)=(A1+A2/ταl)[1-e-k1(t-τ)]+(B1+B2/τα2)[1-e-k2(t-τ)]+De-k3τ[1-e-k3(t-τ)]

(3)

式中：C为混凝土徐变程度；t-τ为持荷时间；k、A、B、D、α徐变拟合的参数，见表2。

表2 混凝土徐变各参数取值

3.4 数值模拟计算结果分析

3.4.1 温度场变化特征

为了研究温度场、应力场变化情况，在坝体浇筑过程中的第三层的中心点、第三浇筑层的右侧角点分别布置监测点JC1、JC2。通水时间从开始浇筑混凝土至浇筑完成后10d为止。温度场变化特征见图2。

从图2可知，在不通水以及不同水管布置间距的情况下，混凝土内部温度均呈现先增后减的变化趋势。布置冷水管的情况下，混凝土内部温度下降速度更快，最终的温度也更低。但小间距水管布置下，混凝土内部温度较低，与外部环境之间温差较大，可能造成混凝土出现裂缝。表面监测点JC2变化趋势和外部环境基本一致。

图2 监测点JC1温度变化特征

3.4.2 应力场变化特征

应力场分析时间主要为混凝土浇筑完成后继续通水10d。利用监测点，分析坝体内部应力变化情况。

不同冷却方式坝体内部平行水流方向的应力变化情况见图3，从图中可知，在施工完成后的5d内，坝体内部应力不断增大，之后的5-10d应力减小，其主要原因是，随着水管冷却降温，混凝土内部与外部环境温差减小，但上部混凝土浇筑导致压力增大。10-20d压力呈现平稳上升的趋势。采用降温措施后，混凝土材料温度下降有利于缓解混凝土内部应力较大的问题。

不同冷却方式表面监测点监测成果见图4，从图中可知，JC2在施工、施工完成后主要承受拉应力，其主要原因是，坝体内部混凝土与环境温度之间存在温差。采用1m×1m方式布置冷水管时，拉应力最大，主要原因是温差变化大，不利于混凝土徐变，从而导致混凝土表面出现应力集中。JC2拉应力变化曲线见图5，采用1m×1m方式布置冷水管时，最大拉应力超过2.1MPa，可导致混凝土表面出现拉张裂隙。

图3 监测点JC1水流方向的水平方向应力变化特征

图4 监测点JC2水流方向的水平方向应力变化特征

图5 监测点JC2最大拉应力变化特征

4 结 论

1)在大体积混凝土施工过程中需要结合外部环境条件，选取适宜的温度控制措施，避免混凝土内部和外部环境之间温差较大，从而影响混凝土施工质量。

2)采用冷却管方式对混凝土温度控制具有良好的效果，但冷水管布置间距对混凝土温差和温度场影响较大，冷却管间距大温度控制效果差，过于密集则将造成温差大，导致坝体表面拉应力过大出现拉张裂隙，综合考虑建议冷却管采用2m×1m的布置方式。