清远二线船闸工程大体积混凝土施工期温控防裂研究

黎锦钊

(广东省源天工程有限公司，广州 511340)

1 工程概况

清远水利枢纽主要工程作用为航运和改善水环境，同时可以在当地发挥发电、反调节等养殖等作用。本次新建的工程主要为清远二线船闸工程，其主体结构混凝土浇筑方量达3.72×104m3，无论是总浇筑量还是平均入仓量都很高。该工程大体积混凝土结构较多且断面形式都比较复杂，施工期温控防裂任务十分艰巨。本工程采用自卸车以及混凝土罐车联合工作的浇筑模式，自卸车和罐车通过场地内公路将混凝土运送至施工仓面，然后使用门吊配合罐将混凝土入仓。混凝土的平均运送距离不超过1 km，运距较短可防止运输过程中混凝土的温度回升现象。本文结合该项目重点介绍混凝土开裂的原理以及清远二线船闸工程大体积混凝土施工期温控防裂对策。温控对策主要包括混凝土材料、施工期温控措施、管理措施等方面，可为类似工程大体积混凝土温控防裂提供有益的借鉴。

2 混凝土裂缝产生的原因

2.1 混凝土自身特性

混凝土是一种典型的复合材料，其微观结构决定了抗拉强度远低于抗压强度的特性[1]。混凝土抗拉强度不超过其抗压强度的1/8～1/12，在拉应力的作用下极易开裂。未配筋的素混凝土在工作过程中通常表现出明显的脆性，因此一般将混凝土材料设计为受压构件，在可能出现的受拉区配置钢筋。

2.2 混凝土水化放热

混凝土浇筑后，温度变化会呈现出3个明显的阶段[2-4]。首先是温度上升期，也就是水化放热期，在自然情况下一般可持续数周。然后是降温期，在该阶段水泥水化几乎完成，不再放热，可不考虑混凝土土放热。最后是稳定期，在该阶段混凝土自身不再放热，仅作为热导体，温度随气温周期变化。混凝土水化放热曲线见图1。从图1中可以看出，混凝土浇筑后的3个阶段，施工期温控目标一般为降低最高温度并控制降温过程。混凝土因水泥、粉煤灰等材质水化放热的温升值可用朱伯芳院士推荐的式(1)估算[5]，在大体积混凝土施工前应进行混凝土热工计算，以制定合理有效的温控手段，并编制大体积混凝土施工温控专项方案。

图1 混凝土水化热温升曲线

(1)

式中：W为水泥用量；c为比热；ρ为密度；Q(τ)为水泥水化热，一般可根据水泥品种估算；k为折减系数；F为除水泥外的胶凝材料用量。

2.3 混凝土温度应力

如2.2节所述，混凝土浇筑后，其胶凝材料组分会放出大量的热，同时混凝土是热的不良导体，导温系数一般不超过0.10 m2/d。大体积混凝土因胶凝材料放热且由于自身导温能力较差，内部温度较高，而外表面暴露在空气中，温度较低。因此，混凝土内外之间会产生较大的温度梯度，并且混凝土受到来自基础以及自身的约束作用，温度较高的位置受热膨胀承受拉应力，温度较低位置收缩承受压应力[6]。当受拉区的拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土便会出现温度裂缝。混凝土因温度荷载而开裂示意图见图2，从图2中可以看出，温升阶段混凝土在边缘处最容易开裂。

图2 混凝土温升阶段温度裂缝发展示意图

3 船闸大体积混凝土温控计算

对船闸大体积混凝土结构进行有限元温控仿真分析，可以为温控防裂措施的制定提供准确的温度场结果。

3.1 温度场计算理论

在混凝土结构施工过程中，混凝土温度会随时间发生变化。这个问题可以描述为具有热源的热传导问题。根据热传导理论，推导出相应的平衡方程。该不平稳温度场T(x,y,z,t)应满足区域R内的以下方程[7]：

(2)

式中：Q为热源；a为混凝土的导温系数，m2/d；ρ为混凝土密度，kg/m3；τ为时间，h。

3.2 有限元模型

本工程船闸底板和墩墙混凝土均为整体一次性浇筑。有限元模型坐标系选取如下：将顺河向作为X轴正方向，Y轴为左右岸方向，以竖直向上为Z方向。用八节点六面体单元对模型进行空间离散，共剖分节点42 870个，单元36 962个，其中底板9 504个单元，墩墙共10 320个单元。有限元模型见图3。

图3 船闸有限元模型图

3.3 边界条件

混凝土上表面及四周、地基出露上表面与空气接触，为散热边界。地基四周和地面为绝热边界，热流量为零。仿真分析时，气温边界条件可使用如下余弦函数模拟：

(3)

式中：Tam为年均气温；Aa为气温变幅；t0为初始时刻；ti为气温最高的时刻。

3.4 计算结果

浇筑温度按照当地气温进行预估，分析时不考虑温控防裂措施，按照自然散热进行考虑。选取船闸大体积混凝土内部和外部的特征节点进行研究，内部和外部特征点温度过程线见图4，混凝土温度场云图见图5。从温控仿真结果可以看出，混凝凝土内部温度较高，外部温度较低，内外温差超出规范要求。如果不另外制定温控防裂措施，仅靠天然散热作用，船闸大体积混凝土在施工期的开裂风险极大。

图4 混凝土特征点温度过程线图

图5 船闸底板和墩墙施工期温度云图

4 船闸大体积混凝土防裂对策

4.1 混凝土材料设计

4.1.1 配合比设计

在进行混凝土配合比设计时，应进行热工计算，可根据式(1)进行计算。混凝土配比设计流程见图6。根据强度初步拟定混凝土配合比，进行热工计算，并根据规范对结果进行验算。在满足强度的要求下，对混凝土配合比进行调整，直到满足规范要求。清远二线船闸主体结构C30大体积混凝土配合比最终确定见表1。

图6 混凝土配合比设计流程图

表1 主体结构C30混凝土配比 /kg·(m3)-1

4.1.2 水泥种类

水泥是混凝土硬化过程中放热的主要原因。本次清远二线船闸主体结构混凝土均采用低热水泥进行拌和，可以减少混凝土的放热量，从而减小混凝土的内部最高温度以及温度分布梯度，降低混凝土开裂的风险。

4.2 温控措施

4.2.1 骨 料

对料场设置专门的防晒装置，清远二线船闸工程的调节料仓上部设置防晒棚，并对骨料定期进行洒水。夏季高温季节气温较高，通过自然的冷却方式不能使骨料充分降温时，采取风冷措施对骨料进行整体降温。

4.2.2 浇筑温度

本工程采用自卸车以及混凝土罐车联合工作的浇筑模式，自卸车和罐车通过场地内公路将混凝土运送至施工仓面，然后使用门吊配合罐将混凝土入仓。混凝土的平均运送距离不超过1 km，运距较短可防止运输过程中混凝土的温度回升现象。

4.2.3 通水冷却

施工期通水冷却是控制混凝土温度最为有效的方式。在混凝土浇筑前预埋冷却水管，通过施工期的通水，可有力地控制混凝土的内部温度。为获得较好的温控效果，冷却水管采用钢管，间距应控制在1.5 m左右，本工程冷却水管布置图见图7。在施工期温控时，冷却水管进出水口温差应控制在6℃～12℃。

图7 船闸底板冷却水管布置图

4.3 施工管理措施

各单位应充分重视大体积混凝土施工前的准备工作，在设计阶段就应完成混凝土配比的优化工作。施工单位应做好施工期的各项工序，如冷却水管的布置和调试。如果施工期可能有温度骤降的天气，应提前准备表面保温材料。同时对施工作业人员进行培训，提高施工人员施工素质，减少因施工技术原因而产生的混凝土裂缝。如条件允许，应进行施工期的混凝土温度自动化监测，以减轻施工人员负担，提高温控效率。

5 结 论

本文对导致混凝土开裂的原因进行了综述，对清远二线船闸工程大体积混凝土温度场进行了温控仿真分析。从结果可知，如果仅依靠自然散热，混凝土开裂风险极大。为避免开裂，本文提出了施工期大体积混凝土温控防裂的对策，主要包括混凝土材料、施工期温控措施、管理措施等方面。通过对已完工的混凝土结构进行全面检查，清远二线船闸主体结构混凝土均未发现有害的温度裂缝。结果表明，清远二线船闸工程所采取的温控防裂对策是有效的，既保证了工期，又提高了施工质量，可为同类工程大体积混凝土结构施工期温控防裂提供有益的借鉴。