程中凯,李金河,黄耀英,周宜红,田开平,武先伟

(1.三峡大学水利与环境学院,湖北 宜昌 443002;2.中国长江三峡集团公司溪洛渡工程建设部,云南 永善 657300)

0 引 言

实际工程资料表明,大体积混凝土中的裂缝绝大多数是由气温变化引起的表面裂缝,且有一部分将可能发展为贯穿性或深层裂缝,危害到结构的整体性和耐久性.因此,在大体积混凝土的施工过程中,必须设法防止表面裂缝的产生.通过理论分析与试验证明混凝土表面保温是防止表面裂缝非常有效的措施[1-4].

目前大体积混凝土施工中主要采用聚苯乙烯泡沫塑料板 (以下简称 "苯板")作为表面保温材料,且苯板的保温能力主要通过粘贴苯板后混凝土表面放热系数的大小来体现.然而影响表面放热系数的因素有很多,主要包括苯板厚度、风速、密度、比热容、运动粘滞系数、导热系数、混凝土表面尺寸和粗糙度等[4-5].表面放热系数是受多变量作用的复杂函数,对其进行精确的数学描述十分困难.朱伯芳[4]提出了基于材料热阻的表面放热系数估算方法和更能反映实际情况的基于实测值反演混凝土表面放热系数的方法.

在混凝土表面粘贴苯板的保温效果研究文献中,表面放热系数反演大多是基于室内或现场的混凝土试块在不同深度埋设点温度计的测值进行的,而基于现场典型浇筑仓或部位的监测值进行苯板保温效果反馈的文献较少.朱岳明等[6]基于工程现场的混凝土立方体试块内不同深度埋设的点温度计测值对试块表面粘贴不同厚度苯板的保温效果进行了反馈.由于受试验条件等因素的限制,此法很难模拟真实工况,确定的热学参数也难以体现混凝土的真实性能,甚至会有较大差异.

在现场典型混凝土浇筑仓埋设点温度计进行现场试验监测时,由于实际混凝土施工质量的随机性,采用点温度计的监测值反演的热学系数会存在一定的随机性.埋设具有快速、高精度、自动化程度高且可以连续线温度监测的分布式光纤进行监测,并用其监测值反演得到混凝土热学参数将会更有代表性[7-9].本文结合西南某在建混凝土拱坝,在其典型混凝土浇筑仓表面附近不同深度埋设分布式光纤,利用其测值对此混凝土浇筑块的表面放热系数进行反演分析,为苯板保温效果评价提供参考依据.

1 表面放热系数反分析[4]

1.1 基于材料热阻的表面放热系数估计

当混凝土表面附有模板或保温层时,进行表面放热系数等效来考虑其对温度的影响后,仍可按第三类边界条件计算.等效表面放热系数βs为

式中,β为模板或保温层在空气中的表面放热系数;hi为第i层保温层厚度;λi为第i层保温层导热系数.

1.2 基于实测温度的表面放热系数反分析

考虑半无限体表面,埋设3支电阻温度计a、b、c,在某一瞬时实测温度分别为Ta、Tb、Tc,当时混凝土表面温度为Ts,如图1所示.外界气温为Ta0.把坐标原点放在温度计a点上,设x点温度标示为T=T(x),则表面温度为Ts=T(-a),使用二次插值法推算表面放热系数β.

设表面附近温度表示如下:

图1 混凝土表面附近温度分布

在混凝土表面x=-a时

式中,Ta0为为外界环境气温;Ts为混凝土表面温度;λ为混凝土导热系数.

通过式(5)不仅可以反演得到表面裸露状态下的表面放热系数,而且可以求出反映表面保温材料保温效果的等效表面放热系数.

2 工程实例

西南某在建水电站大坝为特高双曲拱坝,最大坝高285.5 m,大坝分为31个浇筑坝段,为达到温控防裂的目的,在混凝土浇筑仓埋设常规温度计,且在4个典型坝段埋设分布式光纤进行温度监测.此拱坝混凝土温度控制施工技术要求:上下游面混凝土在拆模后5 d内分别粘贴厚5、3 cm聚苯乙烯泡沫塑料板作为永久保温.利用室内试验测定的材料热阻,按式(1)估算得到混凝土表面等效表面放热系数如表1所示.

2.1 试验方案

选取5号坝段第25仓 (5号-025)作为典型浇筑仓,该仓混凝土标号为C18035,层厚3 m,共分6个坯层浇筑,混凝土的配合比见表2,浇筑过程典型时刻见表3.在距仓底面0.4 m和1.9 m处各布置一层水管,水管间距1.5 mX1.5 m.在上下游表面附近埋设不同距离的分布式光纤实时在线监测上下游表面保温效果,试验光纤分别埋设于该仓第3坯层下游面和第6坯层上游面附近,与表面距离分别为10、20、40、80 cm,光纤埋设布置示意如图2.分布式光纤测温系统 (DTS系统)自动采集数据周期为2 h,且由于单点监测时具有一定随机性,因此在每个距离的光纤上取多个典型测点温度,采用其等效平均温度.

表1 粘贴苯板后混凝土表面等效表面放热系数kJ/(m.h.℃)

图2 光纤埋设示意(单位:cm)

表2 混凝土材料配合比

表3 试验仓5号-025典型时刻

2.2 表面放热系数反演分析

大坝混凝土导热系数采用设计值λ=184.9 kJ/(m.d.℃),分别采用温度监测值的日变化值和日平均值,试验浇筑仓分成表面粘贴苯板前后,选取典型时段利用式(5)进行混凝土表面放热系数的反演分析.反演分析工况、选取的典型时段及其反演使用的测值对应的测点位置见表4,典型时段2012年8月8日~2012年8月18日的外界气温及上下游面附近光纤测值如图3,上下游面表面放热系数反演结果如图4,反演得到的表面放热系数均值见表5.

表4 反演分析工况及其典型时段和测点埋设位置

图3 2012年8月外界气温及上下游面附近温度光纤测值

根据图4和表5分析可知:

(1)采用日变化温度反演得到的表面放热系数在一天内的变化规律同气温变化规律呈相关性,在一天内变幅较大,稳定性较差,而采用日变化温度反演得到的表面放热系数稳定性要优于前者,反演值应更合理.

(2)由于典型时段2012年2月14日~2012年2月23日正处于混凝土中期一次控温阶段,混凝土温度受到水化热影响较大,而典型时段2012年8月8日~2012年8月18日处于混凝土中期二次控温和二期降温阶段,此时混凝土水化热基本完成,所以时段2012年8月8日~2012年8月18日反演得到的表面放热系数更加合理.混凝土粘贴苯板后,上下游面表面放热系数的反演均值分别为3.482 4、8.5847 kJ/(m2.h.℃),均大于由材料热阻估算的等效表面放热系数值.

图4 2012年8月上下游面表面放热系数反演值

表5 不同工况各典型时段上下游面表面放热系数反演均值

(3)从反馈结果来看,由混凝土温度日变化值或日平均值反演得到的表面放热系数同外界环境温度变化规律呈相关性.当外界气温低于混凝土温度时,表面放热系数规律与气温变化规律相同;当外界气温高于混凝土温度时,表面放热系数规律与气温变化规律相反.这是因为利用式(5)反演表面放热系数时,对比各测点温度的光纤实测值与外界环境温度可知,各测点处温度变幅相对于外界气温变幅很小,而且粘贴苯板后混凝土内部温度梯度基本稳定.表面放热系数反演值的变化主要由外界环境温度的变化引起,外界气温同混凝土内部温度 (混凝土表面温度Ts正好位于两温度之间)的大小关系则正好对应了表面放热系数的反演值与外界环境温度正负两种不同的相关性.

3 结 语

(1)采用日平均温度反演得到的表面放热系数比采用日变化温度反演得到的表面放热系数更合理.混凝土粘贴苯板后,上下游面表面放热系数的反演均值分别为3.482 4、8.584 7 kJ/(m2.h.℃),均大于由材料热阻估算的等效表面放热系数值.

(2)由于苯板保温效果好,当外界气温低于混凝土温度时,表面放热系数规律与气温变化规律相同;当外界气温高于混凝土温度时,表面放热系数规律与气温变化规律相反.而且采用各测点温度及外界气温的日均值反演得到的表面放热系数的规律,仍然存在与气温日均值变化规律的相关性,但由于气温日均值变化的幅度减小,反演得到的表面放热系数也相对稳定.

(3)在混凝土坝面粘贴苯板后,上游面 (5 cm苯板)的表面放热系数小于下游面 (3 cm苯板)的表面放热系数,说明5 cm苯板保温效果优于3 cm苯板.可见反演得出的表面放热系数能真实反映保温材料性能,满足仿真分析计算和实际工程需要,可为评价苯板的保温效果提供参考依据.

[1] 朱伯芳,许平.加强混凝土坝面保护尽快结束 "无坝不裂"的历史[J].水力发电,2004,30(3):25-28.

[2] 朱伯芳.大体积混凝土表面保温能力计算[J].水利学报,1987(2):18-26.

[3] 田振华,郑东健,姚远,等.大体积混凝土寒潮期温度应力及表面保温分析[J].水电能源科学,2011,29(5):93-95.

[4] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999.

[5] 马跃峰.基于水化度的混凝土温度与应力研究[D].南京:河海大学,2006.

[6] 许朴,朱岳明,贲能慧.聚苯乙烯泡沫塑料板保温能力的试验与反演分析[J].三峡大学学报,2008,30(1):56-59.

[7] 蔡德所.光纤传感技术在大坝工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[8] 周宜红,周建兵,黄耀英,等.基于分布式光纤的混凝土低温入仓监测试验及分析[J].水力发电,2012,38(2):25-27.

[9] 江凯,周建兵,黄耀英,等.基于光纤测温的大体积混凝土导温系数反演分析[J].中国农村水利水电,2012(3):91-93.