某船闸底板大体积粉煤灰混凝土原型观测及参数反分析

2015-12-05唐建军

湖南文理学院学报(自然科学版) 2015年1期

唐建军

(湖南省中源航务工程有限责任公司工程部,湖南长沙,410008)

大体积混凝土水泥水化放热在内部积聚,与外部环境易形成温度梯度,在混凝土表面可能产生温度裂缝[1]。为解决这个问题,我国目前通常采用在大体积混凝土中掺合磨细矿渣、磨细粉煤灰等矿物的方法来处理[2]。粉煤灰等矿物掺合物不仅能增强混凝土结构的强度和耐久性,而且可以通过降低水化热来减少温度应力对结构的影响[3]。但是,掺合有矿物的混凝土温度场热力学参数势必会随着掺合量的变化而发生改变,因此,准确确定掺合矿物混凝土的热力学参数引起了专家学者的注意[4–5]。由于室内试验求解混凝土热力学参数的局限性,以及混凝土复合材料实际参数与设计值的差异性,在室内试验采集数据存在很大的困难和不确定性。

实际应用中,在大体积混凝土中埋设相关测量元件,直接获取实际工程结构的工作性状等信息[6],结合反分析手段推算出混凝土的热力学参数,使其数据能更接近于混凝土结构的真实值,最终将获得的数据用于指导后续工程的施工。

本文主要介绍了对某枢纽工程船闸下闸首底板大体积粉煤灰混凝土施工浇筑期的温度变化情况进行的监测,对原型观测值进行了整理和详细分析,并结合反演分析的方法推算出混凝土的热力学参数,为后续工程的施工提供参考。

图1 中底板分层浇筑示意图

1 工程概况

某枢纽船闸等级Ⅲ级,为双线单级船闸,每线船闸的有效尺度为280 m × 34 m × 4.5 m(长×宽×门槛水深),满足1 000 t驳船一顶四船队和2 000 t驳船一顶二船队安全进出船闸的要求。该船闸闸首坐落在岩石地基上,底板厚度为7.5～10.5 m,最大水平尺寸46 m,属于大体积混凝土结构,工程所在地气温变幅较大,水化热温升对结构的温度应力影响较突出,如果不采取有效措施,混凝土底板极易因温度应力过大造成开裂,给工程结构安全留下隐患。

因此,施工方在船闸结构的混凝土中拟针对不同的结构型式和地基条件采取适量掺合粉煤灰等矿物的技术措施处理。为确保该措施的可靠性,在项目全面实施前,施工单位选取该枢纽船闸二线下闸首底板进行了混凝土浇筑温度变化的原型观测[7]。该底板采用分层浇筑的施工方法,浇筑情况详见图1。

2 温度监测设备布置

结合图1中的埋设高程7.4,9.4,10.9,14.0,14.9 m,共布置5层温度计(图2(a)),每层混凝土中布置35支,从上游到下游方向上共布置5排,每排布置7支。各层的温度计编号分别为:T1～T35,T36～T70,T71～T105,T106～T140,T141～T175(图2(b))。2011–7–11 7:30混凝土开始浇注,且在浇注前进行第1次观测。

测温时间从测点混凝土浇筑完成10 h(初凝)后开始,升温阶段每2 h测1次,降温阶段前3 d每8 h测1次,其后,每天测1次,测至温度稳定为止,同时记录大气温度。

图2 立面及平面上的温度计埋设

3 监测结果分析

3.1 同平面不同位置的温度变化情况分析

取高程7.4 m层,2011–7–11埋设的温度计观测值为典型研究对象(图2)。

3.1.1 垂直水流方向断面监测结果及分析

沿垂直水流方向,以中间断面的监测结果为代表进行分析,该断面共布置 7支温度计(T15～T21),其特征值监测结果如表1所示,温度随龄期变化曲线如图3所示。

表1 T15～T21特征值监测结果(2011–7)

图3 混凝土温度计T15～T21温度变化

从表1及图3可以看出:各测点温度随龄期的总体变化趋势是类似的,浇筑的初期随着水化热的产生各温度均逐步上升,当龄期达到 3～5 d时,水化热的温升值达到最大; 之后随着混凝土材料的不断硬化,各测点的温度值逐渐下降。其中,T15和T21由于靠近底板的边侧,受大气温度变化的影响较大,因此温度计的峰值只有35 ℃左右,较底板内部的其他温度低6 ℃左右; 且此处温度计达到峰值的时间较底板内部其他温度计提前2 d左右。由于在底板内部,外界气温对混凝土温度变化的影响不显著,因此,水泥水化热是影响混凝土温度变化的主因。

3.1.2 沿上下游方向断面监测结果及分析

沿上下游方向,以中间断面的监测结果为代表进行分析。该断面布置有T4,T11,T18,T25,T32共5支温度计,其特征值见表2,温度监测过程曲线见图4。

从表2及图4可以看出:各测点温度随龄期的总体变化趋势与垂直水流方向断面监测的结果基本类似,但局部的变化与垂直水流方向存在一些差别。中底板的上下游附近,由于不存在如垂直水流方向左右侧附近有边底板等结构的影响,边界附近较为空旷,空气流通顺畅。因此,T4和T32的温度值随龄期的变化与垂直水流方向边侧的温度值存在差异; T11和T25的位置因为与T18相比距离底板边界较近,所以温度在峰值之后的下降速度较T18快。

图4 T4,T11,T18,T25,T32温度变化

图5 结构中心轴上5点的温度变化

表2 监测特征值(2011–7)

3.2 同竖直位置不同层的温度变化情况分析

取底板结构中心轴上的5点温度计T18,T53,T88,T123,T158为代表进行分析,即以5个平面上的中心点作为研究对象,分析其温度变化情况。根据监测数据,得到温度随龄期变化曲线如图5所示。

从图5可以看出,T158和T123的位置距离大气较近,混凝土温度受大气温度变化的影响较明显; T18的位置在中底板地基附近,混凝土水化热扩散效果较好,因此各龄期的温度值明显较T88和T53低; T88温度计位于浇筑层相对较大的第3层混凝土下方(浇筑厚度为3.1 m),监测数据显示,该仓混凝土的内部温度极值达到了56.1 ℃,且各龄期的温度值都保持在较高的位置,变化幅度较小,明显高于其他温度计的值。

4 反演参数计算的温度场与实测值对比

根据以上中底板现场原型的观测结果,结合乾东岳[8]运用三维有限元传热模型及遗传算法对混凝土热力学参数进行反演分析的方法,对绝热温升参数进行了反分析,求得了最优值; 再用反求的绝热温升规律参数以及其他已知参数,对结构进行三维数值计算,得到相应的温度场。取混凝土最厚浇筑层下方正中心位置处的测点T88作为典型进行分析,计算值与实测值随龄期变化情况如图6所示。

从T88的温度历时过程线图6可知,其实测值与反演参数计算值均比较接近,各个特殊时刻的最大误差≤1.1%,说明反演结果基本可满足工程精度要求,同时,也验证了利用原型观测和反演手段求解混凝土绝热温升规律参数的可行性。