温控措施计算在某大坝碾压混凝土施工中的应用
2018-02-22郑文武
郑文武
（中国水利水电第八工程局有限公司 湖南省长沙市 410000）
1 工程概况
某电站位于深圳市东北部，装机容量4×300MW。上水库枢纽包括：1座主坝、5座副坝、库周防渗处理和环库公路等，其中主坝和4＃副坝为碾压混凝土重力坝，碾压混凝土工程量为25.4万m3。
2 温控标准
主坝与4#副坝大体积混凝土需进行温度控制，以确保混凝土施工质量。碾压混凝土温度控制为强约束区34℃，弱约束区36℃，非约束区38℃。
3 温控计算
3.1 混凝土配合比
针对大体积混凝土需采取温控措施，故此处取坝体C10三级配碾压混凝土为计算对象。C10三级配碾压混凝土配合比为：水92kg/m3，水泥74kg/m3，煤灰 110kg/m3，砂 727kg/m3，大石 427kg/m3，中石 569kg/m3，小石427kg/m3。
3.2 原材料初始温度取值
在考虑对砂石料仓采取遮阳措施后，碾压混凝土原材料初始温度取值如表1所示。
表1 混凝土原材料初始温度取值表单位：℃
3.3 混凝土绝热温升计算
混凝土的最终绝热温升按下式计算：
式中：θ0——混凝土最终绝热温升，℃；
Q0——胶凝材料最终水化热，水泥及粉煤灰分别取值300kJ/kg、150kJ/kg；
W——胶凝材料用量，水泥及粉煤灰分别取值64kg、125kg；
C——混凝土比热，此处取1kJ/（kg·℃）；
ρ——混凝土容重，根据配合比取2413kg/m3。
经计算，θ0=15.6℃。
3.4 混凝土出机口温度计算
混凝土出机口温度主要取决于拌和前各种原材料的温度。根据热平衡原理，按下式计算：
式中：T0——混凝土出机口温度，℃；
Wi——每m3混凝土中各种原材料的重量，kg/m3；
Ci——混凝土各种原材料的比热，kcal/kg·℃；
Ti——混凝土各种原材料的温度，℃：
q——每立方米混凝土拌和时的机械热，kcal；此处取600。分别将各参数代入式（2）式进行计算，其成果见表2。
3.5 混凝土入仓温度计算
混凝土入仓温度计算公式如下：
式中：TB·p——混凝土入仓温度，℃；
T0——混凝土出机口温度，℃；
Ta——气温，℃；
θi（i=1，2，3，…，n）——温度回升系数，混凝土装、卸和转运每次θ=0.032，混凝土运输时，θ=At；（注：此处 θ1取 0.032、θ2取 0.032、θ3=0.0015×20=0.03）
A为混凝土运输过程中的温度回升系数，与运输工具和单车运输混凝土量有关；此处取0.0015℃/（min·℃）；
t为运输时间，min；此处取 20。
分别将各参数代入式（3）式进行计算，其成果见表2。
3.6 混凝土浇筑温度计算
温凝土浇筑温度则是由混凝土的出机口温度和混凝土在运输、浇筑过程中的所进行的热交换两部分决定的。
式中：Tp——混凝土浇筑温度，℃；
Ta——气温，℃；
θp——混凝土浇筑过程中温度倒灌系数，一般可根据现场实测资料确定，也可用单向差分法进行计算，缺乏资料时可取=0.002～0.003℃/（min·℃）；
t——铺料平仓振捣至上层混凝土覆盖前的时间，min。分别将各参数代入式（4）式进行计算，其成果见表2。
3.7 混凝土内部初期最高温度计算
通常浇筑块的最高温度不仅与浇筑温度有关，与不同配合比的混凝土的热学性能、浇筑块升程高度、散热面及间隙时间，养护方式、气温等都息息相关。考虑到浇筑块平面尺寸大大超过浇筑层厚度，计算混凝土早期最高温度可忽略浇筑块侧面散热的影响。本工程按《混凝土重力坝设计规范》中有关要求进行计算，其中自然散热时采用单向差分法计算，有初期通水冷却时，将差分法计算与一期通水冷却计算相结合进行。即采用差分法计算一期通水冷却及层面散热，混凝土温度按以下公式计算：
式中：
Δφ=φ（τ+Δτ）-φ（τ）
Δψ=ψ（τ+Δτ）-φ（τ）（1）无初期通水时，混凝土内部初期温度计算式为：
3.8 计算结果
根据以上计算公式，结合投标阶段坝址处水文气象资料、碾压混凝土配合比及坝址附近类似工程经验，可估算本标段碾压混凝土在不同条件下各月内部最高温度，计算结果如表2所示。
表2 3m浇筑层厚碾压混凝土不同温控措施内部最高温度计算成果表单位℃
计算结果表面，河床坝段基础强约束区除12月～次年3月低温季节能满足设计温控标准外，其他月份均需采用必要的温控措施以满足设计温控要求；基础弱约束区除11月～次年3月低温季节能满足设计温控标准外，其他月份均需采用必要的温控措施以满足设计温控要求；非基础约束区除6月～9月高温季节温度需采用必要的温控措施外，其他月份均可采用自然浇筑。
根据碾压混凝土温度控制计算结果，6月～9月浇筑强约束区混凝土时，需采取加冷水拌和等预冷措施，最不利组合甚至还需进行初期通水冷却、表面流水养护等措施，才能将强约束区混凝土内部温度控制在设计容许范围内。
根据上述计算结果结合本工程施工进度安排，主坝及4#副坝在浇筑月份相应的均可在的温控措施表如表3所示。
4 混凝土温度控制主要措施
根据上述计算公式可见，混凝土的内部温度与原材料的初始温度及热学性能、胶凝材料的用量、外界环境温度、转运次数及运输时间、浇筑层厚度、层间间隔时间及养护方式等诸多因素有关。为保证混凝土施工质量，满足混凝土温度控制的设计要求，本工程将采取以下措施：
（1）为利用料层本身的隔热性能，使料堆内部的骨料温度趋于稳定，减少太阳暴晒、昼夜气温变化的影响，可在砂石料仓上搭设遮阳棚，并在晚间或早晨等气温较低时进行砂石料的运输储备，以降低骨料初温。另外，拌和用水尽量从深处抽取，以充分利用自然低温水。
（2）混凝土浇筑前，可对配合比进行优化设计，适当减少胶凝材料用量，以降低混凝土内部水化热温升。同时，对强约束区的混凝土掺入氧化镁，以提高混凝土的抗裂性能。
（3）合理安排混凝土浇筑时段，将温度要求严的约束区部位安排在低温季节施工，以充分利用外界的低温环境。
（4）高温季节施工，加强混凝土运输及仓面的浇筑管理，并采用斜层法施工，减小单个层面的浇筑面积，加快层间覆盖速度，以缩短层间间隔时间。同时，采取仓面喷雾措施，以形成局部小气候，降低仓面浇筑温度。另外，还可采用初期通水降温及表面流水养护等综合散热措施，以削减混凝土内部水化热温升，降低内部温度。
（5）主坝底部垫层常态混凝土为1.5m厚，4#副坝底部垫层常态混凝土为1.0m厚，均可采用薄层施工。必要时，对基础强约束区及高温季节施工的大体积混凝土的一次浇筑层厚由3m调整为1.5m，亦可进行薄层施工。
（6）施工过程中，加强天气预报工作，并采购一批混凝土保温被备用，防止因气温骤降而引起表面裂缝的产生。
（7）加强温度监测，对混凝土的内部温度实时监控，并根据监测成果，对上述温控措施适时组合，以满足温控要求。
表3 主坝及4#副坝碾压混凝土各月温控措施表
