赖华玲,王银钢,

(1.天台县农业综合开发办公室,浙江 天台 317200;2.天台县里石门水库管理局,浙江 天台 317200)

1 问题的提出

混凝土是由水泥、骨料等多种基材组成的多相复合材料。随着水化反应向外释放出热量,内部温度不断升高,混凝土表面与内部存在温差;后期随着温度降低至基础温度,混凝土产生基础温差[1-2]。在水工混凝土中,温差导致的变形是混凝土开裂的主要原因之一。混凝土浇筑后,由于水泥水化放热和混凝土表面散热,混凝土温度在时间和空间上都不断变化,产生温度变形和温度应力,有时温度应力在数值上可能超过其他外荷载引起的应力,导致混凝土拉裂[1-3]。

随着高性能泵送混凝土、厚浇筑层、短间歇等快速施工技术的推广应用,混凝土施工期开裂现象越来越普遍,为混凝土温控防裂研究带来困难。为此,在了解混凝土温度变形机理的基础上建立相应计算模型,进行混凝土裂缝成因和快速施工防裂措施研究,对提高混凝土抗裂安全度十分必要。

2 仿真计算原理

混凝土内任意一点的不稳定温度场T(x,y,z,t)均满足热传导连续方程[1]:

式中:T为温度,℃;a为导温系数,m2/h;θ为混凝土绝热温升,℃;t为时间,d;τ为龄期,d。

对混凝土内部冷却水管而言,基于傅立叶热传导定律和热量平衡条件,可得水管沿程水温的增量[1、3]:

式中:λ为水管导热系数,W/(m· ℃);c、ρ、q分别为冷却水的比热,kJ/(kg·℃)、密度,kg/m3和流量,m2/d;s为管壁面积,m2。

根据公式 (2),若已知冷却过程中水管入口温度,冷却水管沿水流方向可逐段推求沿程管内水体的温度。水管的沿程水温与温度梯度有关,因此带冷却水管的混凝土温度场是一个边界非线性问题,求解温度场需通过迭代法逐步实现。

在温度和结构应力荷载作用下,坝体混凝土的应变增量包括温度应变增量、弹性应变增量以及自生体积应变增量等,即:

3 混凝土材料参数

某枢纽工程大坝为混凝土重力坝,坝高46.2 m,混凝土约12万m3。由于总进度的紧迫性,为缩短施工间隔时间,通过增加浇筑层厚度,减少混凝土浇筑次数,则可相对延长钢筋安装、模板支撑、混凝土浇筑和拆模的周期,从而保证工期。增加浇筑块体厚度后,混凝土基础温差和内外温差将增大,不利于混凝土温度裂缝控制,为此结合地区的气象特点对不同浇筑层厚度混凝土温控防裂措施进行分析和探讨。

按坝体构造部位,混凝土等级可分为:迎水面和底板为C9020混凝土,溢流面为C9025混凝土,大坝中间填充体为C9015混凝土。不同部位混凝土的配合比见表1。

表1 混凝土施工配合比表

根据有关室内试验资料,混凝土热学性能取值见表2。

表2 混凝土热学性能表

4 温控防裂措施研究

为加快施工进度,控制浇筑层厚度为3.0 m,层间间歇期为7,10,15 d进行计算分析;对冷却水管布置形式分别为3.0 m×2.0 m和1.5 m×2.0 m进行对比分析。冷却水管采用塑料水管,内径 28 mm,壁厚2 mm,通水流量 20 L/min。初期冷却水温取10～13℃,混凝土收仓即开始通水,冷却时间为15～20 d。不同层间间歇和水管布置形式时混凝土内部温度见表3。

表3 不同层间间歇和水管布置形式混凝土内部最高温度表

在自然冷却状态下,层间间歇7 d时混凝土内部最高温度38.1℃,间歇10 d时内部最高温度37.6℃,间歇15 d时内部最高温度37.2℃,超过设计允许的最高温度,必须进行通水冷却。当采用3.0 m×2.0 m的水管布置形式进行冷却时,混凝土内部最高温度较无水管冷却时降低3～4℃;当采用1.5 m×2.0 m的水管布置形式时,混凝土内部最高温度较无水管冷却时降低约5～6℃。根据计算,采用1.5 m×2.0 m的水管布置形式后,大坝坝体最高温度在设计允许最高温度范围内,基本能够满足设计要求。

混凝土内部埋设和不埋设水管进行冷却时,不同层间间歇期混凝土内部温度历时见图1、2。无内部水管冷却时混凝土内部温度主要有2个峰值,一个峰值出现在上层混凝土浇筑前,另一个峰值出现在上层混凝土浇筑后。由此可见,无内部冷却水管时,表面散热是混凝土的主要散热方式。层间间歇越短,混凝土内部温度越高,基础温差和内外温差越大,混凝土开裂风险越大。在混凝土内部埋设水管进行冷却后,内部温度峰值出现在上层混凝土浇筑前,此次内部水管冷却成为混凝土的主要散热方式,层间间歇期长短对混凝土最高温度影响较小。

图1 无水管冷却时不同层间间歇混凝土温度历时曲线图

因此,从温度控制上采用厚浇筑层,短间歇的快速施工方法完全可行。增加浇筑层厚度,缩短层间间歇时间减少了混凝土与周围环境的热交换能力,导致混凝土内部温度升高,基础温差增大。在混凝土内部埋设水管冷却后,混凝土内部温升明显降低,且随着水管层距和间距的缩小,混凝土通过水管散发的热量增多,内部温升幅度减小,温降收缩变形量也随之减小。通过在混凝土内部埋设冷却水管可有效削减混凝土的早期内外温差、温升幅度,有效地弥补了层间间歇期缩短后混凝土内部热量无法及时散发所带来的缺陷。因此,为加快施工进度,在厚浇筑层和短间歇情况下,为控制混凝土的温升幅度,降低基础温差和内外温差最有效的方法是采用内部埋设冷却水管。随着混凝土内部冷却水管仿真计算的成熟,内部水管冷却技术在越来越多的工程中得到应用[4-5]。

5 结 语

混凝土防裂是一个综合性问题,选择混凝土施工方法与过程、合适浇筑时间和施工缝以及优化材料配合比在一定程度上可降低混凝土的温度变形,但不能从根本上解决混凝土施工期开裂问题,还需依靠混凝土表面保温和内部水管导热降温等措施。无论是高温季节还是低温季节,混凝土施工应以优化混凝土配合比、控制浇筑温度、表面保温措施、内部降温措施、合理施工过程和适当分缝分块等综合措施来防止施工期混凝土裂缝的出现,达到温控防裂的目的。

[1]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,1998.

[2]龚召熊,张锡祥,肖汉江,等.水工混凝土的温控与防裂[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[3]朱岳明,徐之青,贺金仁,等.混凝土水管冷却温度场的计算方法 [J].长江科学院院报,2003(2):19-22.

[4]朱岳明,贺金仁,石青春.龙滩大坝仓面长间歇和寒潮冷击的温控防裂分析[J].水力发电,2003(5):6-9.

[5]吉顺文,朱岳明,许朴,等.龙口混凝土重力坝齿槽及长间歇期仓面防裂研究 [J].三峡大学学报,2008(2):12-15.