高喜才

(河南省水利第一工程局，河南 鄭州 450000)

在各種水工混凝土結(jié)構(gòu)中，一種比較典型的結(jié)構(gòu)就是水閘，在其混凝土結(jié)構(gòu)中也經(jīng)常會(huì)存在裂縫，而且裂縫問(wèn)題在泵送混凝土技術(shù)出現(xiàn)并逐漸得到普遍應(yīng)用以后變得更加明顯。裂縫開(kāi)裂的具體機(jī)理會(huì)因?yàn)榛炷辆唧w構(gòu)造以及施工時(shí)期的差異而變化，因此對(duì)于工程建筑防裂措施的開(kāi)展實(shí)施要有目的性。在各種水工混凝土建筑施工項(xiàng)目中，有2種比較常見(jiàn)的溫控防裂措施。首先對(duì)于水管冷卻溫控防裂措施，相關(guān)的模擬仿真技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)成熟，它通常適用于超大型的水工混凝土建筑施工活動(dòng)。而在表面保溫方面，已經(jīng)有很多研究人員對(duì)這種溫控防裂方法的作用效果以及保溫材料的選擇等開(kāi)展了探究。對(duì)于水閘閘墩來(lái)說(shuō)，它在很多方面都和普通的混凝土壩存在差異，包括建筑構(gòu)造、具體施工的操作手段和裂縫開(kāi)裂機(jī)理，而且在這類混凝土水工建筑的溫控防裂的研究并不深入。

1 計(jì)算理論和方法

在整個(gè)計(jì)算領(lǐng)域R內(nèi)，不穩(wěn)定溫度場(chǎng)T(x，y，z，t)必須符合：

(1)

式中，T—溫度，℃；a—導(dǎo)溫系數(shù)，m2/h；t，τ—時(shí)間和齡期，d；θ—絕熱溫升，℃。

以熱傳導(dǎo)定律以及熱量平衡條件為計(jì)算基礎(chǔ)，能夠得出：

(2)

式中，λ—混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)；cw—流量，m3/s;ρw—比熱，kJ/(kg·℃);qw—密度，kg/m3。

因?yàn)橐呀?jīng)知道了冷卻水的入口溫度數(shù)據(jù)，所以能夠基于式(2)通過(guò)推導(dǎo)得出水體的溫度。另外，由于水管水溫的測(cè)算會(huì)受到Tn即溫度梯度的影響，所以這種情況下混凝土溫度場(chǎng)的計(jì)算應(yīng)該基于迭代法進(jìn)行求解，因?yàn)樗鼘儆谶吔绶蔷€性問(wèn)題。另外，對(duì)于彈性混凝土的應(yīng)力增量有：

(3)

2 閘墩混凝土開(kāi)裂機(jī)理

將某泵送混凝土退水閘工程作為具體的研究對(duì)象，該水閘的閘墩高度接近9m，厚度為1.3m，高度則將近19m。該退水閘工程的施工時(shí)間是在冬季，在實(shí)際的混凝土澆筑施工過(guò)程中，最低的工作環(huán)境溫度為-11℃。

不存在冷卻水管情況下的計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 無(wú)冷卻水管時(shí)計(jì)算網(wǎng)格

具體的幾項(xiàng)重要的混凝土力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。表中的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)是通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)得到的，即對(duì)施工過(guò)程中的各種狀態(tài)環(huán)境開(kāi)展數(shù)值模擬。

表1 混凝土主要熱學(xué)參數(shù)

在只使用竹膠模板狀態(tài)下的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖2—3所示。

由圖2中(a)與(b)圖的走勢(shì)情況能夠發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部溫度峰值的產(chǎn)生時(shí)間位于澆筑施工的初期，另外內(nèi)外部承受壓應(yīng)力等的數(shù)據(jù)峰值大部分都是與混凝土內(nèi)部溫度的極值同步達(dá)成。在后期，其溫度逐步減小，水閘閘墩的結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力也會(huì)因?yàn)闇囟茸兓艿接绊?，外部所承受的主要力量為壓?yīng)力，而內(nèi)部則為拉應(yīng)力。

圖2 溫度及應(yīng)力變化曲線

在混凝土內(nèi)部溫度因?yàn)闈仓顒?dòng)而升高的階段，因?yàn)榛炷恋耐獠繜崃繒?huì)散失的更快，所以混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外部會(huì)因此形成結(jié)構(gòu)溫差。而且混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外部的溫差值會(huì)在其內(nèi)部的溫度上升為峰值的同時(shí)處于極值狀態(tài)。盡管由于過(guò)大的結(jié)構(gòu)溫差，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變形，但是因?yàn)橄啾扔诨炷恋慕Y(jié)構(gòu)外部，其內(nèi)部的混凝土因?yàn)闇囟冗^(guò)高而膨脹得更為迅速，從而會(huì)產(chǎn)生混凝土內(nèi)外部結(jié)構(gòu)變形。這一系列反應(yīng)很容易形成首先從水閘閘墩混凝土外部開(kāi)裂的地裂縫，這也正是部分水工混凝土的裂縫在拆模之前就產(chǎn)生的原因。

當(dāng)混凝土澆筑來(lái)到后期時(shí)，混凝土整體結(jié)構(gòu)的溫度都會(huì)降低。但是總的來(lái)說(shuō)混凝土結(jié)構(gòu)外部溫度降低的數(shù)值一定會(huì)較大程度小于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這時(shí)就會(huì)造成其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的冷縮幅度大。另外，相較于澆筑初期，底板對(duì)于閘墩產(chǎn)生的約束力在后期的力度是更大的，所以在冷縮變形以及底板更強(qiáng)約束力的共同作用之下，閘墩的拉應(yīng)力會(huì)在接近地板的位置達(dá)到峰值，如圖3(b)所示。因此在這種情況下也最易形成從閘墩內(nèi)部開(kāi)裂的裂縫。

圖3 主應(yīng)力σ1等值線(單位：MPa)

3 防裂機(jī)理與防裂效果

3.1 單純表面保溫

單純的表面保溫的溫控措施的作用原理是基于對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)外部的散熱速度的降低，從而能夠減小其結(jié)構(gòu)內(nèi)外部的溫差。在閘墩混凝土的外部使用竹膠模板能夠起到一定的保溫效果，相比較來(lái)說(shuō)所產(chǎn)生的保溫效果更好的是塑料板。為了表現(xiàn)出混凝土的結(jié)構(gòu)溫度所受到的保溫材料種類的影響，在使用竹膠模板之后，再進(jìn)行研究加用塑料保溫板所產(chǎn)生的實(shí)際保溫效果。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)閘墩混凝土的外部使用保溫材料是可以降低混凝土內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的溫差的，而且實(shí)際產(chǎn)生的防裂效果會(huì)受到使用的保溫材料性能的影響。如果只使用竹膠模板，在澆筑早期混凝土的結(jié)構(gòu)溫差約為15℃，而如果在此基礎(chǔ)上加用塑料板則其溫差能夠下降到5℃。同時(shí)，如果只使用竹膠模板，水閘閘墩外部的拉應(yīng)力極值是0.7MPa，而如果加用塑料板則其拉應(yīng)力會(huì)明顯下降，具有顯著的防裂效果。

閘墩的底部相比于大壩其混凝土的厚度是更小的，因此結(jié)構(gòu)外部的溫度狀況對(duì)其溫差狀況的影響作用是更強(qiáng)的，增強(qiáng)表面使用材料的保溫性能能夠有效控制混凝土結(jié)構(gòu)溫差。如果只使用竹膠模板，則閘墩典型點(diǎn)的溫升約為30℃；如果加用塑料板其溫升極值能夠達(dá)到35℃。另外如果在閘墩混凝土的外部只使用竹膠模板，則澆筑后期其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的拉應(yīng)力極值1.4MPa，如圖4所示；在加用塑料板的情況下其拉應(yīng)力極值為2.0MPa，如圖5所示。

圖4 2種保溫材料結(jié)合時(shí)溫度與應(yīng)力曲線

圖5 2種保溫材料結(jié)合時(shí)主應(yīng)力σ1等值線(單位：MPa)

另外，在加用塑料板進(jìn)行表面保溫的情況下，進(jìn)行拆模操作更易造成閘墩混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，因?yàn)樵诨炷镣獠渴褂帽夭牧系那闆r下拆模會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)溫差突變，如圖6所示。因此在使用保溫材料的情況下應(yīng)該適當(dāng)?shù)匮雍蟛鹉r(shí)間。

由圖6可知，如果使用塑料板進(jìn)行長(zhǎng)期保溫，相較于只使用竹膠模板，盡管它可以有效減輕拆模產(chǎn)生的影響，但其在澆筑后期的拉應(yīng)力增長(zhǎng)更為顯著。

圖6 長(zhǎng)期使用塑料板時(shí)溫度與應(yīng)力曲線

3.2 表面保溫和水管鋪設(shè)結(jié)合

水閘閘墩相較于普通的大壩混凝土結(jié)構(gòu)具有更小的厚度，所以如果在其內(nèi)部鋪設(shè)管道注入冷水可以有效地減緩閘墩混凝土整體結(jié)構(gòu)溫度的變化幅度以及結(jié)構(gòu)內(nèi)外部的溫差，因此能夠減小混凝土結(jié)構(gòu)由于溫度變化而形成的各種應(yīng)力。在該退水閘工程的建設(shè)施工活動(dòng)中，有在閘墩的內(nèi)部鋪設(shè)水管，而且在其外部使用了竹膠模板，同時(shí)為了避風(fēng)搭設(shè)了塑料棚。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象都發(fā)生在水閘閘墩的結(jié)構(gòu)偏下方，所以在水管鋪設(shè)過(guò)程中將水管僅僅鋪設(shè)了12層，達(dá)到了閘墩整體高度的三分之二左右，各層水管之間的距離為0.5m，水管結(jié)構(gòu)整體位于混凝土澆筑層的中心部位。另外，冷卻水管是鐵質(zhì)的，管道的外徑是5cm，內(nèi)徑是4cm，該退水閘工程的閘墩混凝土澆筑共耗時(shí)16h，鋪設(shè)管道的冷水注入工作在閘墩混凝土澆筑完成之后立刻開(kāi)展，注入的水體溫度為17℃，流量大小為5.62m3/h，總體耗費(fèi)的通水時(shí)間為5.5d。鋪設(shè)了冷卻水管的計(jì)算網(wǎng)格如圖7所示。

圖7 有冷卻水管時(shí)的網(wǎng)格

計(jì)算發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)水管埋設(shè)以及表面保溫方法的共同作用，在澆筑早期混凝土的結(jié)構(gòu)溫度差異被控制在了5℃左右，具體如圖8(a)所示。在這個(gè)結(jié)構(gòu)溫差之下，水閘閘墩的外部幾乎沒(méi)有產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的峰值位于沒(méi)有任何水管鋪設(shè)的地方，如圖9(a)所示，主應(yīng)力達(dá)到了0.5MPa，這個(gè)數(shù)據(jù)代表埋設(shè)水管注入冷水可以形成十分不錯(cuò)的溫控效果。而如圖9(b)所示(單位:MPa)，在混凝土澆筑的后期，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的拉應(yīng)力峰值1.0MPa時(shí)，同樣是位于沒(méi)有任何水管鋪設(shè)的地方，而在鋪設(shè)水管的位置拉應(yīng)力大小只達(dá)到了0.8MPa，相較于使用竹膠模板，其大小減小了0.6MPa；而相較于使用塑料保溫板，其大小減小了1.2MPa，能夠有效減少裂縫的產(chǎn)生。而且如圖8(b)所示，因?yàn)殇佋O(shè)水管能夠發(fā)揮很好的溫控效果，拆模的日期在計(jì)算里被提早到了第十天，而在這一時(shí)期的混凝土仍在降溫過(guò)程中，因此應(yīng)該合理地將拆模的時(shí)間延后以避免由于拆模而造成的混凝土外部應(yīng)力的突變。

圖8 結(jié)合2種手段的溫度與應(yīng)力曲線

圖9 結(jié)合2種手段的主應(yīng)力σ1等值線(單位：MPa)

總而言之，如果結(jié)合水管埋設(shè)以及表面保溫方法的共同作用，則水閘閘墩混凝土的拉應(yīng)力在整個(gè)澆筑過(guò)程中都能被控制在極低的水平，將本文所述的這2種溫控措施相結(jié)合能夠在實(shí)際的水閘閘墩施工活動(dòng)中產(chǎn)生很好的防裂效果。

4 結(jié)論

通過(guò)研究可以得出，在閘墩的表面使用保溫材料雖然可以減小早期的混凝土結(jié)構(gòu)溫差，但是會(huì)導(dǎo)致溫度的突變更加顯著。針對(duì)這種情況，本文提出結(jié)合外部保溫材料的使用以及鋪設(shè)水管這2種方法，不僅可以做到有效控制閘墩結(jié)構(gòu)的溫差，而且也可以控制溫變的幅度和拉應(yīng)力的變化，對(duì)于類似的閘墩施工提供了一定的借鑒。但是，本文并未對(duì)采用冷卻管技術(shù)時(shí)通水溫度、降溫速度和通水時(shí)間如何進(jìn)行嚴(yán)格控制進(jìn)行詳細(xì)研究，在后續(xù)的具體施工過(guò)程中要特別注意這一點(diǎn)。