朱文明，王 華，湯建宏

(1.石虎塘航電樞紐分公司，江西 吉安 343700；2.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

船閘水工建筑物因穩(wěn)定(抗傾、抗滑、抗浮)或使用需要常為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，大體積混凝土在凝結(jié)硬化過程中會(huì)產(chǎn)生大量的水泥水化熱，混凝土內(nèi)部有很大的溫升，若遇外界溫度驟降或混凝土內(nèi)部溫度過高而產(chǎn)生過大的內(nèi)外溫差，會(huì)使混凝土表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力往往比其他外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力總和還大，當(dāng)拉應(yīng)變超過混凝土極限拉應(yīng)變時(shí)就導(dǎo)致溫度裂縫的產(chǎn)生，而配置鋼筋僅僅能夠限制溫度裂縫的開展寬度，要做到防止溫度裂縫的產(chǎn)生幾乎不可能。目前工程實(shí)際中解決大體積混凝土開裂主要有兩種思路：1)溫度控制，包括降低混凝土入模溫度、設(shè)置冷卻水管降溫、加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù)等；2)改善約束，合理分縫分塊、縮小約束范圍，合理安排施工順序使相鄰混凝土塊體尺寸適宜。本文依托具體工程[1]主要討論第1種思路即船閘大體積混凝土溫度控制技術(shù)。

20世紀(jì)90年代，水運(yùn)行業(yè)溫控技術(shù)主要是積極學(xué)習(xí)引進(jìn)水電大壩行業(yè)相關(guān)技術(shù)，采用分層分塊澆筑、優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)、降低混凝土原材料溫度等措施；至2010年前后，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速發(fā)展，對(duì)重點(diǎn)工程混凝土溫度控制提出了更高的要求，這一階段溫控技術(shù)主要是研究在混凝土中埋設(shè)冷卻水管配合冷卻水箱形成管冷系統(tǒng)(將冷水注入鋼管內(nèi)部，使混凝土內(nèi)部溫度得到有效降低[2-5])，同時(shí)研究冷卻系統(tǒng)的內(nèi)外溫差、降溫速率、水管流速等關(guān)鍵溫控指標(biāo)。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)針對(duì)大體積混凝土溫度控制的研究方向主要是通過仿真技術(shù)模擬混凝土內(nèi)部溫度變化情況，施工過程中通過埋設(shè)電子測(cè)溫元件、設(shè)立智能監(jiān)控平臺(tái)及時(shí)跟蹤內(nèi)部、外表面溫度，通過調(diào)節(jié)冷卻水管的運(yùn)行參數(shù)對(duì)混凝土溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

本文通過總結(jié)前人做的一些研究成果，結(jié)合具體工程案例的溫控措施，對(duì)原材料溫度、混凝土入模溫度、降溫速率進(jìn)行分析；另一方面冷卻水進(jìn)水溫度越低，與混凝土溫差越大，冷卻效果越好，但過大的溫差會(huì)在冷卻水管周圍的混凝土中引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，因此控制混凝土內(nèi)部溫度和降溫速率也很關(guān)鍵。

1 工程概況

江西某船閘閘墻采用重力式結(jié)構(gòu)，梯形截面，墻高約20 m、頂寬4.0 m、底寬14.0 m，考慮縱向分段、橫向分層、隔倉澆筑的原則，縱向分段長(zhǎng)度20 m，橫向分4層澆筑，閘墻分層斷面見圖1?；炷馏w積較大，其水化熱量大，為防止構(gòu)件產(chǎn)生裂縫縮短船閘使用壽命，對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的溫控設(shè)計(jì)與控制。

圖1 閘墻分層澆筑斷面(尺寸：mm；高程：m)

本工程溫度控制措施主要包括兩個(gè)途徑：1)控制原材料入機(jī)溫度、控制混凝土入模溫度、優(yōu)化配合比提高混凝土本身的抗裂性能；2)施工前通過有限元模擬分析混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)，分析混凝土溫度變化，確定冷卻水管布置方案、通水控制要求、溫度控制標(biāo)準(zhǔn)等主要參數(shù)。

2 原材料入模溫度控制和配合比優(yōu)化

本工程大體積混凝土澆筑期主要在7—10月，正處于夏季高溫期，為更好地降低混凝土澆筑時(shí)內(nèi)部溫度，首先從混凝土本身著手，優(yōu)化配合比，減小水化熱，通過降溫措施控制原材料溫度，混凝土入模前重點(diǎn)降低環(huán)境溫度。

2.1 配合比優(yōu)化

本工程混凝土配合比優(yōu)化主要從加大礦物摻合料含量、減少水泥用量、降低混凝土的水化溫升，合理控制凝結(jié)時(shí)間等方面入手：1)采用組分均勻、各項(xiàng)性能指標(biāo)穩(wěn)定的粉煤灰、礦粉取代部分水泥，優(yōu)化膠凝體系，降低水泥用量，控制混凝土絕熱溫升及溫升速率；2)選用級(jí)配良好、低熱膨脹系數(shù)、低吸水率的粗集料；3)使用低流動(dòng)性混凝土，在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)溫濕度環(huán)境下試拌的混凝土初凝時(shí)間要求大于25 h；4)在滿足施工的前提下，盡可能使用坍落度相對(duì)較低的混凝土，減少混凝土用水量，降低溫升、減少干縮，提高抗開裂性能。

2.2 原材料溫度控制

原材料控制主要目的是降低原材料入機(jī)前溫度，原材料溫度控制標(biāo)準(zhǔn)：水泥和礦粉低于60 ℃、粉煤灰低于40 ℃、集料低于30 ℃、拌合水低于12 ℃。

水泥、礦粉、粉煤灰等原材料選擇溫度較低的時(shí)段運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)，充分冷卻后使用，避免使用剛出廠的新鮮水泥，可采用多次倒庫進(jìn)行降溫，必要時(shí)在儲(chǔ)罐外采用噴淋降溫方式降低水泥溫度；集料倉采取全遮陽方式降低集料溫度，集料堆高并從底層取料；拌合用水采用井水，水池用遮陽土工布覆蓋，避免陽光直射，當(dāng)拌合水溫?zé)o法滿足要求時(shí)，在蓄水池內(nèi)加入冰塊降低水溫；在混凝土攪拌過程中設(shè)置霧炮降低環(huán)境溫度，通過熱工計(jì)算采取相應(yīng)措施降低各原材料溫度從而降低混凝土出機(jī)溫度，使其不超過28 ℃。

本工程同時(shí)采取以上措施后，出機(jī)溫度仍無法滿足要求，因此采用片冰取代拌合水進(jìn)行拌合。1 kg片冰融化為水大約需要吸收335 kJ熱量。根據(jù)本工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，每加入10 kg的片冰至少可使新拌混凝土降低1 ℃。

2.3 混凝土出站及入模前溫度控制

混凝土罐車運(yùn)輸時(shí)對(duì)罐車進(jìn)行包裹，同時(shí)對(duì)罐體灑水濕潤(rùn)，混凝土運(yùn)輸及澆筑過程中的溫升控制在2 ℃以內(nèi)。入模前，對(duì)擬澆筑區(qū)域?yàn)⑺疂駶?rùn)并降溫，同時(shí)避免模板受陽光直射，若無法避免則在模板外表面進(jìn)行淋水降溫，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置4臺(tái)霧炮機(jī)，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行降溫，控制混凝土入模前溫度不超過30 ℃。

3 冷卻水管布置

管冷循環(huán)控制系統(tǒng)是大體積混凝土澆筑前，為降低混凝土內(nèi)部溫度、縮小內(nèi)外溫差，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)尺度在混凝土構(gòu)件寬大結(jié)構(gòu)處布設(shè)冷卻水鋼管，在外部設(shè)置冷卻水箱，通水冷卻降低混凝土內(nèi)部溫升，通過對(duì)支水管的閥門檔位進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)控結(jié)果對(duì)不同支管流量進(jìn)行定制化、精確化調(diào)整。升溫階段壓制溫峰，溫峰后通過調(diào)整水管，防止混凝土的降溫速率過快。

本工程投入大量費(fèi)用，根據(jù)閘墻具體尺寸和施工分倉方案，布設(shè)大量冷卻水管，水管距溫控構(gòu)件表面80～120 cm，采用直徑40 mm、壁厚2.5 mm、具有一定強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能好的黑鐵管制作，彎管部分采用冷彎工藝。水管水平間距1 m、層間距1 m，每管長(zhǎng)(從進(jìn)水口至出水口)不超過200 m，每層冷卻水管設(shè)置1～2個(gè)進(jìn)水口和出水口，冷卻水管布置見圖2。管冷系統(tǒng)布設(shè)完成后，混凝土澆筑前進(jìn)行加壓通水試驗(yàn)，時(shí)間大于0.5 h，主要關(guān)注水流量是否滿足要求。

圖2 冷卻水管布置(單位：cm)

由于混凝土澆筑初期水化熱升溫較慢，結(jié)合贛江現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際水溫，澆筑初期2 h采用水泵直接抽贛江自然水至水箱供應(yīng)循環(huán)用水，隨著出水管熱水進(jìn)入水箱，水箱中水溫逐漸升高，為保證冷卻效果，現(xiàn)場(chǎng)每隔4～6 h利用贛江自然水對(duì)水箱水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)降溫調(diào)控。

通過工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，冷卻水進(jìn)水溫度越低、與混凝土溫差越大，冷卻效果越好，但過大的溫差會(huì)在冷卻水管周圍的混凝土中引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，因此本工程將冷卻水與混凝土之間的溫差控制在20 ℃以內(nèi)。同時(shí)為防止上層混凝土澆筑后下層混凝土溫度的回升，下層混凝土采用二次通水冷卻，通水時(shí)間根據(jù)測(cè)溫結(jié)果確定。

4 仿真分析溫度場(chǎng)變化

為解決混凝土水化熱和收縮引起的溫度裂縫問題，通過有限元仿真分析混凝土內(nèi)部溫度變化，對(duì)不同工況進(jìn)行計(jì)算和比較，確定不出現(xiàn)溫度裂縫的安全工況，并根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果給出混凝土施工階段溫度控制標(biāo)準(zhǔn)和要求，提出相應(yīng)的溫控要求。

仿真計(jì)算時(shí)，澆筑溫度按30 ℃考慮，溫控構(gòu)件C30混凝土受C15混凝土墊層約束，計(jì)算時(shí)底部約束彈性模量取29 GPa，采用鋼模板施工，鋼模板的厚度為6 mm，根據(jù)計(jì)算取表面散熱系數(shù)58.9 kJ/(m2·h·℃)；頂面采用覆蓋土工布蓄水養(yǎng)護(hù)，蓄水深度根據(jù)計(jì)算取10 cm。根據(jù)水管布置情況，混凝土分層間隔期為7 d，溫度及溫度應(yīng)力計(jì)算從混凝土澆筑開始，模擬之后28 d的溫度應(yīng)力發(fā)展。通過仿真分析，混凝土內(nèi)部最高溫度為58.7 ℃，溫峰出現(xiàn)時(shí)間約為澆筑后第3 d?；炷羶?nèi)部溫度分布見圖3。

圖3 閘墻內(nèi)部溫度分布仿真分析

根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果確定通水要求，開始通水時(shí)間及升溫期通水要求：覆蓋冷卻水管開始即通到最大水流量，水流量≥50 L/min，流速≥0.6 m/s，進(jìn)出水溫差≤10 ℃；混凝土內(nèi)部最高溫度≤59 ℃，內(nèi)外溫差≤25 ℃。降溫期通水時(shí)間及要求：根據(jù)測(cè)溫結(jié)果降低水流量，確保降溫速率≤2 ℃/d(初期≤3 ℃/d)，進(jìn)出水溫差≤10 ℃，內(nèi)外溫差≤25 ℃。停水時(shí)間：內(nèi)部最高溫度≤35 ℃且最大內(nèi)外溫差≤15 ℃。

5 施工期溫度監(jiān)控

大體積混凝土自澆筑開始，經(jīng)受外界環(huán)境溫度和自身水化熱的作用，使混凝土中任一點(diǎn)的位移和變形不斷變化，變形遇到約束時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的極限強(qiáng)度，或應(yīng)變超過混凝土的極限拉伸值，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫?；炷猎谟不^程中還容易產(chǎn)生收縮裂縫?；谝陨显蛟跐仓^程中和澆筑完成后的溫升控制，對(duì)防止混凝土開裂、確保施工質(zhì)量有重要意義。而監(jiān)測(cè)構(gòu)件內(nèi)外溫度、溫度變化速度和溫度變化范圍，是避免或減少大體積混凝土構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的有效方法。

本工程閘墻混凝土選取典型部位埋設(shè)測(cè)溫計(jì)，澆筑和養(yǎng)護(hù)過程采用智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控混凝土內(nèi)部溫度分布、內(nèi)外溫差、降溫速率等關(guān)鍵參數(shù)，在最高溫度及內(nèi)外溫差快到達(dá)預(yù)警值時(shí)提前預(yù)警，并制定有針對(duì)性的調(diào)整措施，如通過加大通水流量、降低通水溫度、增大水箱換水頻率、表面保溫覆蓋等措施控制混凝土內(nèi)部溫度和降溫速率。

同時(shí)，本工程溫度監(jiān)測(cè)為混凝土后期養(yǎng)護(hù)提供了大量數(shù)據(jù)支持，混凝土澆筑完成后遇到了較低氣溫，氣溫低于混凝土表面溫度超過20 ℃(或內(nèi)外溫差大于25 ℃)，及時(shí)采用保溫板加強(qiáng)混凝土的保溫養(yǎng)護(hù)。另外，混凝土的拆模時(shí)間不僅考慮混凝土強(qiáng)度，還考慮了混凝土的溫度和內(nèi)外溫差，以免突然接觸空氣時(shí)降溫過快而開裂。典型位置溫度監(jiān)測(cè)歷時(shí)曲線見圖4。

圖4 溫度監(jiān)測(cè)歷時(shí)曲線

6 結(jié)語

1)控制原材料溫度、優(yōu)化混凝土配合比、降低混凝土入模溫度、布設(shè)冷卻水管降溫能夠有效降低混凝土內(nèi)部水化熱，提高混凝土本身的抗裂性能。

2)夏季施工混凝土入模溫度控制不超過30 ℃為宜。

3)根據(jù)冷卻水管布置，通過有限元仿真分析內(nèi)部溫度場(chǎng)，要求內(nèi)部最高溫度不宜過高(控制在60 ℃以內(nèi)為宜)，混凝土內(nèi)外溫差應(yīng)≤25 ℃。

4)冷卻水進(jìn)水溫度越低，冷卻效果越好，但過大的溫差會(huì)在冷卻水管周圍的混凝土中引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，將冷卻水與混凝土之間的溫差控制在20 ℃以內(nèi)為宜。

5)通水降溫速率不宜過快，根據(jù)測(cè)溫結(jié)果實(shí)時(shí)控制水流量，降溫速率要求≤2 ℃/d(初期≤3 ℃/d)，進(jìn)出水溫差≤10 ℃。

6)通水時(shí)間根據(jù)測(cè)溫結(jié)果確定，當(dāng)內(nèi)部最高溫度≤35 ℃且最大內(nèi)外溫差≤15 ℃時(shí)可停止通水，但應(yīng)防止下一倉混凝土澆筑后溫度的回升，有必要時(shí)須采用二次通水冷卻，具體根據(jù)測(cè)溫結(jié)果確定。

7)溫度監(jiān)測(cè)可為混凝土后期養(yǎng)護(hù)提供數(shù)據(jù)支持，混凝土的拆模時(shí)間不僅要考慮混凝土強(qiáng)度，還應(yīng)考慮混凝土的溫度和內(nèi)外溫差。

8)通過以上具體措施并嚴(yán)格按照溫控要求進(jìn)行降溫，有效地防止、減弱了大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，提高結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，得到良好的現(xiàn)場(chǎng)施工效果，對(duì)同類工程具有示范和參考意義。