温度控制在水工大体积混凝土施工中的应用

2022-09-10

混凝土在水工结构应用中其用量大、设计强度高、水泥用量多, 水泥产生的水化热引起混凝土温度急剧升高, 而混凝土的导热能力较差, 致使混凝土内外温差较大, 产生的温度应力和应变较大, 而混凝土结构物的外约束和混凝土各质点的约束阻止了这种应变, 一旦温度应力超过混凝土所能承受的极限抗拉强度, 就会产生不同程度的裂缝。

1 混凝土温度应力

混凝土的最大温差取决于其内部最高温度, 混凝土内部最高温度是由混凝土浇筑温度和混凝土温升幅度所决定的, 所以混凝土工程温控主要是指控制浇筑温度和温升幅度。对混凝土进行温度控制, 使混凝土具有良好的抗裂能力, 降低混凝土的温度应力, 提高混凝土的抗裂性能, 使混凝土的温度应力小于混凝土的极限抗拉应力, 混凝土温度应力计算式[1]为:

式中σT为混凝土的实际温度应力;σR为混凝土的极限抗拉应力;R为基岩或基础对新混凝土的约束系数, 一般取28;E为混凝土的弹性模量;Kp为混凝土徐变松弛系数, 一般取0.5;μ为混凝土的泊松比;α为线长系数, 一般取8.5×10-6/℃;ΔT为混凝土的降温量, 其中ΔT=Tp+Tr-Tf, Tp为混凝土的浇筑温度;Tr为混凝土水化热升温, 可通过计算获得;Tf为坝体标准温度, 取年均温度;εg为混凝土自身变形系数。

通过上式在知道混凝土的极限抗拉应力时, 可以得到混凝土的降温值, 从而在施工各阶段中采取相应控制混凝土温度的措施。

2 混凝土裂缝控制

水工混凝土 (尤其是常态混凝土) 结构为满足工程需求常采用较高强度等级的混凝土, 这就需要水泥强度等级要高 (易产生较大的水化热) ;而水工建筑结构厚、体积大、混凝土用量大, 混凝土结构内部水化热不易散发, 结构内部温升高较快, 内外产生较大的温差, 而混凝土结构水平阻力系数大、外约束强, 容易产生贯穿性裂缝, 从而影响结构的安全性。需要在施工过程中改进流程, 采取必要的措施避免或者减少出现混凝土裂缝。

2.1 严格控制混凝土入仓温度

水工混凝土温度受外界环境影响明显 (尤其是夏季) , 要保证混凝土入仓温度不超过极限, 对混凝土进行必要的温度控制措施是关键。

首先保证混凝土的出机温度T0不易过高, 混凝土出机温度计算式[2]:

式中Ts、Tg、Tc、Tw分别为砂、石、水泥和水的温度;P为加冰率;η为加冰的有效系数, 一般η=0.75～0.85。

措施:利用地下水添加冰块, 来降低拌制混凝土的水温, 通过通冷气来降低拌和楼的温度;粗细骨料仓设置遮阳装置、喷雾降温、地沟取料等设施;在混凝土泵送管道上铺设湿麻袋降温, 尽量缩短混凝入仓时间等措施降低混凝土入仓温度。

2.2 优化混凝土配合比

水工结构混凝土中水泥用量大, 导致混凝土浇筑后, 结构内部产生较大的水化热, 这就需要适当的减少水泥用量, 施工中在满足混凝土强度设计要求时掺入一定量的粉煤灰、缓凝剂。混凝土水化热温升计算公式:

式中Tr为混凝土绝对温升;W为胶凝材料用量;Q为水泥水化热;C为混凝土比热。从上式可见采用低热水泥, 用优质粉煤灰代替水泥, 使用多级配混凝土减少水泥用量、减少水灰比是控制水化温升的主要措施。通过各工程施工观测和试验比较, 掺加粉煤灰能显著推迟和减少发热量, 延缓水泥水化热的释放时间, 可降低温升值20%～25%, 大大减少产生温度裂缝的概率。

实践表明:采用优质粉煤灰、多级配混凝土能有效地减少水泥用量, 大大减少了水化热的产生。

2.3 合理的施工浇筑工艺

目前大型水利工程混凝土采用分层浇筑, 在各层混凝土浇筑中, 采用“一个坡度, 薄层浇筑, 一次到顶”的方法, 既保证了超厚底板的连续浇筑, 避免出现施工冷缝, 又尽可能地增大了混凝土的散热面, 有利于早期混凝土水化热的散发, 而且增加混凝土的密实度, 提高混凝土抗裂能力。层与层之间的推进面距离要保证上下层浇筑停歇时间不超过混凝土初凝时间, 使得上下两层混凝土在初凝前良好结合。对于大结构混凝土施工, 还通常在结构体内预埋水管, 通循环水降温, 冷却水管的数量和结构安排根据实际工程情况确定, 根据以前施工经验, 将冷却通水时间提前到开仓2 d以后, 有利于混凝土降温, 对提高混凝土的质量非常关键, 但这样做要求一边浇筑一边通水, 给施工带来一定的困难。

2.4 混凝土的养护

工程实践证明当浇筑混凝土内外温差小于25度时, 产生裂缝的机会将明显减小, 因此在混凝土施工后进行养护是保障混凝土不产生裂缝的关键, 常见的措施有保温、保湿养护法。先在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜以防水分的蒸发, 覆盖时间以混凝土初凝时间为宜, 然后在塑料薄膜上覆盖草袋以保温, 工程施工证明增加覆盖厚度、延长养护时间是减缓降温速率、充分利用混凝土的松弛特性、达到以时间控制裂缝目的的经济有效措施。