浅析综合温控措施在混凝土质量控制中的应用

胡 清 焱， 王 抗 ， 张 国 寿

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

老挝色拉龙一级水电站以发电为主，主要建筑物由碾压混凝土重力坝、溢流坝、坝式取水口、坝后式发电厂房、主变GIS楼及尾水渠等组成。水库总库容9.53亿m3，额定水头46 m，电站装机容量为70 MW，安装2台混流式机组，年平均发电量为2.7亿kW·h。

枢纽区拦河大坝为碾压混凝土重力坝，混凝土坝顶全长459 m，坝顶高程219.5 m，最大坝高64.5 m，从左岸至右岸依次为长175 m的左岸重力坝段，长71 m、布置4个溢流孔的溢流坝段，长19 m的导流底孔坝段，长34 m的厂房进水口坝段，长160 m的右岸重力坝段。

该工程地处低纬度地区，属热带季风气候，流域内气候全年温和，受季风影响，降水年内分配极为不均衡，形成了明显的旱季和雨季。雨季一般从5月开始，至10月底结束。

根据对色拉龙一级水电站工程区直线距离约150 km的沙湾拿吉(Savannakhet)雨量站降雨资料进行统计，5～10月降雨量达全年降雨量的91.3%。流域多年平均气温为22 ℃～26 ℃，年内1月份的气温最低，月平均气温为14 ℃～21 ℃；4月份的气温最高，月平均气温为24 ℃～30 ℃，流域多年平均相对湿度一般在70%以上，多年平均日照小时数为2 490 h。

2 实施温控措施的必要性

(1)砂岩骨料的应用。该工程采石场岩性为砂岩，砂岩原岩抗压强度较低，稳定性较差(较离散)，成品骨料压碎值偏高，骨料线膨胀系数大，吸水率高。因砂岩作为混凝土骨料存在一些先天性的缺陷，配合比中水泥用量相对较高，致使坝体水化热较大。为了确保混凝土浇筑质量，必须采取有力的温控措施。

(2)工程区气候因素。该工程区地处老挝南部，旱季白天气温相对较高，昼夜温差较大，采用常规或单一的温控手段均不能满足设计混凝土温控技术要求。因此，需要将各项温控措施综合应用，用以控制混凝土出机口温度和坝体最高温度等主要温度指标，有效控制混凝土的浇筑质量。

3 混凝土温度控制标准

3.1 基础温差

混凝土基础容许温差见表1。

表1 混凝土基础容许温差控制标准表 /℃

注：L为浇筑块长边长度。

3.2 内外温差

常态混凝土内外温差控制≤19 ℃；碾压混凝土内外温差控制≤16 ℃。

3.3 容许最高温度

根据老挝色拉龙河流域气候特性以及设计温控技术要求，所允许的浇筑最高温度见表2。

4 混凝土温度计算

表2 大坝混凝土浇筑的允许最高温度表 /℃

4.1 计算参数的确定

根据当地气象数据资料，每年 4月气温最高，月平均气温为24 ℃～30 ℃，最高气温为35 ℃。计算采用的Ta为气温最高月份(4月)的日平均气温30 ℃，最高气温为35 ℃。最高温度下材料温度和比热容参数见表3，混凝土配比见表4；混凝土浇筑温度Tp按照温控要求控制为 28 ℃。

表3 混凝土材料参数表

表4 混凝土骨料配比表 /kg·m-3

4.2 混凝土入仓温度计算

计算公式：Tp=TB·P+θpτ(Ta-TB·p)

式中Tp取28 ℃；TB·P为混凝土入仓温度，℃；θp为混凝土浇筑过程中温度倒灌系数，取θp=0.002～0.003/ min；τ为铺料平仓振捣至上层混凝土覆盖前的时间，min，取240 min；Ta为混凝土运输时的气温，℃，取30 ℃。

计算得：TB·P=26.1 ℃。

4.3 出机口温度计算

计算公式：

TB·p=T0+(Ta-T0)(θ1+θ2+…+θn)

式中TB·P取4.1中的计算值26.1 ℃；T0为混凝土出机口温度，℃；Ta取30 ℃；θi(i=1,2,3,…n) 为温度回升系数，混凝土装、卸、转运每次θ=0.032，混凝土运输时，θ=At；式中A为混凝土运输过程中的温度回升系数，取 0.000 5；t为运输时间，min，取16 min。

计算得：T0=25.6 ℃。

因此，拌和站出机口温度只要低于25.6 ℃，即可满足混凝土浇筑温度不超过28 ℃的要求。

4.4 出机口温度热力计算

(1)拌和站拌制混凝土产生的机械热计算公式：

Q机=10Nt/V

式中Q机为每m3混凝土拌和时产生的机械热，kcal；N为HZS120 拌和站搅拌机功率，为75 kW；t为搅拌时间，2 min；V为搅拌机容量，2 m3。

计算得：Q机=750 kcal。

(2)混凝土出机口温度的计算。

根据热量守衡原理，可知拌和后的成品混凝土的总热量应加上拌和过程中产生的机械热，等于拌和前混凝土配料的总热量。

∑Ti•Gi•Ci+Qa=T0•∑Gi•Ci

其中Ti为混凝土中各种配料的入机温度；Gi为单位时间混凝土中各种配料的质量；Ci为混凝土中各种配料的质量比热容；Qa为生产混凝土所产生的搅拌热，750 kcal/m3。

将表3、4中的数据代入上式，计算中的拌和水采用2 ℃的冷水，计算得：C20碾压混凝土出机口温度T0碾压=24.01 ℃，C15常态混凝土出机口温度T0常态=25.32 ℃。

根据4.2项的计算结果，混凝土出机口温度要求不高于25.6 ℃。根据4.3项的计算结果，C20常态混凝土和C15碾压混凝土采用加2℃冷水拌和，可以满足设计温控要求。

4.5 冷水机组的负荷计算

该工程高峰期浇筑强度为4.9万m3/月，其中常态混凝土为1.37万m3/月，碾 压 混 凝 土 为3.53万m3/月，则每小时浇筑混凝土强度约122.5 m3/h，根据混凝土配比，每m3混凝土最大加水量约为102 kg(高峰期综合耗水率)，混凝土生产需要的冷水温度为2 ℃，冷水机负荷计算如下。

根据热量Q的计算公式：

Q=CM△T

式中C为物质比热，kcal/kg·℃；M为物质质量，m3/h；△T为水温差，℃。

计算得每m3混凝土需要冷水的负荷为：

Q=1×102×(28-2)kcal =2 652 kcal

则每h生产122.5 m3混凝土所需的冷水负荷Q1为：

Q1=2 652 kcal×122.5=324 870 kcal≈378 kW

考虑1.3的富裕系数，需选择一台制冷量不低于500 kW的冷水机组。

5 混凝土温控综合措施

5.1 通水冷却

5.1.1 冷却水管材质

坝体内的冷却水管采用HDPE塑料管，主管规格为：内径32.6 mm，壁厚3.7 mm，外径40 mm，支管规格为：内径为28 mm，壁厚为2 mm，外径为32 mm。冷却水管的主要技术指标要求见表5。

表5 大坝采用的HDPE塑料冷却水管的主要技术指标表

5.1.2 水管布置

(1)基础约束区冷却水管垂直间距为1.8 m，水平间距为1.5 m；自由区冷却水管垂直间距为3.6 m，水平间距为1.5 m，单根蛇形支管的长度不大于300 m。

(2)冷却水管距上、下游坝面的距离一般要求为0.8～1.5 m，局部不应小于0.5～1 m；冷却水管距横缝面的距离一般要求为0.8 m；冷却水管距廊道、孔口、电梯井等内壁面的距离不应小于0.5 m。

5.1.3 水管的连接与封闭

(1)坝体内埋设的冷却水管接头采用膨胀式防水接头，坝外供水管与各条冷却水管主管出口间的三通接头连接应采用定型的可靠产品。坝内冷却水管同一主管上不允许超过6个接头，以防止接头漏水。

(2)坝外供水管与各条冷却水管主管出口间的联结应随时有效，同时利用支管阀门启闭控制某条水管的流量而不影响其他冷却水管的循环水。

(3)水管使用结束后，应先用M30的水泥浆对坝内冷却蛇形管进行回填灌浆，再切除蛇形管的外露部分并将其处理至满足坝面美观要求为止。

5.1.4 通水冷却要求

(1)采用天然河水，通水流量为1.2～1.5 m3/h，通水日降温幅度不超过1℃，通水天数根据温控设计要求为28 d。

(2)通水温度与混凝土温度的温差不大于20 ℃，若混凝土温度回升过快、超过天然河水温度20 ℃，则应当减小通水流量或切换水源，采用常温水。

(3)通水冷却时应严格控制混凝土的降温速率，混凝土达到最高温度前，可适当加大通水流量，同时应采用中下部深度的河水作为通水冷却水，冷却水池应采取遮阳措施；为控制温度回升、减少上下层及内外温差，应根据测温情况适时采取中期通水措施。

5.2 温度观测

(1)温度测量内容包括：混凝土原材料温度、出机口温度、浇筑温度、仓内气温及浇筑块内部温度等。

(2)在混凝土浇筑过程中，混凝土原材料温度、出机口温度、入仓温度和仓内气温至少1 h检测1次。

(3)混凝土浇筑温度测量，每100 m2仓面面积不少于1个测点，每个浇筑层不少于3个测点，每个测点至少配3支温度计，分别布置在浇筑层面的上部、中部和下部。测点布置应考虑不同强度等级的混凝土部位；同时应满足温控技术要求规定：温度计埋设密度≥1支/300 m2，且最少不低于3支。

(4)混凝土内部温度的永久观测。对于有预埋永久监测仪器的浇筑块内部温度的观测，应按相关要求进行。

(5)浇筑块未预埋监测仪器的混凝土内部温度测量。①对于未埋设永久监测仪器的，采用铜电阻温度计测温；②每个坝段在基础约束区每2～3个浇筑层应布置一支温度计，在非约束区每3～5个浇筑层应布置一支温度计，温度计布置在浇筑层厚度中部、浇筑块中央；③观测频次：开始浇筑～浇后7 d，每6 h测1次，温度出现高峰期间要加密观测。

5.3 其他温度控制措施

(1)常流水养护及表面保温。各部位混凝土浇筑后即开始安排专人两班制进行24 h不间断的常流水养护，同时做好养护记录及交接班交底工作，确保所浇筑的混凝土面一直处于湿润状态，对底部强约束区具备条件的部位进行蓄水养护，坝体上下游面布置花管进行自动流水养护，对重要的结构部位采用土工膜覆盖保水养护。常流水养护及表面保温工作一直持续到混凝土达到设计龄期。

(2)优化配合比设计，控制水化热坝体温升。根据砂岩骨料强度较低、水泥用量较高的问题，从混凝土配合比设计入手，采取了多种手段降低水泥用量：一是更换高效减水剂。减水剂由原来的苏博特(粉末状、减水率为15%～18%)更换为HZ-03型聚羧酸高性能减水剂(液态、减水率为32%～34%)，降低用水量和水灰比，从而降低了水泥用量，减小了水化热。二是采用动态配合比。根据砂岩骨料磨耗性高，转运及搅拌过程中易产生石粉的特点，试验室通过磨耗试验确定各级骨料的实际磨耗率，进而确定混凝土骨料的真实级配，通过调整砂率等操作优化了配合比。

6 结 语

该工程将砂岩料场作为混凝土骨料，由于砂岩的自身特性，为保证混凝土设计强度，配合比中水泥用量相对较高，进而产生了较大的水化热；同时，工程区地处低纬度地区，旱季白天高温，昼夜温差大，致使砂岩骨料与不利气候的双重因素叠加，给混凝土浇筑质量控制带来了一定的难度。鉴于此，该工程通过冷水机组生产2 ℃冷水拌制混凝土，保证了出机口温度达到设计要求；通过仓内埋设冷却水管，24 h不间断的通水冷却，降低了坝体温度；通过在仓面埋设的铜电阻温度计实时监测坝体内部温度，及时调整通水流量和时间，使坝体最高温度和温度变化满足设计要求；通过常流水养护和重点部位土工膜覆盖保水养护，较好的控制了混凝土的浇筑质量。各项温控手段和措施在该项目得到了较好的实际应用，对今后东南亚同类型工程具有一定的参考价值。