泡沫保温板保温对某船闸闸室空箱侧墙温控影响分析

陆金伦，黎锦钊，彭耀蒋

(广东省源天工程有限公司,广州 511340)

1 工程概况

某船闸闸室边墙上部空箱结构层相较于输水廊道层，虽然断面尺寸较小，但结构形式变化复杂，体积厚薄不均，同时有1层浇筑很久的混凝土支撑梁穿过空箱结构层(见图1)。支撑梁由3道对顶撑以及两道斜撑组成，对顶撑以及斜撑断面尺寸均为1.0 m×1.1 m(宽×高)。支撑梁混凝土强度等级为C40，闸室主体结构混凝土强度等级为C25。

(a) 俯视示意

(b) 侧视示意

根据施工计划的安排，闸室空箱结构层与输水廊道的浇筑间歇期在3—4个月，第1层空箱分2层浇筑，第1层空箱浇筑(9月)完毕后间歇20 d，再开始浇筑第2层空箱，第2层空箱分3层浇筑，间歇期为6—9 d。空箱结构层采用悬臂式钢模板，浇筑后7 d拆模。

由于闸室空箱结构各部分厚薄不均，最薄的侧墙仅厚1.2 m(见图1)，属于薄壁结构，同时支撑梁对新浇筑混凝土的约束作用明显。此外闸室空箱是在气温逐渐下降的9、10月浇筑，致使浇筑后混凝土表面温降较快，内部和表面的温度梯度较大。施工分层示意见图1，Ansys有限元网格示意见图2。

图2 有限元模型示意

根据当地的气象统计资料显示，枢纽处多年平均气温为21.7 ℃，最热为7月，平均气温为25.8 ℃，最冷为1月，平均气温为18.4 ℃。

混凝土热力学参数见表1和表2。

表1 混凝土力学参数

表2 混凝土热学参数

2 温控特征点选取

通过大量取点分析，位于支撑梁上部的空箱侧墙是温控防裂需要关注的重点区域，因此，选取位于此区域的特征点进行重点分析。其中特征点①位于空箱侧墙内部，特征点②位于空箱表面(见图1)，具体位置见表3所示。

表3 闸室空箱层特征点的具体位置

根据《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》(JTS 202-1-2010)附录C.4，混凝土表面抗裂安全系数计算公式为：

K≥1.4

(1)

式中:

K——混凝土的温控抗裂安全系数；

σs(t)——龄期t时混凝土拉应力计算值，MPa；

fsp(t)——龄期t时混凝土劈裂抗拉强度试验值，MPa。

由于本工程未做劈裂抗拉强度试验，故根据抗压强度与抗拉强度之间的关系，拟合得到混凝土的抗拉强度曲线。

3 无表面保温施工工况仿真分析

拟定的闸室空箱混凝土施工基本工况：空箱第1层混凝土从9月5日开始浇筑，浇筑温度为26 ℃，浇筑后7 d拆模，拆模后洒水养护，在第1层空箱顶部埋设1层冷却水管(PE管内径为25 mm，壁厚为3 mm)，水平间距为1.5 m，管长为60 m，通水时间5 d，冷却水温为20 ℃，通水流量为1.2 m3/h，不采取保温措施。

1) 特征点温度变化规律

通过对闸室空箱混凝土分层施工的仿真计算，整理出闸室空箱层各特征点的温度计算结果见表4，特征点温度历时曲线见图3。

特征点①②距离支撑梁顶面仅0.23 m，其中，点①位于空箱侧墙内部，其散热条件相对较差，在浇筑后2 d达到最高温度45.24 ℃，温升值为19.24 ℃，在温降阶段，温降幅度达到22.71 ℃，但最大温降速率较小，仅为1.60 ℃/d；点②位于空箱表面，散热条件好，最高温度出现龄期早，在龄期1 d即达到最高温度34.70 ℃，同时温降幅度也较小，仅为13.4 3℃，但最大温降速率为1.85 ℃/d。特征点内外温差在浇筑后3 d达到最大，为12.81 ℃。当浇筑下一层混凝土时，因为两个特征点距离新浇筑层较远，所以其温度场变化过程基本未受新浇筑层的影响。

表4 空箱结构层特征点温度特征值统计

图3 特征点温度历时曲线示意

2) 特征点应力变化规律

空箱层各特征点的温度应力计算结果见表5，特征点的应力历时曲线见图4。

表5 特征点温度应力特征值统计

图4 特征点应力历时曲线示意

在空箱层混凝土浇筑初期，由于散热条件的差异，位于空箱侧墙内部混凝土的温升幅度远大于外侧表面混凝土的温升幅度。由表4可知，特征点②的温升幅度仅为8.70 ℃，小于特征点①的温升幅度19.24 ℃，所以，尽管混凝土内外都处于温升阶段，但仍不可避免的出现了相互变形约束。此时，点①所处的混凝土内部处于相对体积膨胀的状态，点②所处的混凝土表面处于相对体积收缩的状态，所以，出现了拉应力。同时，点②所处部位内外温差更大，导致在浇筑初期即迅速增长，龄期1.5 d时温度应力为0.87 MPa，而此时混凝土抗拉强度仅为1.03 MPa，所以，抗裂安全系数在龄期为1.5 d即达到最小，仅为1.18，因而在拆模前产生表面裂缝的可能性较高。

继续降低浇筑温度则成本过高，改变通水冷却参数也不能很好地减小空箱侧墙内外温差和温度梯度，因此，在保证浇筑温度为26 ℃和采取通水冷却措施的前提下，尽可能减小混凝土的内外温差和温降速率成为必然选择。

4 泡沫保温板保温温控效果分析

在保证浇筑温度为26 ℃、拆模时间为7 d以及其余各项温控措施相同的基础上，控制保温板厚度分别为0 cm(即不外贴保温板)、1 cm、2 cm，探明不同保温板厚度对混凝土温度场和温度应力场的影响。

1) 温度场对比分析

通过有限元仿真计算，不同保温板厚度各温控特征点的最高温度及内外温差见表6，不同保温板厚度下各温控特征点的温度历时曲线见图5～图6。

由表6可知，采用钢模板时，特征点最大内外温差为12.81 ℃；采用钢模板外贴1 cm厚泡沫保温板时，特征点最大内外温差为8.07 ℃；采用钢模板外贴为2 cm厚泡沫保温板时，特征点最大内外温差为 6.17 ℃。虽然保温提高了混凝土内部的最高温度，但是拆模前的最大内外温差显著减小。

表6 不同保温板厚度特征点最高温度及内外温差

图5 不同保温板厚度特征点①温度历时曲线示意

图6 不同保温板厚度特征点②温度历时曲线示意

2) 温度应力场对比分析

不同保温板厚度，各温控特征点的最大拉应力、最小抗裂安全系数及其出现龄期见表7～表8，各特征点不同保温板厚度下的应力历时曲线见图7～图8。

表7 不同保温板厚度特征点①最大拉应力及抗裂安全系数

表8 不同保温板厚度特征点②最大拉应力及抗裂安全系数

图7 不同保温板厚度特征点①应力历时曲线

图8 不同保温板厚度特征点②应力历时曲线

从图7可见，对于中间内部点，不同保温板厚度导致温度应力的变化不大。而由图8可知，当采用钢模板外贴泡沫保温板时，表面特征点②在混凝土浇筑后应力历时曲线经历了3个峰值。第1个应力峰值是由于拆模前混凝土内外温差和内外变形不一致引起的；第2个应力峰值是由于拆模后混凝土表面温度在短时间内迅速下降引起的；第3个应力峰值是由于浇筑下一层混凝土时新老混凝土变形不一致引起的。

由图8可知，保温性能越强(保温板厚度越大)，拆模前空箱混凝土表面应力峰值越小，达到应力峰值的时间也越晚。仅采用钢模板时，拆模前特征点②拉应力在4 d达到极大值1.12 MPa；采用钢模板外贴1 cm厚泡沫保温板时，由于内外温差减小，拆模前特征点②拉应力减小，在6 d达到极大值1.10 MPa；采用钢模板外贴2 cm厚泡沫保温板时，早期的内外温差更小，特征点②拉应力在混凝土浇筑后6 d达到极大值1.08 MPa。可见，随着保温性能的增强，空箱混凝土表面的早期应力得到明显改善，这对于防止混凝土早期出现表面裂缝极为有利，但保温板厚度继续增大所产生的作用越来越小。

从图7、图8可以看到，保温性能越强，一方面导致混凝土表面最高温度的升高幅度增大，拆模时混凝土表面温度与环境温度的差值越大，拆模后空箱混凝土表面拉应力的突增幅度也就越大。当采用钢模板时，基本无保温作用，拆模时特征点②应力基本不受影响；当采用钢模板外贴1 cm厚泡沫保温板时，保温效果较好，拆模后特征点②应力增幅为0.26 MPa，在拆模2.5 d后拉应力达到极大值1.35 MPa；当采用钢模板外贴2 cm厚泡沫保温板时，保温效果最好，但拆模后特征点②应力增幅为0.41 MPa，在拆模3 d后拉应力达到极大值1.49 MPa(抗裂安全系数为1.29)，很有可能引起空箱表面开裂。

由以上分析可知，随着保温效果的增强，拆模前温度应力得到明显改善，拆模后防裂压力会加大。当采用钢模板时，最小抗裂安全系数仅为1.18；当采用钢模板外贴1 cm厚泡沫保温板时，拆模前最小抗裂安全系数为1.36(出现在2.5 d，虽未达到规范规定的1.4，但很接近)，7 d拆模后最小抗裂安全系数为1.42；而当采用钢模板外贴2 cm厚泡沫保温板时，拆模前最小抗裂安全系数虽然提高至1.45，但拆模后的最小抗裂安全系数反而降低到1.29。所以，综合考虑混凝土表面点早期和后期的温控防裂要求，选择采用钢模板外贴1 cm厚泡沫保温板的方式进行表面保温。

5 结语

实际施工采用钢模板外贴1 cm厚泡沫保温板，7 d拆模的方案。拆模后检查，未发现裂缝。根据本文的研究和实践，对于空箱闸室侧墙混凝土温控有以下认识：

1) 空箱闸室侧墙混凝土温升温降很快，一般1～2 d即出现最高温度，侧墙部位早期温度拉应力较大，特别是侧墙外表面，混凝土抗裂安全系数明显偏低。

2) 对空箱结构外表面采取保温，是减小早期温度拉应力的有效手段。保温材料的种类和厚度一般需通过计算确定，也不宜过度保温。