港航水工胸墙大体积混凝土水化热控制研究

◎ 黄迪辉 江西省港航建设投资集团有限公司新干航电枢纽分公司

1.工程工况

案例是某前湾码头的7～8#泊位扩建工程，该工程所建的混凝土胸墙底高程为+2.0 0 m，顶高程为+5.25m，应用抗冻等级F300的C40标号混凝土。抛石基床上建立沉箱，沉箱上部续浇筑胸墙。沿码头方向，每隔40.00～50.00m设置一个载重5吨的系船柱。整个码头划分41个施工作业段，总长约620.00m。胸墙单段规格为15.12×6.75×3.25m，单段浇筑方量251.80m3，属于大体积浇筑混凝土构件。胸墙混凝土分为上下两层进行浇筑，第1次浇筑+3.30m，第2次浇筑到顶部。通过罐车将混凝土运输至现场，然后通过泵车泵送入模，最后采用人工分灰、捣振棒捣振、覆塑料膜保水养护等工艺完成，受到工艺影响，浇筑时间较长，对混凝土的质量要求非常严格。

2.混凝土入模温度

2.1 入模温度影响下的胸墙温度场状态分析

入模温度是指混凝土浇筑时的初始温度，受到日照、拌和水温度以及环境温度等多种因素的影响。提高入模温度不但会加速混凝土水化反应的速度，还会一定程度提高水化反应的初始温度。基于10、15、20、25、30℃的混凝土初始入模温度，通过有限元模拟计算，得到的胸墙中心测量点温度变化状态具体见表1[1]。

表1 胸墙中心测点不同入模温度下的温度峰值与到达时间

数据显示，随着混凝土入模温度的不断升高，达到最高温度的用时对应减少，最高温度和最大表面温差逐渐增大。因此可以看出，入模温度变化对胸墙温度场的影响极大。当入模温度从10℃升高至20℃时，第1层胸墙混凝土达到最高温度的时间提早2小时，最大表面温差增大了30.31%，最高温度上升了15.80%。第2层入模温度从10℃升高至20℃时，达到最高温度的时间也提前了2小时，最大表面温差增大了23.26%，最高温度上升了12.74%。当入模温度从10℃升高至30℃时，第1层混凝土达到最高温度的时间提前了4小时，最大表面温差增大了60.62%，最高温度上升了31.79%。第2层混凝土入模温度从10℃升高至30℃时，达到最高温度的时间同样提前了4小时，最大表面温差增大了38.67%，最高温度上升了26.28%。

2.2 胸墙大体积浇筑混凝土入模温度控制环节

水工大体积混凝土温度开裂控制规范，通常要求入模温度应控制在5～30℃之间。但在夏季高温等具体环境下，大体积混凝土浇筑可能会有较高入模温度，需要在下述环节控制入模温度。

1）虽然粗骨料的比热相对较低，但其组分占混凝土体积70～80%，发热量要占混凝土总发热量60.40%，所以控制粗骨料温度有必要，也是一种效率性选择。为了骨料的温度，应避免将砂石材料暴晒在阳光下，可以采用洒水降温和遮阳覆盖等措施。在混凝土拌合过程中，可以添加适量的冰水或冰屑来降低入模温度[2]。

2）应保证浇注过程的连续性，提前做好施工组织安排，协调相关部门配合，保障混凝土供应连续均匀，防止因为罐车候车时间太长而造成入模温度升高的情况。为最大保证混凝土浇筑连续性，每小时供应量不应少于50m3。同时应提前对运输罐车施以淋水降温等措施，控制和防止温度升高。

3）夏季白天的气温较高且日照强烈，水分蒸发量较大，而夜晚温度相对较低且变化幅度不大。为此应当合理安排作业计划，尽可能不在气温较高的时段特别是炎热的正午时分进行混凝土浇筑。

3.冷却水技术的胸墙温度场影响

为了防止和控制混凝土墙体出现裂缝问题，可以采用预埋冷却水管的方法降低混凝土的温度。冷却水管选用普通F25×2.50mm钢管，在混凝土墙体中心截面位置按照“弓”形方式分布两层，每层分别设有进出口。布置方式如图1所示。

3.1 水管间距的降温效果影响

基于0.50×1.50、1.00×1.50、1.50×1.50、2.00×1.50m的4种冷却水管间距条件下的胸墙中心测点温度时程曲线见图2。

图2 胸墙中心测点温度时程曲线

图2曲线显示，配置冷却水管可以有效地降低胸墙混凝土温度峰值。由于胸墙内设有冷却水管，除了可以通过浇筑材料自身向外散热，冷却水管也能带走相当一部分热量。冷却水管可以大大浇筑体的散热面积，显著降低温度峰值，并提高降温速度。冷却水管降温，这使胸墙第1层混凝土受第2层混凝土的温度和应力影响大幅降低。

表2数据显示，当采用0.50m的冷却水管水平间距时，相较于未布设冷却水管，胸墙第1层混凝土的温度峰值降低了9.78℃，内外温度差降低了17.92℃，其中最高温度峰值减少了15.81%；第2层胸墙混凝土的最高温度峰值减少了17.89℃，内外温度差分别减少了19.70℃，其中最高温度峰值减少了23.37%。这显示冷却水管采用0.50m间距，能够得到较佳的控温效果。当冷却水管采用1.00m的水平间距时，相较于未布设冷却水管，胸墙第1层混凝土的最高温度峰值发生了4.76℃的降低，内外温度差降低了11.02℃，其中最高温度峰值减少了7.70%；胸墙第2层混凝土的最高温度峰值减少了7.45℃，内外温度差降低了7.23℃，其中最高温度峰值减少了10.57%。冷却水管使用1.00m的水平间距可达到良好的控温效果。然而当冷却水管采用1.50m和2.00m的水平间距时，冷却水管的控温功效则相对较差，其温度峰值基本同于未设冷却水管的温度状态，表明水管间距超出一定范围时，则无法收到降温功效。

当使用0.50m的水平间距时，胸墙第1层混凝土所需的冷却水管相对理想长度为173.25m，第2层混凝土所需的冷却水管相对理想长度为128.80m。若采用1.00m的水平间距，则第1层混凝土所需的冷却水管相对理想长度为92.99m，第2层混凝土所需的冷却水管相对理想长度为70.00m。当使用1.50m的水平间距时，第1层混凝土所需的冷却水管相对理想长度为64.33m，第2层混凝土所需的冷却水管相对理想长度为49.00m。但若使用2.00m水平间距时，第1层混凝土所需的冷却水管相对理想长度为52.86m，第2层混凝土所需的冷却水管相对理想长度为40.60m。要注意的是，虽然加大冷却水管的间距可以减少管材的用量，但其冷却功效并不佳。若冷却水管间距过小，则不仅会增加管材用量，还会增加施工作业成本和难度。

3.2 进水温度的降温效果影响

为了研究冷却水管的进水温度对冷却效果的影响，分别选取10℃、15℃、20℃和25℃的进水温度条件进行模拟分析，所获得的不同进水温度下胸墙中心测点的温度时程变化曲线见图3[3]。

图3 不同进水温度下胸墙中心测点的温度时程变化曲线

图3在温度为10℃时，与没有冷却水管相比，第1层胸墙的温度峰值降低了4.92℃，降幅为7.95%；第2层胸墙的温度峰值降低了8.49℃，降幅为12.04%。在水温为15℃的情况下，第1层胸墙温度峰值降低了4.31℃，降幅为6.96%，第2层胸墙的温度峰值降低了7.63℃，降幅为10.57%。当水温为20℃时，第1层胸墙的温度峰值降低了3.06℃，降幅为4.95%，第2层胸墙最高温度峰值降低了6.79℃，降幅为9.62%。若采用进水温度为25℃，第1层胸墙最高温度峰值降低了3.71℃，降幅为5.99%，第2层胸墙最高温度峰值降低了5.92℃，降幅为8.40%。由此可知，越低的进水温度，越有助于提高降温效果。

4.结语

基于工程案例，以防范港航水工胸墙混凝土开裂为目标，梳理介绍了港航水工胸墙大体积混凝土水化热控制相关应用技术。具体包括：

（1）入模初始温度的升高，水化反应速度会对应提高，从而缩短达到初凝和终凝所需时间，形成和加剧胸墙混凝土表面开裂的工程隐患。

（2）有必要在下述环节控制入模温度。控制粗骨料温度；保证浇注过程的连续性；应当合理安排作业计划，尽可能不在气温较高的时段特别是炎热的正午时分进行混凝土浇筑。

（3）合理利用和配置冷却水管间距。案例采用1.00～1.50m的冷却水管水平向间距配置，垂向间距则采用中间层厚度进行布置。

（4）合理控制冷却管进水温度。一般情况下冷却管进水温度越低越有利于胸墙水化热的散失，但还要注意到较大的温度差，容易造成胸墙混凝土强度在紧邻冷却水管区域不均衡发展，引发温度裂隙或影响胸墙整体强度。案例工程泵取所在水域20℃左右的海水作为冷却水。