水利工程泵站混凝土防裂及温控设计研究

林世巍

(营口市水利勘测建筑设计院,辽宁 营口 115000)

0 引 言

在混凝土使用过程中,存在着许多技术上的困难[1]。其中,混凝土的裂缝问题是当前科研与施工所面临的最大难题。混凝土的材料性能会随着时间而变化,在浇筑完毕后,混凝土材料因其自身的拉伸强度较弱,如果受到温度应力、外力等影响,就会产生裂纹[2]。目前,混凝土结构中普遍存在着裂缝情况,结构中的裂缝将严重影响自身的服役寿命以及结构系统的稳定性[3],应根据施工项目的具体要求,采取相应的处理措施。

针对混凝土温度控制与防裂技术,许多学者进行了不断的摸索和研究。陈政[4]为了提高泵站大体积混凝土在运行周期内的应用质量,以某水利工程项目为例,对其泵站大体积混凝土的温控防裂技术进行了研究,结果表明,通过控制温度参数,可减少裂缝产生,提升泵站大体积混凝土的整体安全性能。张弢[5]针对混凝土浇筑早期易产生裂缝的问题,利用仿真计算,选取合理的温控措施及指标来指导施工,以规避泵站混凝土裂缝。本次研究主要针对水利工程泵站混凝土防裂及温控进行设计。

1 水利工程泵站混凝土的温控防裂

1.1 混凝土温度控制

在水利工程项目中,大体积混凝土结构施工的广泛运用,能够确保大体积混凝土结构在其运行全周期内更加可靠地运作。在混凝土早期裂缝形成过程中,温度应力的作用是最基本的原因,这一点已经得到理论和实践的证实。在混凝土中,由于水化热的影响,其内部和外部存在着较大温度差,这种温度差会引起内部和外部的不均匀收缩,而这些不规则的突变对混凝土本身产生较大冲击,进而引起内部和外部的开裂[6]。在初期阶段,混凝土会发生水化作用,水化热随着混凝土等级的增加而加剧。在混凝土初凝固阶段,温度荷载是重要的开裂因素。通过不断地优化混凝土养护措施,可降低裂缝现象发生的概率,延长建筑物的使用时间,提升规定范围内的最大承载能力。

针对当前水利工程泵站存在且影响较大的温度控制及防裂问题,需要积极从各方面采取对应措施,包括但不限于降低混凝土浇筑温度、注重混凝土表面养护、施工期观测等方面。此外,还应对砼施工程序及进度进行合理有序的安排,以规避表面有害裂缝产生[7]。同时,对原材料温度及其他参数进行控制,以降低混凝土的出机口温度。计算混凝土进入仓库的温度和浇灌温度,并严格控制混凝土的浇灌温度,提升混凝土进入仓库时的强度。尽量避免在高温时间打开仓库,采取合理措施,降低混凝土发生热交换的频率,计算混凝土水化热绝热温升和中心最高温度,减小混凝土内部和外部的温度差。

为了对泵室流道混凝土的最高温度进行有效控制,将混凝土的内外、基础温差进行有效降低,减小混凝土浇筑初期的水化热温升,改善施工阶段的温度场分布,提高泵室流道施工期间的温度场,预防和减小混凝土的表层开裂,采用通水冷却的方式来控制混凝土的温度。冷却通水的施工程序见图1。

图1 冷却通水施工工艺过程

由图1可知,在通水冷却过程中,主要分为初期、中期和后期冷却3个阶段。在正式上水降温前,必须检查管道情况,观察是否存在漏水、堵塞等情况;还要对温控量测设备的运行状态进行检测,并检查预埋件的安装进度及情况。当确认预埋件合格时,即可进行通水冷却。在3期通水冷却过程中,需要对各种不同情况进行监测和跟踪,包括不同的气温、浇筑温度等,构建温度-时间曲线,并展开核查和工作总结,以便于指导混凝土的温度控制[8]。

施工准备中,需要对冷却水管仓面等进行布置和管理,并保证冷却水管具有足够的储备量。初期通水冷却的目标是:①将浇筑层混凝土初期的水泥水化热温升降到最低;②将底板和流道的混凝土内外温差降到最低;③将中期通水冷却初期的混凝土温度降到最低,降低温度应力。冷却水管中的水源来自于地下水,并将温度控制在14℃。需要保证混凝土温度和水温之间存在差异,在初期冷却阶段的差异值不能超过25℃。在下料之前,先用水冲洗一下,也能降低管道被水泥压坏的几率。在混凝土中心建立最高气温的警报机制,根据现场实际温度检测数据,当混凝土温度升高太快时,如果混凝土的温度预期高于允许的设计值,应提前增加排水能力,通过采取降低出水温度等方法来控制水温[9]。

在首次通水冷却完毕后,应进行彻底的闷水测温,以判断对混凝土的降温效果是否满足设计要求。如果不能满足要求,则要持续进行水冷工作,直至达到设计要求。在有初期通水冷却的情况下,砼最高温度应被计算在通水冷却散热后混凝土的最高温度中,计算公式如下:

(1)

式中:Tm为混凝土新浇筑层的最高温度;Tp为新浇混凝土的浇筑温度;E1、E2分别为混凝土散热残留比;Tr为混凝土的水化热温升;X1为水管散热残留比。

在温度骤降或温度较低的季节,应及早采取表面防护措施。该方法既可减少砼表层温度梯度,又可减少内部温差,还可维持表层水分,避免裂缝产生。在混凝土表层防护方面,应根据混凝土表层防护的目标,采取相应的防护措施,既可起到防冻作用,又可起到防止裂缝作用[10]。一般而言,抗冻害是短暂性的,而抗裂害性则是长期性的。因此,在进行材料和结构保护时,需要对长短匹配进行把控。表面保护材料的放热系数表达式如下:

(2)

式中:δi第i层保护材料的厚度;λi为第i层保护材料的导热系数。

在浇筑混凝土时,要用棉毡和塑料布覆盖。炎热的季节里,保温措施为覆盖棉毡,利用混凝土对浇筑抹面之后,需要采取喷洒的方式对其进行养护。在严寒季节,为了保证砼不冻融,保持其正常的硬化状况,但混凝土将很快冷却并出现裂缝。针对混凝土的温度,将展开实时监控,为了保障混凝土温度控制的安全运行,还将建立提前预警系统,成立温控领导小组,并配备专门的温控团队,对受内外表面温差大影响的部位进行重点监测。

1.2 有限元数值模拟

研究拟采用MIDAS CIVIL软件,对混凝土收缩徐变等方面展开研究,构建大体积混凝土的三维有限元模型,并进行数值模拟。同时,对混凝土中水化热引起的温度场进行模拟和预测,以期对施工中可能遇到的问题进行预警,从而对不利的裂缝进行有效控制[11]。在计算之前,需要设定相关参数,具体内容见图2。

图2 计算假定参数内容

对图2中的相关参数进行设定后,对混凝土材料进行配合比,并计算绝热温升值情况和模型的边界条件。其中,大体积混凝土的最高温度由3个部分的热量组成,包括混凝土的浇筑和散热温度,以及通过水泥自身的水化热而产生的温度升高情况。如果混凝土上有模板或保温层,在计算过程中,使用绝热边界条件。同时,采用放热系数法,对模板和绝缘材料进行计算。考虑到混凝土表面使用保温材料来保湿、保温,应选取合适的表面保温材料[12]。在施工方面,还要考虑混凝土的入模温度与环境温度、运输时间等因素之间的关系,进而选取合适的入模温度。

以大体积混凝土为研究对象,分别进行了冷却水管布置前、冷却水管设计3种不同水平距离排水管道后的计算。通过数值模拟,研究了大体积混凝土在不同施工阶段内外温度场的分布规律和变化情况。通过对MIDAS CIVIL进行分析,得出的混凝土抗压强度发展方程与原材料公司给出的试验数据基本一致。

2 水利工程泵站混凝土防裂及温控分析

2.1 有限元数值模拟结果

本次研究计算的水利工程泵站混凝土结构长宽高分别为15、10、6m,对其进行切割划分有限元网络。混凝土强度等级为C30W4F100,排列的3种不同水平间隔分别从500至1 500 mm,以500mm为倍数递增以分为3组,并对3组进行计算及分析。对间距500、1 000、1 500mm的冷却水管布置情况进行仿真分析,并比较不同测点上的最高温度,结果见表1。

表1 不同测温轴线位置下的混凝土测点温度波峰及波峰出现时间

由表1可知,在靠近上部表面处,峰值出现的时间提前,后续冷却速率加快;在靠近下表面的地方,峰值出现的时间较晚,随后的冷却速度较慢。在大体积混凝土中,冷却水管的横向距离越短,降温的效果会更好。在施工过程中,采取设置冷却水管的方式,可以有效加速混凝土的降温。为了提高施工进度,放置好冷却水管,并将混凝土表面的养护提前拆除,以方便下一步的操作。当间距为500mm时,最大温度在结构长边边缘处48h出现,为56.9℃;在结构短边边缘处48h出现了最高温度,为58.7℃;在结构中心处48h出现了最高温度,为58.7℃。

2.2 泵站混凝土防裂及温控结果分析

对泵站的混凝土防裂及温控结果进行分析,在水利工程泵站中布置8组观测点,并为进水口先放置测点,以测得初始温度。然后在其他位置展开布控,分别为出水口、管道等位置,以获得整体混凝土的温度变化情况。选择与模型仿真相对应的几个测量点,构造短侧边芯和顶面(通道27、通道28)的温度数据,与外面的环境相比,在浇灌混凝土之前和之后,现场的监测工作持续120h。在整个过程中都保持有水,所测量到的核心与在结构中央的顶面测量点以及外界环境的温度变化曲线见图3。

图3 中心测点温度-时间变化图

因为浇筑混凝土是一天一夜的时间,所以外部环境的温度监测是在浇筑混凝土入模后开始,所以在5月1日下午2点之后,通道2的数据才会出现。由图3可知,通道37和通道38两个测点的变化趋势相同,且其变化受外部温度的影响很大;实测点的温度随时间的变化规律和数值计算的结果一致;芯部测点中央区域的最高温度为57.45℃。

对混凝土结构长边边缘温度测点的温度实测变化曲线进行分析,结果见图4。由图4可知,各测点在结构长边缘芯和上边缘处的变化趋势一致。结构长边边缘的芯部在当混凝土浇筑后第42-第48小时产生最高温度,为55.66℃,这个时间和数值计算的结果几乎没有差别。这是由于长侧有较大的散热区,再加上混凝土浇筑完成后,不断流动的水带走大量的热量,让室外的温度降至假设的21.5℃左右。

图4 结构长边边缘测点温度-时间曲线

对混凝土结构短边边缘测点的温度实测变化曲线进行分析,结果见图5。由图5可知,在混凝土浇筑后36～104h,其最大温度可达59.9℃。这是一种非常危险的情况,因为在混凝土中不断加热,很容易造成混凝土开裂。

图5 短边边缘测点温度-时间曲线

流道结构各测点混凝土温度场的特征数据果见表2。由表2可知,由于最大温度差出现的瞬间很短,所以流道混凝土结构内外温度差最大出现在结构短侧面的边缘上,此时混凝土尚未完全凝固,气温处于快速上升阶段,而且工程中也未发现大量的混凝土产生裂缝,由此可以推断内部和外部的温差符合控制温升的设计要求。

表2 流道结构中每一测点混凝土温度场的特性数据

3 结 论

为了有效控制混凝土的温度与裂缝,本文对混凝土的温度进行了计算与控制,并进行了有限元分析模拟。结果表明,在大体积混凝土中,冷却水管的横向距离越短,其降温效果越显著。在通水降温的实施过程中,利用冷却水管能够促进混凝土内部温度下降,实测点的温度随时间的变化规律与数值计算的结果一致。芯部测点中央区域的最高温度为57.45℃,结构长边边缘的芯部达到的最高温度为55.66℃。