某涵闸大体积混凝土施工温度控制措施研究

李金龙，张 松，李冬贺，李婷婷，史经攀

(1.江苏省苏水工程建设监理有限公司，江苏 扬州 225000；2.丰县水务局，江苏 徐州 221000)

在大体积混凝土浇筑施工过程中，不可避免出现混凝土温度升高的现象。当温度升高并超过一定范围时，混凝土施工质量将会明显下降，从而影响工程安全，造成不利影响[1-3]。因此，在大体积混凝土浇筑施工时需要采取合适的温度控制措施，以保证混凝土温度，提高混凝土浇筑质量。针对不同的混凝土施工环境条件，需要采取不同的温度控制措施，一般情况下，当外界环境温度较高时，冷水管是常用的降低混凝土温度的措施，影响冷水管降温效果的主要参数为水管间距、进水温度等[4-7]。董寨涵闸混凝土施工体量大，需要采取适宜的措施以保证混凝土施工质量，提高涵闸的安全性、耐久性。

1 工程概况

董寨涵闸位于南四湖湖西洼地东营子河桩号1+900，设计流量为45m3/s，建筑物级别为3级，设计排涝水位为36.41/36.26m，挡洪水位为38.27m，涵闸设计具有排涝、挡洪、蓄水及通航功能。涵闸设计为1孔12m开敞式水闸，闸底板顶高程为30.00m，闸室顶高程为42.00m，工作桥顶高程为50.40m。闸室顺水流方向长度为19.00m，垂直水流方向长15.60m。水闸上游侧设15.00m长0.7m厚钢筋混凝土铺盖，铺盖上游铺设20m长预制块砼护坡、现浇混凝土护底，两岸采用钢筋混凝土扶壁翼墙与现状河道相连，下游侧设15.0m长0.5m深钢筋混凝土消力池，消力池下游铺设30.0m长预制块砼护坡、现浇混凝土护底，两岸采用钢筋混凝土扶壁翼墙与现状河道相连。护坡、护底、格梗、台阶、排水沟、栏杆混凝土等级为C25，其余均为C30；闸墩和翼墙墙身抗冻等级为F100，其余为F50。

2 综合温控措施

影响混凝土施工温度的因素众多，包括混凝土配合比、混凝土运输方式、混凝土出机温度等。因此，为了提高混凝土施工温度控制效果，需要采取多种措施控制混凝土温度。

在混凝土拌和前，需要进行混凝土配合比试验，选取发热少、强度高的混凝土材料。在保证混凝土强度的条件下，减少水泥用量，降低水化热。在涵闸施工过程中针对温度要求较高的区域，可选择在每年11月至次年4月温度较低的时间进行，若必须在高温天气浇筑，则需要充分利用夜间低温时间施工。

拌和楼混凝土出机温度对混凝土浇筑施工影响也较大。保证混凝土细骨料含水率不超过6%。采用预冷方式处理混凝土骨料，混凝土拌和过程中采用冷水降低混凝土出机时的温度。混凝土拌和水的温度和预冷情况可结合当地实际气温进行调整。

混凝土运输过程中混凝土温度上升是不可忽略的。因此，优化混凝土运输方案，缩短混凝土从出机到浇筑的时间，减少混凝土倒运次数对缩小混凝土温度回升有重要影响。在场地内保证混凝土运输通道的通畅，高温季节运输混凝土时需要做好保温工作，必要时可搭设活动遮阳蓬、设置保温层以保证混凝土温度。

3 混凝土施工温度控制分析

3.1 混凝土结构温度场

水化热是混凝土浇筑过程中温度上升的主要因素，水化热是一个不断变化的过程。因此，混凝土内部的温度场也不是恒定不变的，它是一个动态变化的过程。假设混凝土浇筑施工的区域为R，则R范围内温度场满足以下关系：

(1)

式中，T—温度；a—导热系数；τ—时间；T0—混凝土初始温度；Tw—进水的温度；θ0—混凝土最终绝热温升；φ、ψ—与水管冷却效果有关的函数。

3.2 温度应力

温度应力主要是由温差造成的。在涵闸浇筑过程中，混凝土初始温度与已浇筑部分之间的稳定温度存在温差，这部分温差将造成混凝土内部出现温度应力，温度应力采用下式计算：

(2)

式中，Kp、R、α—应力松弛系数、基础约束系数、温度线膨胀系数；Ec—混凝土弹性模量；μ—泊松比；k—浇筑初期温升折减系数；B—水化热温度应力系数；Tf—水化热形成的温升；c—体积形变影响系数；ε0—初始应变。Tp—混凝土温度；Tx—计算温差幅度。

3.3 数值模拟模型建立及参数选取

3.3.1模型建立

建立数值模拟模型是常用的温度场分析方法，ANSYS是其中最为常用的数值模拟软件，建模简便、计算效率高，结果可靠，在工程应用、科学研究中积累了较多的成功应用的案例[8-10]。为了研究不同冷却管布置方式对董寨涵闸施工过程中混凝土温度控制的影响，按照2m×2m，2m×1m，1m×1m分别建立3种方案进行分析，研究不同方案下董寨涵闸的温度场及应力场。对比方案选取不通水方案，董寨涵闸混凝土浇筑完成后，继续通水10d，进水口冷水温度设置为10℃。冷水管布置方式如图1所示。

图1 冷水管布置方式

3.3.2计算参数选取

数值模拟计算参数见表1。

表1 计算参数取值

3.3.3混凝土徐变假定

混凝土徐变按下式计算：

C(t，τ)=(A1+A2/τα1)[1-e-k1(t-τ)]+

(B1+B2/τα2)[1-e-k2(t-τ)]+De-k3τ[1-e-k3(t-τ)]

(3)

式中，C—混凝土徐变程度；t-τ—持荷时间；k、A、B、D、α—徐变拟合的参数，见表2。

表2 混凝土徐变参数取值

3.4 数值模拟计算结果分析

3.4.1温度场变化特征

在涵闸浇筑过程中第三层的中心点和角点设置2个监测点JC1、JC2，根据监测点的监测数据分析涵闸内部温度场、应力场的变化情况。冷却管通水时间从开始浇筑混凝土开始至混凝土浇筑完成10d后停止。董寨涵闸施工过程中内部监测点JC1的温度变化过程如图2所示。

图2 监测点JC1温度变化特征

根据图2中监测点JC1的温度变化过程可以得知：涵闸浇筑过程中，内部温度均呈现先增大后减小的变化过程。当混凝土内部冷却管通水时，内部温度下降速率大，且冷却管密度越大，温度下降速率越大，最终的温度也越低。当涵闸内部温度处于较低水平时，内外温差较大可能导致混凝土结构出现裂缝。角点监测点温度变化结果与外部环境温度变化基本一致。

3.4.2应力场变化特征

混凝土结构应力场主要是为了分析混凝土浇筑完成后继续通水10d内的应力情况。

涵闸内部平行水流方向的应力变化情况如图3所示，从图中可知：混凝土浇筑完成后的5d内，涵闸内部的应力不断增大，之后应力减小。出现这一现象的主要原因如下：冷水管冷却降温，涵闸内部结构与外部环境之间的温度逐渐接近，上部混凝土施工浇筑导致内部结构压力增大，采用降温措施后，涵闸内部温度的降低缓解了内部应力较大的情况。

图3 监测点JC1应力变化曲线

涵闸表面平行水流方向的应力变化情况如图4所示，从图中可知：涵闸表面在施工过程中、施工完成后均表现为拉应力，出现这一现象的主要原因是涵闸内部和表面的温差较大，JC2拉应力变化曲线如图5所示，从图5中可知，采用1m×1m方式布置冷水管时，最大拉应力超过2.1MPa，超过混凝土抗拉强度值，可能导致涵闸表面出现裂缝，造成混凝土施工质量下降。

图4 监测点JC2应力变化曲线

图5 监测点JC2拉应力变化曲线

4 结论

(1)大体积混凝土浇筑需要结合施工场地环境条件采用适宜的措施，以控制混凝土内部温度，减小内外温差，保证混凝土施工质量。

(2)施工过程中采用冷水管降温具有良好的效果，在施工过程中需要控制冷水管间距，当间距过大时，温度控制效果较差；当间距过小时，可能导致混凝土内外温差大，表面出现裂缝。根据数值模拟结果，董寨涵闸冷水管采用2m×1m的布置方式，温度控制效果良好。