三个泉倒虹吸镇墩大体积混凝土温控措施研究及应用

1三个泉倒虹吸镇墩大体积混凝土温控与防裂措施研究及应用湖北水力发电编号2342王志臣（宜昌市葛洲坝工程监理总公司，湖北宜昌443002）摘要：本文根据北方特别严寒地区气候特点，通过对新疆三个泉倒虹吸镇墩大体积混凝土原材料控制、配合比优化、温度应力仿真计算后，综合采取“两掺一低”、加冰水、循环水冷却、XPS表面保温等综合措施对大体积混凝土实施温度控制，工程建成后通过两年多的运行检验，至今未见裂缝，表明温控效果明显。关键词：大体积混凝土温控防裂水工混凝土裂缝，大都属于温度裂缝，不仅会影响工程外观和正常运行，还可能影响工程安全、缩短工程寿命，因此温控防裂对水工混凝土施工极其重要。通过近百年的发展，国外温控防裂理论在二十世纪三、四十年代已基本解决，国内水利水电行业从五十年代中期开始，通过大量实践经验积累和理论研究，大体积混凝土温控防裂问题也已基本解决。但是国内外实际工程经验表明，混凝土温控防裂是一项涉及诸多方面和因素的系统工程，只有从工程实际出发，综合考虑地理位置、气候条件、环境特征等因素，因地制宜，从原材料、配合比设计、混凝土制备、运输、浇筑养护全过程进行严格、系统的控制，才能取得较好的效果。本文根据工程区气候条件恶劣，地理位置偏僻、昼夜温差大、气温骤降频繁、极端温度变化幅度大（达80℃）的特点，采用仿真计算等手段，综合考虑影响混凝土温控的多种不利因素制订了相应的混凝土温控措施，并采用了XPS等新型保温材料，取得了明显的工程效果。1工程概况三个泉倒虹吸工程位于新疆北部阿尔泰地区准葛尔盆地腹部，古尔班通古特沙漠的北缘，多年平均气温4.3℃，极端最高气温40.6℃，极端最低气温-41.7℃，属特别严寒气候条件。多年平均降水量111mm。最大冻土深度190cm，最大积雪深度23cm。工程区多年平均气温见表1。表1三个泉倒虹吸工程多年平均气温(℃)月份旬1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月上旬-14.7-15.5-5.86.015.125.227.027.623.313.43.7-14.0中旬-11.6-8.9-3.37.719.926.027.327.220.16.71.1-15.6下旬-17.4-9.05.714.524.426.724.825.816.39.2-4.6-15.7三个泉倒虹吸工程进口镇墩结构尺寸设计单孔20m×11m×23.9m，双孔20m×19m×23.9m，混凝土浇筑方量约10000m3，属大体积素混凝土结构，结构剖面2见图1。镇墩地基为泥岩，干密度1.87g/cm3，弹性模量为280MPa，泊松比0.3～0.4，热膨胀系数为1.0×10-5/℃，导温系数0.0015m2/h。：1.2：1.5倒虹吸0+190.00通气孔（钢管），壁厚8：1.75：1.75预制砼格梁护坡倒虹吸0+170.00三个泉倒虹吸进口镇墩纵剖面图单位：米：0.5：0.5预制砼格梁护坡钢制弯管道气管图1三个泉倒虹吸工程进口镇墩纵剖面图2不利因素分析影响大体积混凝土温控因素主要有混凝土绝热温升、混凝土浇筑温度、混凝土最高温度、内外温差、气温骤降等，本工程中极端气候条件及气温骤降频繁是温控考虑的最主要因素。1）气温年变化大，昼夜温差大，将使大体积混凝土结构内部产生大的温度应力；2）气温骤降频繁，在混凝土表面产生很大的降温幅度与梯度，受内部约束产生拉应力。3混凝土温控方案针对工程混凝土抗冻耐久性要求高(冬季最低气温达-40℃)，并考虑施工期高峰为当年7、8月份(高温季节，气温可达40℃左右)，结合设计要求、施工条件、工期安排等因素后，提出以下控制方案：（1）混凝土原材料选择1）通过对比分析，并借鉴其它工程经验，决定采用发热量低的中低热水泥，综合考虑环境水硫酸盐侵蚀性，优先考虑选择抗裂性能好的屯河牌42.5级高抗硫酸盐硅酸盐水泥，并积极与水泥供应厂商进行合作，要求调整水泥的矿物成份含量的比例（降低熟料中的C3A和C3S含量，提高C2S和C4AF含量，其中C4AF增量不超过20%），生产出低脆性、发热量低的粗磨水泥专供本工程使用。水泥品质检验结果见表2。3表2新疆屯河高抗硫硅酸盐水泥品质检验结果项目密度比表面积m2/kg安定性标准稠度(%)凝结时间（h：min）抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）初凝终凝3d28d3d28d42.5HSR3.09391合格252:253:5035.957.36.58.5GB748-1996HSR规定值-≥280合格-≥0:45≤10:00≥22≥52.5≥4.0≥7.02）采用缓凝减水型外加剂。一方面可以延缓水泥水化热发生速率，便于大体积散热，降低水化热温升，延缓混凝土内部水化峰值的发生时间；另一方面可以通过减少混凝土中的用水量以降低水泥用量，进一步降低水化热温升。本工程选用缓凝型高效减水剂RH-7，以降低水泥水化速率，从而降低混凝土绝热温升值。3）掺用优质粉煤灰。一方面可以利用粉煤灰水化热远低于水泥水化热的特性，显著降低胶凝材料水化热温升；另一方面也可以利用减水作用减少胶凝材料用量。本工程选用独山子牌优质I级粉煤灰。独山子粉煤灰品质检验结果见表3。表3独山子粉煤灰品质指标检验结果粉煤灰品种细度（%）烧失量（%）需水量比（%）三氧化硫（%）表观密度（g/cm3）颜色独山子4.33.7395.01.082.34深灰GB/T1596-91(I级)≤12≤5≤95≤1.08≤2.34----4）选用合理的骨料级配并尽可能采用较大粒径的粗骨料，以减少胶凝材料用量降低水化热温升。根据砂石料生产能力及供应情况，决定选用顶山料场的三级配骨料。（2）配合比优选根据结构设计要求及工程区的特点，要求混凝土耐久性高，并具有一定的抗硫酸盐侵蚀能力，抗冻等级要高。经过专家论证，提出三级配混凝土强度等级为C20、F300、抗渗W8，将粉煤灰最大掺量定为30%，强度保证率95%，概率系数1.65，标准差值δ=4.0MPa，28天施工保证抗压强度为26.6MPa，塌落度5~8cm。为了提高混凝土抗冻等级，需掺入一定量的AE引气剂，使含气量控制在4.5~5.5%之间，粉煤灰最大掺量不大于30%。按以上配合比指标，在初步确定用水量和砂率的情况下，三级配掺30%粉煤灰，水胶比分别为0.40、0.43、0.46的混凝土配合比见表4。表4混凝土配合比编号W/CFA%胶材用量砂率%外加剂掺量每立方米混凝土材料用量塌落度(cm)含气量(%)减水剂引气剂%WCFASGXj-40-200.4020260360.50.01810420852727.51298.15.55Xj-43-200.4320241.9360.50.017104193.548.4733.31308.76.05.34Xj-46-200.4620226.1360.50.018104180.945.2738.51317.85.55.3在满足抗压强度和冻融循环的情况下，尽量选取水泥用量少的配比，以期减少混凝土早期温升。水胶比为0.46的三级配C20混凝土试验结果见表5、表6。表5混凝土力学性能试验结果编号7d抗压强度(MPa)28d抗压强度(MPa)28d极限拉伸值(×10-6)28d轴拉弹模(Gpa)28d轴拉强度(MPa)28d抗压弹模(Gpa)28d泊松比Xj-46-2020.330.081.033.82.4331.60.16表6混凝土抗冻试验结果试件编号相对动弹性模数(%)/质量损失率(%)25次50次100次150次200次250次300次Xj-46-2095.1/0.13694.7/0.3993.6/0.9191.9/1.3590.8/1.9488.6/2.4987.2/3.14试验表明，选用的配合比满足设计及规范要求。同时对选用配合比的比热、导温系数和线膨胀系数进行测定，结果见表7。表7混凝土配合比的比热、导温系数和线形膨胀系数编号比热(KJ/kg℃)导温系数(m2/h)×10-3线膨胀系数(×10-6/℃)Xj-46-200.9314.179.98对选用配合比进行室内绝热温升测定，温升过程曲线见图2。混凝土绝热温升-历时测定结果01020304014710131619222528历时（天）温升（℃）混凝土绝热温升（℃）xj-46-20图2混凝土绝热温升过程曲线（3）施工措施1）选用合理的层厚和混凝土层间间歇期。计算和实测表明，层厚1.5～2.0m往往可以散发胶凝材料水化热的50%左右。为使这一顶面散热效果不因上层混凝土过早上升而丧失，从而导致第二个水化热高峰，应有一个合理的散热最短间歇期要求。本工程中选用层厚为5×1.5m（基础约束区），7×2.0m和1×2.4m（镇墩高度为23.9m）；混凝土层间间歇期为6天。2）埋设冷却水管。利用冷却水管内流通的制冷水带走大体积混凝土内部积聚的水泥水化热，也可起到削减浇筑层水化热温升的作用。本工程冷却水管间距为1.0m，垂直距离为层厚。混凝土浇筑时开始冷却，连续冷却20天。冷却水5用10℃水或低于10℃管道水。3）加强表面保温。气温骤降是引起大体积混凝土表面裂缝的主要原因，表面保护是减缓气温骤降最有效措施之一。本工程采用5cm厚XPS挤塑板永久保温，XPS全称挤塑聚苯乙烯泡沫塑料，具有优良的保温隔热和防水防潮性能，其主要特性见表8。表8XPS保温板物理特性表面密度(kg/m3)导热系数(W/m.k)吸水率(%)抗压强度(kPa)外形尺寸(mm×mm×mm)厚度偏差(mm)抗渗性50~60≤0.0291.0400~5001500×600×60±28h无渗水(0.1MPa)4）采用地垅取料及加冰水降低混凝土出机口温度。拌和楼骨料采用坑道预冷系统，可使骨料温度在高温季节保持在22～27℃，低温季节12～16℃。在坑道内设置强制冷却管网，由制冷机制4～7℃冷水送到坑道内，进行补助性强制冷却，确保骨料温度稳定。现场机械制冰难度及成本较高，利用冬季在距离进口建筑物约200m位置，加工一天然冰窖，分层、分块天然制冰20000m3，供高温季节施工使用。采用以上措施后，出机口温度能够满足≤18℃的要求。5）控制运输途中混凝土温度回升。经验表明，低温混凝土在高温季节（外界30℃左右）运输过程中温度回升受运距、混凝土生产率影响很大。由于本工程每仓浇筑方量不大（≤300m3），主要考虑运距对温度回升的影响。为了缩短运输距离，将拌和站建在镇墩左侧高程578.4m平台上，距离塔吊40m位置，塔吊吊罐入仓。6）控制仓面混凝土温度回升。混凝土经平仓、振捣到上坯层混凝土覆盖前的温度回升对浇筑温度的影响十分明显。三峡工程实践表明，混凝土入仓温度11℃、外界气温30℃时，经1、2、3h后的混凝土温度回升分别为2.3℃、4.2℃、5.5℃。因此本工程规定坯层间暴露时间≤1.5h，仓面采用保温被遮盖，并附以喷水雾等仓面保温措施以降低仓面温度回升。4温度徐变应力仿真分析在确定了混凝土温控方案等边界条件后，对镇墩结构进行了温度应力三维有限元仿真计算。最高温度和最大拉应力分布见图3和图4，计算结果统计见表9。表9三个泉进口镇墩混凝土温度应力仿真计算结果统计最高温度(℃)最大拉应力(MPa)镇墩内部镇墩表面管道周边281.71.82.7由图中可看出，混凝土最高温度为28℃，分别位于顶部和齿墙中；镇墩内部的最大拉应力为1.7MPa，结构表面的最大拉应力为1.8MPa，位于上游面中部、顶部和下游面折角处；管道周边的最大拉应力是2.7MPa。计算结果表明，除管道周边的拉应力外，进口镇墩绝大部分拉应力小于等于1.8MPa，可以满足混凝6土的抗裂要求。图3镇敦横剖面各点最高温度分布图（℃）图4镇墩横剖面各点最大应力分布（MPa）5实施效果镇墩混凝土从2004年9月开始浇筑，在9、10月内完成基础约束区范围(基面以上10m)混凝土浇筑，11月至2005年3月进行保护越冬，天气转暖后，从4月份开始浇筑，9月份完工。（1）镇墩混凝土温度观测结果及数据对比混凝土内外温差为不断变化的持续性温度荷载，在表面引起的应力一般表现为夏季压应力、冬季拉应力，最大拉应力发生在混凝土浇筑后第一个年头的冬季