浮山縣臣南河水庫(kù)進(jìn)水塔大體積混凝土溫度控制措施淺談

宋 偉

（臨汾市水利機(jī)械工程局，山西 臨汾 041000）

1 工程概況

臣南河水庫(kù)位于浮山縣城北5 km 處的丞相河村東南河上，是一座以調(diào)蓄浮山供水工程和流域內(nèi)地表水，為農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水的小（一）型水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容538.56 萬(wàn)m3。進(jìn)水塔基礎(chǔ)混凝土設(shè)計(jì)高程為685.8 m～688.5 m，厚2.7 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C25F200W4，混凝土土方量約為1 070 m3。進(jìn)水塔基礎(chǔ)分上下兩部分：下部為尺寸22 m×18 m×1.7 m（長(zhǎng)×寬×高）的矩形體形狀；上部為長(zhǎng)22 m，寬18.5 m～13.5 m，高1 m，由大斷面漸變?yōu)樾嗝娴臐u變體。依據(jù)混凝土澆筑計(jì)劃，進(jìn)水塔基礎(chǔ)澆筑時(shí)間安排在5 月，臣南河水庫(kù)的夏季最高氣溫為37℃，最低氣溫為13℃，平均氣溫20℃。

2 混凝土裂縫及成因

在一些氣溫變化劇烈的地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)體的表面和內(nèi)部容易產(chǎn)生溫度裂縫。大體積混凝土在澆筑完成后，開始進(jìn)行水化反應(yīng)，在硬化后的3～7 d 內(nèi)反應(yīng)最為劇烈，溫升也最為顯著，這樣就會(huì)使大量的水化熱集中在混凝土內(nèi)部，不能及時(shí)散出；但是混凝土內(nèi)外散熱的速率不同，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部和外部的溫差受氣溫的影響會(huì)越來(lái)越大，混凝土外表產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫。

3 預(yù)埋冷卻水管降溫措施

3.1 預(yù)埋循環(huán)水管道降溫原理

進(jìn)水塔基礎(chǔ)大體積混凝土施工的過(guò)程中，架設(shè)鋼筋網(wǎng)架時(shí)分層鋪設(shè)冷卻管道，待混凝土凝固之后，開始在管路內(nèi)部通水，進(jìn)行循環(huán)降溫，在混凝土內(nèi)部埋設(shè)的管路具有一定的熱量傳遞性能，將混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至管路內(nèi)部循環(huán)水中，在內(nèi)部升溫水循環(huán)一次后進(jìn)行排放或者進(jìn)入蓄水池，重新抽取地下水或蓄水池內(nèi)部低溫水進(jìn)入管路內(nèi)部循環(huán)。通過(guò)對(duì)大體積混凝土產(chǎn)生的熱量進(jìn)行理論計(jì)算，預(yù)估控制溫升需要達(dá)到的具體參數(shù)，計(jì)算溫升數(shù)據(jù)及降溫速度鋪設(shè)循環(huán)水管道的鋪設(shè)方式及管徑。

3.2 溫升數(shù)據(jù)計(jì)算

3.2.1 混凝土最大絕熱溫升

在計(jì)算大體積絕熱溫升時(shí)，以混凝土結(jié)構(gòu)物處于絕對(duì)真空狀態(tài)下，不會(huì)向周圍傳輸任何熱量或損失任何熱量，在混凝土內(nèi)部，水泥水化產(chǎn)生的全部熱量都會(huì)保存在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，其理想狀態(tài)下最后絕熱溫升采用如下計(jì)算公式：

T′max=mcQ/Cρ

式中：T′max——混凝與最大水化熱溫升值，即最終溫升值；

mc——單位立方米混凝土中水泥的使用量，根據(jù)試驗(yàn)室提供的配合比取341 kg/m3；

Q——水泥水化熱總量，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目部試驗(yàn)室對(duì)P.O 42.5 水泥進(jìn)行溫升試驗(yàn)，項(xiàng)目所使用水泥在第7 d 的發(fā)熱量達(dá)到354 KJ/kg；

C——混凝土比熱，取0.96；

ρ——混凝土的質(zhì)量密度，取2 400（kg/m3）；

根據(jù)相關(guān)資料和在之前項(xiàng)目測(cè)量混凝土溫升數(shù)據(jù)可得，混凝土凝結(jié)硬化絕熱升溫在澆筑完成后3～7 d 內(nèi)最為劇烈，Q 值取354 KJ/kg，則：

T′max=341×354/（0.96×2 400）=52.39℃

根據(jù)大氣及材料溫度確定混凝土在入倉(cāng)時(shí)溫度為21℃，則結(jié)構(gòu)物內(nèi)部溫度按下式進(jìn)行計(jì)算：Tmax=T0+T′max=21+52.39=73.39℃

表1 進(jìn)水塔混凝土配合比 單位：kg

3.2.2 內(nèi)外溫差最大值

混凝土的內(nèi)外溫差最大值采用下式進(jìn)行計(jì)算：

ΔT=Tmax（t）-Tb（t）

其中：Tb（t）為混凝土在齡期t 時(shí)的表面溫度，根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，在項(xiàng)目進(jìn)度橫道圖顯示混凝土施工期為5 月，在該月份大氣平均氣溫在20℃，通過(guò)保溫保濕的表層養(yǎng)護(hù)，可以將混凝土的表層溫度控制在20℃。

ΔT=Tmax（t）-Tb（t）=73.39-20=53.39℃

3.3 循環(huán)冷卻水管的布設(shè)與安置

3.3.1 管道冷卻效率驗(yàn)算

經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行熱量計(jì)算和分析，確定泵體采用ISG 40-200 型水泵，水泵的流量為50 m3/h，揚(yáng)程為50 m，循環(huán)管路布置安排如下，在墊層上0.485 m（686.262 m）處，18 根21 m 長(zhǎng)Φ48 薄壁主管；在墊層上1.35 m（687.132 m）處，18 根21 m 長(zhǎng)Φ48 薄壁主管；在墊層上2.22 m（687.132 m）處，15 根21 m 長(zhǎng)Φ48 主管。

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算過(guò)程可知，管道內(nèi)部循環(huán)水在水泵泵水的作用下，管道內(nèi)部所有水經(jīng)過(guò)單次循環(huán)的時(shí)間為：

T=（3.14×0.048×0.048/4）×（18×21+18×21+15×21）/50×3 600=139 s

3.3.2 管路單次循環(huán)所需水容量

該施工部位高度為2.7 m，根據(jù)上述三層管道布置方式，對(duì)水管內(nèi)水容量進(jìn)行如下計(jì)算：

23 m 管道中水的體積：

Q=（πr）=3.14×0.020 52×23=0.030 4 m3

23 m 管道中水的質(zhì)量：

M1=ρQ=1.0×103×0.030 4=30.4 kg

式中：ρ——水的密度，取1.0×103kg/m3。

3.3.3 管路水單次循環(huán)導(dǎo)熱總量

Q吸=C1M1Δt1

式中：C1——水的比熱容為4.2×103J/kg·℃—水的質(zhì)量，kg；

M1——管道中介質(zhì)質(zhì)量，kg；

Δt1——循環(huán)水溫的變化速度，根據(jù)實(shí)測(cè)抽取水的溫度為10℃，根據(jù)3.2.1 公式計(jì)算混凝土內(nèi)部可以達(dá)到73.39℃，根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496-2009 規(guī)定里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）不宜大于25℃。

Q吸=C1M1Δt1=4.2×103×30.4×（73.39-10）=8.09×106J

3.3.4 管路可冷卻混凝土質(zhì)量M2

Φ48 mm 鋼管可以作用的范圍在其直徑范圍內(nèi)480 mm，由此可以計(jì)算出可以進(jìn)行降溫冷卻的體積為：

V=21×3.14×0.482=15.19 m3

M2=ρV

式中：ρ——混凝土密度，取2 400 kg/m3。

根據(jù)上式，M2=2 400×15.19=3.65×104kg。

3.3.5 溫度下降速度計(jì)算

絕熱狀態(tài)下理想熱量平衡公式：

Q吸=Q放=C2M2Δt2

式中：C2——混凝土比熱容，取0.96×103J/kg·℃。

Δt2=Q吸/C2M2=8.09×106/（0.96×103×3.65×104）=0.231℃。

根據(jù)以上公式計(jì)算所得：管道中水在循環(huán)泵的壓力下，在混凝土體內(nèi)部所有預(yù)先埋設(shè)管道內(nèi)部中139 s可以進(jìn)行單次循環(huán)。

根據(jù)熱量公式計(jì)算，降溫速率為5.98℃。

根據(jù)上式對(duì)溫度降溫速率的計(jì)算，要將混凝土里表溫差控制在25℃以內(nèi)時(shí)，經(jīng)過(guò)8.09 h 可以將溫度降至25℃以內(nèi)。水泥的水化放熱的熱量高峰期在3～7 d，通過(guò)上述計(jì)算，可以得知混凝土內(nèi)的峰值熱量可以在不超過(guò)14 h 內(nèi)將其帶出。

循環(huán)水池內(nèi)循環(huán)水在自然散熱的情況下6 h 內(nèi)將其恢復(fù)為10℃，循環(huán)水池內(nèi)水容量則按下式進(jìn)行計(jì)算：（3.14×0.048×0.048/4）×（18×21+18×21+15×21）×6=11.62 m3

3.4 冷卻水管安裝

本次施工降溫使用Φ48 mm 的薄壁鋼管，水管布置方式采用水平分層布置，在進(jìn)水塔基礎(chǔ)中分三層根據(jù)冷卻范圍不同分層布置，具體要求是：第一層在墊層上0.485 m 處，第二層在第一層上0.87 m 處，第三層在第二層上0.87 m 處；同層間距約為1.0 m，距兩側(cè)側(cè)面0.48 m。在進(jìn)水塔基礎(chǔ)2 m 外地下水位處設(shè)置供水和回水系統(tǒng)，以及循環(huán)水池，將低溫滲水進(jìn)入蓄水池，保證24 h 供水不間斷，在內(nèi)部循環(huán)出來(lái)的水可以循環(huán)利用。

3.5 澆筑后溫度變化監(jiān)測(cè)

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中要將測(cè)溫管埋設(shè)在混凝土當(dāng)中，測(cè)溫管在安裝時(shí)要保證安裝質(zhì)量，并做好保護(hù)措施，防止混凝土在入倉(cāng)或振搗過(guò)程中將測(cè)溫管撞擊出現(xiàn)偏離和在振搗中觸碰將其損壞現(xiàn)象，導(dǎo)致測(cè)溫管無(wú)法正常使用。

混凝土內(nèi)部安裝9 個(gè)測(cè)溫組，在一組測(cè)溫點(diǎn)內(nèi)將溫度感應(yīng)器按上中下方式進(jìn)行布置，在上層的測(cè)溫點(diǎn)將其安裝在從混凝土表面向下10 cm 的位置，第二根在中間位置，第三根在混凝土下表面上20 cm。在測(cè)溫管的外側(cè)用防水帶做識(shí)別標(biāo)志，將不同位置的測(cè)溫管進(jìn)行區(qū)分，防止將不同位置的溫度變化數(shù)據(jù)記錄錯(cuò)誤。

在將測(cè)溫管安裝和安置好之后，質(zhì)檢部門工作人員對(duì)測(cè)量的溫度數(shù)據(jù)要定時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，防止有個(gè)溫度感應(yīng)器損壞不能及時(shí)傳輸回?cái)?shù)據(jù)。在進(jìn)行降溫的過(guò)程中，如果現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)人員根據(jù)對(duì)比內(nèi)外溫度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)兩者之間的溫差超過(guò)25℃，要向項(xiàng)目質(zhì)檢部門負(fù)責(zé)人和項(xiàng)目總工及時(shí)匯報(bào)，對(duì)出現(xiàn)超過(guò)規(guī)范要求的情況分析原因，并及時(shí)處理，將循環(huán)水的速度和水的溫度及時(shí)調(diào)整，防止出現(xiàn)溫度應(yīng)力裂縫。

3.6 管道內(nèi)部壓漿

在冷卻系統(tǒng)建設(shè)完成后，先進(jìn)行三周通水冷卻，在混凝土發(fā)熱量最大的3～15 d 強(qiáng)化冷卻，帶走混凝土內(nèi)部大量熱量后，保證內(nèi)部平均溫度降至40℃即可減緩?fù)ㄋh(huán)速度，如果因上部施工需求，可以停止通水，對(duì)內(nèi)部管路進(jìn)行灌漿封堵。

根據(jù)灌漿實(shí)施方案，綜合考慮水泥的品種和經(jīng)濟(jì)因素，使用侯馬中條水泥廠生產(chǎn)的425 級(jí)普硅水泥，灌漿的水灰比為0.5∶1，使用的漿液為純水泥漿液，漿液制備采用GZL600L 高速制漿機(jī)，壓漿機(jī)型號(hào)SHZ-980 W，漿液制備和壓漿的時(shí)間不得超過(guò)30 min，水泥漿液的抗壓強(qiáng)度要大于進(jìn)水塔基礎(chǔ)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。壓漿采用的施工工藝與壓力波紋管相同，在施工過(guò)程中必須要保持注漿的持續(xù)性和連貫性，嚴(yán)禁出現(xiàn)注漿中斷狀況，出現(xiàn)漿液凝固堵塞管道現(xiàn)象。

在漿液打壓之前要先將內(nèi)部的存水和雜物清理干凈，將注漿管與基礎(chǔ)內(nèi)部?jī)?nèi)部管路借號(hào)，檢查其密封性，確保在注漿時(shí)不會(huì)發(fā)生跑冒滴漏現(xiàn)象。并在注漿機(jī)的進(jìn)出口各安裝一個(gè)壓力閥門，在壓漿的過(guò)程中漿液的壓力宜控制到0.5～0.6 MPa 之間。將漿液在管道內(nèi)部當(dāng)中進(jìn)行循環(huán)，確保出漿口的濃度達(dá)到進(jìn)漿口的濃度，在達(dá)到技術(shù)要求時(shí)要關(guān)閉閥門，保障管道內(nèi)部的壓力，將管道內(nèi)部壓力維持在0.5 MPa，穩(wěn)壓期的時(shí)間在3～5 min，壓漿最大壓力不超過(guò)0.6 MPa。在施工過(guò)程中，要將在運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)和資料記錄清楚，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)整個(gè)過(guò)程要進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，保證注入漿液的密實(shí)度。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)進(jìn)水塔基礎(chǔ)大體積混凝土在澆筑完成后采取冷卻水管降溫后的實(shí)際溫度曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，混凝土內(nèi)外最大溫差為23.7℃，在澆筑完成后30 d，對(duì)混凝土表面進(jìn)行觀察，對(duì)混凝土內(nèi)部進(jìn)行彈性波勘探，未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生裂縫，符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，對(duì)混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生進(jìn)行了有效的控制，保證了工程的安全性和耐久性，并且有效降低了混凝土的綜合養(yǎng)護(hù)成本，達(dá)到了預(yù)期效果。