寒區碾壓混凝土壩越冬保溫措施研究

姜 濤,李 寧,祝繼隆

(1、2.齊齊哈爾市水旱災害防御中心,黑龍江 齊齊哈爾 161300;3.黑龍江省中部引嫩工程和江東灌澇區管護中心,黑龍江 齊齊哈爾 161300)

0 引 言

對于混凝土結構來說,溫度控制與溫度應力是影響較大的兩個重要因素。常態混凝土壩由于水化過程釋放大量的水化熱導致其內外溫差過大,會出現表面開裂現象。特別是在寒區,冬季長期歇工與惡劣氣候條件,極易使得越冬時混凝土壩內外層、上下層均產生較大溫差,引起較大的拉應力,導致出現表面裂縫。碾壓混凝土壩相對來說水化熱升溫較低,但受寒區施工環境、方式與材料特性等因素綜合影響,同樣不能忽視溫度裂縫問題。因此,嚴寒地區寒潮期間,需要結合溫度驟降分布情況,采取碾壓混凝土壩越冬保溫措施,預防和減少表面裂縫產生,減輕經濟損失。

1 寒區碾壓混凝土壩裂縫

碾壓混凝土壩是指利用碾壓機在混凝土面層上均勻碾壓,實現大倉面施工,其中材料使用硬性超干無坍落混凝土,需保證振動壓實波傳遞至底層,均勻壓實,攤鋪混凝土厚度約為30cm。在配合比組分、成型條件、高摻量混凝側料方面,碾壓混凝土與普通混凝土差別顯著。寒區混凝土裂縫較多,氣溫驟降時,短期內混凝土無法發揮徐變作用,內外溫差大,增大了結構的溫度梯度,大幅度增加溫度應力。寒潮溫度降低時間一般不超過2～3d,對結構深度影響通常在1m以內,由溫度降低引發的混凝土裂縫多發生于表層,主要出現于收倉平面上,產生水平淺縫[1]。此外,寒潮來臨后,混凝土還可能產生深層裂縫,最深處斷面寬度是1/2～1/4。深層裂縫產生主要是由于內部溫度遠高于穩定溫度,同時受老混凝土約束、表面孔洞、混凝土結構不規則變形等多重因素影響,在環境溫度驟然降低等氣候條件下,表面裂縫逐漸發展成深層裂隙,影響結構物安全[2]。

2 寒區碾壓混凝土壩防裂方法

2.1 降低發熱量

碾壓混凝土施工時,為降低裂縫出現概率,重點在于水泥選用,要求選擇水熱化低與凝結時間長的型號,從源頭上降低溫度。因為產生的水化熱小,會使水泥強度發展緩慢,以此減少溫度差,避免表面開裂?？梢钥紤]減少水泥用量,配置時多添加粉煤灰,以消減水化熱峰值,避免泌水離析,優化材料和易性與黏性,使得后續振搗更為密實,需注意不同水泥品種,摻加粉煤灰數量也要隨之變化,最大可取代10%～30%水泥[3]。還可摻加高效減水劑,減少水泥與水用量,選用顆粒良好、粒徑較大的粗集料,控制用砂量,以免過多。同時,采用低流動性混凝土,在施工技術允許下,盡量使用低坍落度混凝土,精準控制水灰比。

2.2 降低澆筑溫度

碾壓壩施工過程中,要求施工人員選擇低溫環境的早晚時間澆筑施工,材料堆放至陰涼處,或是通過噴水將集料熱量冷卻。儲存水泥的罐子外部噴涂白色油漆,適當灑水冷卻。在拌和混凝土過程中,適當加入冰塊,降低入模溫度,以冰片替代部分水為常用方法,注意拌和結束前冰塊全部融化。運輸混凝土中,外界如果熱量較高也會對其造成影響,需要利用草簾、布條等覆蓋,或是直接淋水降溫,降低混凝土溫度。

2.3 分層分塊澆筑

在混凝土澆筑時,結構尺寸越大,其約束力也越強。對于平面尺寸較大的混凝土結構,可以采用分層分塊澆筑的方式。若將其分為多塊進行澆筑,可以減少約束力。分塊長度與分層厚度,需根據現場施工條件、混凝土尺寸、工期等因素來確定,以免分塊過長,或是分層過厚,不利于釋放混凝土內部溫度,增加混凝土束縛[4]。同時,還要結合混凝土要求,控制結構厚度不超過3m。整體寬度或平面連續澆筑時,厚度與多層混凝土相同,在一層混凝土初凝前,進行二層澆筑;利用振動壓力,確保上下兩層混凝土構成整體,逐層碾壓壓實,完成整體澆筑。具體分層方式包括分段、斜面及全面分層等。

2.4 埋設冷卻水管

碾壓混凝土內部可以設置管網,利用流動循環的冷水,降低混凝土溫度。

2.5 安排施工進度

混凝土施工中,有序安排施工進度與操作程序是減少表面裂縫、避免出現基礎貫穿裂縫的重要措施。

2.6 表面保濕保溫

碾壓混凝土為避免開裂,重點在于盡可能減少新澆混凝土水分喪失,控制內外溫差在25℃以內。如果表面水分蒸發速度較快,或降低溫度幅度較大,均易引發混凝土出現表面開裂現象,進而導致裂縫向內延伸。因此,碾壓混凝土需長期保濕保溫,令表面緩慢干燥,以此提高混凝土強度,抵抗開裂拉應力。養護方法包括覆蓋灑水和蓄水養護等,時間需超過14d。

3 寒區碾壓混凝土壩保溫材料選擇

寒區碾壓混凝土壩保溫中,選擇恰當保溫材料對防裂具有重要作用,要兼具保濕、保溫、養護功能。常用保溫材料如下:

3.1 珍珠巖發泡材料

該材料常用于20世紀,為傳統大壩保溫材料。鑒于普通珍珠巖吸水后容易膨脹開裂,研發出了?；⒅殚]孔型珍珠巖與閉孔珍珠巖,通過封閉珍珠巖氣孔,可增加珍珠巖吸水率,提高材料強度。珍珠巖由礦物纖維與珍珠巖加水性結合劑生產而成,適應性好、環境危害小,礦物原料能夠自然消解,理化性能見表1。

表1 珍珠巖理化性能

3.2 聚苯乙烯泡沫板

該材料有連續擠出型聚苯乙烯與膨脹性聚苯乙烯,前者保溫效果更好,呈現閉孔蜂窩的完美結構,不會出現裂縫,導熱率低、吸水性強,抗壓與抗老化性能高,是常用保溫材料。連續擠出型聚苯乙烯密度≥40kg·(m3)-1,耐火度B3,壓縮強度≥0.25,體積吸水率≤1.0%,吸濕率3.9%,導熱系數0.03W/m·k。連續擠出型聚苯乙烯能夠阻止熱傳導,板材強度大、自身較為輕便,長期浸泡于水中,也不會吸水變形,抗沖擊性強、不易分解,壽命長達30～40a[5]。但是材料強度過高,板材容易脆裂,不透氣,導致內外結構溫差大。膨脹性聚苯乙烯為避免材料吸水,通常表面會涂抹丙烯酸水泥漿,外觀呈灰色,如果塊狀體保溫板黏結,將會產生裂隙,特別是寒區,容易受冰凍與熱脹冷縮影響[6-8]。

3.3 聚氨酯材料

該材料為常見保濕保溫材料,由于水電工程復雜,對材料要求較為嚴格,在受熱或受冷條件下,聚氨酯體積會產生變化。而尺寸改變與材料密度、結構、環境有關,其密度是29～65kg·(m3)-1,耐燃性<2s,壓縮強度≥0.17MPa,體積吸水率2%～5%,穩定性<2.0%,導熱系數≤0.02W/m·k。聚氨酯泡沫與混凝土黏結效果好,兼具保濕、防水、吸振、保溫、隔音等功能,對環境危害小、耐撞擊性強,使用后期保溫板會呈現顏色變化。寒區由于晝夜溫差大、氣候變化大,為減輕溫度應力,通常壩面上下游會噴涂聚氨酯涂層,實現長期保溫[9-11]。

4 案例分析

某碾壓混凝土壩處于寒區,多年氣溫實測資料,平均氣溫是4.9℃,冬季氣溫最低-37.0℃,極端溫差是79.5℃。由于氣候條件嚴寒,每年11月～次年3月停工越冬,面臨倉面長期蓋被、間歇、揭被等問題,處理不當會造成混凝土開裂。該工程是Ⅰ等大(1)型工程,主體使用碾壓混凝土,壩高最大是94.5m,以往越冬保溫采取橡塑海綿保溫被,上下均用三防布防潮、防風。采取聚氨酯保溫材料,利用個材料層間黏結性、韌性,結合保溫層尺寸分縫,做到分塊防護,釋放內應力。根據實際施工進度,仿真溢流壩段,采取有限元法,結合不同等效放熱系數,計算越冬層面安全系數、最大應力、保溫材料等。為獲取有效數據,通過埋設在壩體的溫度計,進行測量降雪保溫相關數據。在現場布置溫度傳感器,首層厚度取0.5m,將1個溫度傳感器設置在混凝土與雪層之間,進行測量。設置測控時間,每30min進行一次實時自動測量。通過實驗獲取的數據分析來看,降雪后最低覆蓋溫度達到-2.75℃,此時環境氣溫約-26℃,溫差值為23.25℃,實驗結果表明,降雪有一定保溫效果。詳細數據見表2,雪層厚度0.5m時,保溫材料厚度為30cm,橡膠海綿保溫被上覆蓋厚0.5m雪保溫,安全系數是1.65,最大應力1.78MPa。

表2 不同放熱系數時安全系數、最大應力、保溫材料厚度

綜合表2數據分析可知,相同保溫材料能夠節省36cm厚度,每層保溫厚度為2cm,則可節省18層保溫被。所以,寒區越冬保溫時,適當利用寒區降雪與保溫材料,能夠節省材料支出,經濟適用。通過此種方法,可以預防保溫層脫落開裂,有效長期的防護混凝土壩。

5 結 論

為解決寒區碾壓混凝土早期被凍、裂縫、溫差控制等問題,需提前做好其越冬保溫工作。文章以寒區碾壓混凝土壩為例,分析了碾壓混凝土壩施工過程中常應用的降低發熱量、降低澆筑溫度、分層分塊澆筑、埋設冷卻水管、安排施工進度、表面保濕保溫等防裂方法,提出了適合寒區碾壓混凝土壩的越冬保溫措施,并進行了相關案例分析,以期為寒區工程建設等工作提供參考借鑒。