田 斌 杜 彬， 張 磊 樂 陽

(1. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2. 宜昌天宇科技有限公司，湖北 宜昌 443002)

隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，高壩建設(shè)中混凝土壩不斷涌現(xiàn)，在混凝土高壩建設(shè)不斷發(fā)展的同時(shí)，混凝土壩“無壩不裂”問題也備受學(xué)術(shù)界和工程界高度關(guān)注．對于混凝土壩這類大體體積混凝土結(jié)構(gòu)而言，在復(fù)雜的服役環(huán)境下大壩混凝土的性能從退化直到壽命終止均與混凝土開裂密切相關(guān)，因此，控制溫度、防止開裂是基本要求．大壩混凝土在施工期及運(yùn)行期的裂縫對其結(jié)構(gòu)安全性及服役壽命影響顯著，對大壩混凝土進(jìn)行溫控防裂及相對恒溫恒濕及保護(hù)[1-4]成為人們普遍關(guān)心的熱點(diǎn)問題．大壩混凝土結(jié)構(gòu)開裂大多是由非荷載因素引起的，即大壩混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)濕度分布、擴(kuò)散及變化以及溫度變化引起的混凝土體積膨脹或收縮受到約束而導(dǎo)致其中拉應(yīng)力過大所致[5]．

大壩混凝土在澆筑初期壩體內(nèi)會由于水泥的水化反應(yīng)產(chǎn)生大量的水化熱而使壩體內(nèi)部溫度快速上升[6]．大壩表面附近的混凝土散熱快，溫度下降也快，而由于混凝土的不良導(dǎo)熱特性致使壩體內(nèi)部積聚的熱量不易散發(fā)，壩體內(nèi)部混凝土與壩體表面及壩基之間存在一定的溫度梯度，進(jìn)而形成溫度應(yīng)力而產(chǎn)生表面裂縫，有時(shí)可能發(fā)展成為深層裂縫和貫穿裂縫[7]，給大壩結(jié)構(gòu)安全埋下隱患．因此，大壩溫控防裂的關(guān)鍵是降低大壩混凝土內(nèi)外溫度梯度，將溫度應(yīng)力調(diào)整至可控范圍內(nèi)[8]．同時(shí)混凝土因濕度變化與擴(kuò)散產(chǎn)生的應(yīng)力也是導(dǎo)致混凝土開裂的不可忽視的重要因素．且在混凝土內(nèi)濕度、溫度、應(yīng)力等幾種因素耦合作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中承受的應(yīng)力更大，更容易導(dǎo)致壩體裂縫的產(chǎn)生[9-10]．

目前水工大體積混凝土溫度控制的手段主要為降低混凝土澆筑溫度、水管冷卻降溫和表面保溫．水管冷卻降溫是采用在壩體內(nèi)埋設(shè)水平方向的冷卻水管，通過冷卻水管中流動(dòng)的低溫水帶走壩體混凝土水化過程中的水化熱，從而降低大壩混凝土的溫度[11]．通水冷卻的降溫方式對控制大壩施工初期混凝土水化熱溫升作用顯著，但大壩混凝土在水泥水化反應(yīng)結(jié)束后，將長期處于外界環(huán)境氣溫和水庫水溫周期變化的影響下，壩體混凝土由此形成的內(nèi)外溫差的有效控制是防止壩體開裂的關(guān)鍵因素[12]．大壩混凝土的表面保溫是針對外界環(huán)境溫度的復(fù)雜變化給大壩混凝土帶來的不利溫差影響的重要措施，特別是對于在嚴(yán)寒地區(qū)的混凝土壩裂縫防止，混凝土表面保溫措施是十分有效的．該方法通常是在混凝土壩體表面覆蓋一層隔熱性能良好的保溫材料，將壩體與外界環(huán)境相對隔絕，防止環(huán)境溫度的急劇變化對壩體尤其是壩體近表層混凝土產(chǎn)生過大溫度梯度[14-17]．但是該方法的不足之處是在大壩混凝土澆筑初期和夏季高溫季節(jié)反而不利于溫度的散發(fā)，故而該方法主要用于寒冷地區(qū)大壩混凝土的冬季保溫．上述大壩混凝土溫控防裂的方法均出自被動(dòng)防御的思路，主要針對施工期大壩混凝土的溫控防裂問題，對于在蓄水運(yùn)行期大壩混凝土如何適應(yīng)環(huán)境溫度的變化顯得作用有限．

針對目前大壩混凝土溫控防裂方案不能長期精確地調(diào)節(jié)大壩混凝土由于環(huán)境溫度變化引起的溫度梯度過大造成的大壩裂縫的問題，本文提出將混凝土內(nèi)部溫度雙向調(diào)控和表面防護(hù)手段有機(jī)結(jié)合，探究一種能依據(jù)環(huán)境溫度變化智能調(diào)控大體積混凝土內(nèi)外溫度梯度的方法，從而實(shí)現(xiàn)大體積混凝土內(nèi)部溫度精細(xì)化調(diào)節(jié)，使內(nèi)外溫度達(dá)到與環(huán)境溫度變化協(xié)調(diào)，從而有效防止混凝土表面裂縫．本文通過室內(nèi)大尺寸混凝土試件模擬大壩混凝土實(shí)際施工過程，在大尺寸混凝土試件內(nèi)近豎向邊界區(qū)域埋設(shè)豎向溫度補(bǔ)償管道并與溫度補(bǔ)償設(shè)備連接，通過溫度補(bǔ)償設(shè)備對溫度補(bǔ)償管道內(nèi)水進(jìn)行降溫或升溫控制來實(shí)現(xiàn)對混凝土試件的降溫或升溫控制，溫度補(bǔ)償設(shè)備可控制通水的調(diào)溫范圍、升溫或降溫速率，從而實(shí)現(xiàn)對混凝土試件溫度的職能調(diào)控．

1 試驗(yàn)過程

1.1 試件制作

試驗(yàn)采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥；摻合料采用F類粉煤灰；細(xì)骨料采用具有良好級配的河砂，細(xì)度模數(shù)2.4；粗骨料采用三峽下岸溪沙石；外加劑采用HH-6型減水劑；水為自水．用于試驗(yàn)的試件采用三峽大壩水位變化區(qū)混凝土級配．試件混凝土配合比設(shè)計(jì)見表1．

部分試件表面選用聚氨酯泡沫保護(hù)層進(jìn)行保護(hù)．聚氨酯泡沫具有外形美觀、保溫隔熱及保濕性能優(yōu)良、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)，其保溫隔熱及保濕性能不因氣候影響發(fā)生較大的波動(dòng)，在工程中有較廣泛的應(yīng)用．其主要理化性能見表2．

表1 試驗(yàn)試件混凝土配合比

表2 聚氨酯保溫保濕材料的主要理化性能

在室內(nèi)制作3個(gè)尺寸為1 300 mm×1 200 mm×1 200 mm(長×寬×高)的大體積混凝土試件，試件編號依次1號、2號、3號，并且對1號2號試件進(jìn)行了噴涂聚氨酯硬質(zhì)泡沫保護(hù)，其中1號試件除底面外5個(gè)表面全部噴涂聚氨酯硬質(zhì)泡沫保護(hù)層，2號試件僅在臨近溫度補(bǔ)償管道的一個(gè)側(cè)面噴涂聚氨酯硬質(zhì)泡沫保護(hù)層．模板制作和管道布置完成后，在混凝土澆筑前按試驗(yàn)方案布置好溫度傳感器和濕度傳感器．溫、濕度傳感器布置示意圖如圖1所示．

圖1 溫濕度傳感器布置示意圖

其中在3組試件中心部位、溫度補(bǔ)償管道與混凝土試件之間(內(nèi)側(cè)離進(jìn)、出水口5 cm的位置)、除底面以外的另外5個(gè)表面中心位置布置有2只溫度傳感器和1只濕度傳感器．另外布置溫度傳感器和濕度傳感器用來監(jiān)測混凝土試件外環(huán)境溫度和濕度(即試驗(yàn)室內(nèi)溫度與濕度)．將相同位置的濕度探頭與兩個(gè)溫度探頭結(jié)合在一起成為一組，并組合在一起進(jìn)行定位和安裝．

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

在試驗(yàn)用的溫度補(bǔ)償設(shè)備輸入端和輸出端之間并聯(lián)連接有升溫管路和降溫管路，升溫管路上安裝有加熱器，升溫管路的進(jìn)口端和出口端分別安裝有閥門，升溫管路的出口端與貯液器連接；降溫管路上依次設(shè)有蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流機(jī)構(gòu)，降溫管路的進(jìn)口端和出口端也分別安裝有閥門，降溫管路的出口端與貯液器輸通過送泵連接．

溫度補(bǔ)償設(shè)備的升溫管路和降溫管路與預(yù)先埋設(shè)在試件內(nèi)部的溫度補(bǔ)償管道相連，通過補(bǔ)償介質(zhì)的循環(huán)對試件進(jìn)行溫度調(diào)控，本次試驗(yàn)管內(nèi)介質(zhì)為自來水，試驗(yàn)溫度補(bǔ)償設(shè)備的技術(shù)參數(shù)見表3．

表3 溫度補(bǔ)償設(shè)備技術(shù)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)過程

澆筑養(yǎng)護(hù)：3組試件澆筑完成后，采取相同的灑水養(yǎng)護(hù)措施，按試驗(yàn)要求對試件進(jìn)行聚氨酯保護(hù)層噴涂工作．試件降溫拆模當(dāng)天對不同部位傳感器(中心位置除外)的溫度都有一定的擾動(dòng)，后進(jìn)行濕水養(yǎng)護(hù)．

升溫調(diào)控：當(dāng)中心溫度和表面溫度都穩(wěn)定在18℃，7d后，開始對試件進(jìn)行升溫調(diào)控，每4 h溫度調(diào)節(jié)增加1℃，水溫到49℃后保持恒溫供水．

降溫調(diào)控：在試件升溫調(diào)控過程結(jié)束后繼續(xù)對試件觀測14 d，然后對試件進(jìn)行降溫調(diào)控，每4 h調(diào)節(jié)1℃，當(dāng)試件內(nèi)部溫度與大氣溫度一致時(shí)停止降溫調(diào)控．

通過埋設(shè)在混凝土試塊中的傳感器與溫度補(bǔ)償設(shè)備的控制系統(tǒng)相連接實(shí)現(xiàn)了溫度智能補(bǔ)償．

2 試驗(yàn)成果分析

無紙記錄儀讀取數(shù)據(jù)頻率為1 min/次，數(shù)據(jù)記錄自傳感器調(diào)試結(jié)束后正式開始，澆筑養(yǎng)護(hù)階段歷時(shí)220 h，升溫調(diào)控階段歷時(shí)120 h，恒溫保持360 h，降溫調(diào)控階段歷時(shí)240 h，各個(gè)通道均記錄超過50 000次數(shù)據(jù)，能夠反映3個(gè)試件在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)的溫度變化情況．

2.1 升溫調(diào)控?cái)?shù)據(jù)分析

圖2～4對應(yīng)的為1～3號試件在升溫調(diào)控階段不同部位溫度變化過程曲線．于2016年11月17日開始進(jìn)行升溫調(diào)控，每4 h增加1℃，持續(xù)到2016年11月21日，此時(shí)水溫50℃，從圖中可以看出，全覆蓋保護(hù)層的1號試件中心及表面溫度均隨溫度補(bǔ)償管道內(nèi)水溫的提高而穩(wěn)定上升，基本不受外界環(huán)境溫度變化影響．中心部位的溫升速率最高，其次是靠近管道的部位，距離管道最遠(yuǎn)的背面部位最慢．由于2號試件僅正面覆蓋保溫層，故而僅有中心溫度隨溫度補(bǔ)償管道內(nèi)水溫的提高而穩(wěn)定上升，其他部位溫度受外界環(huán)境溫度變化影響在上升過程中有明顯波動(dòng)，且所有部位溫度上升速率較同期1號試件而言均有所減緩，溫升結(jié)束后各部位溫度峰值也均低于同期1號試件．3號試件未做任何保護(hù)，因此與1號試件差別更大，其測點(diǎn)溫度受外界環(huán)境溫度變化影響更加敏感．

圖2 1號試件升溫調(diào)控溫度曲線 圖3 2號試件升溫調(diào)控溫度曲線 圖4 3號試件升溫調(diào)控溫度曲線

2.2 降溫調(diào)控?cái)?shù)據(jù)分析

圖5～7分別對應(yīng)1～3號試件在降溫調(diào)控階段不同部位溫度變化過程曲線．于2016年12月7日開始對試件進(jìn)行降溫調(diào)控，每4 h調(diào)節(jié)1℃，當(dāng)試件內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度一致時(shí)停止降溫調(diào)控．在降溫調(diào)控階段初期，溫度補(bǔ)償管道溫度仍高于試件各部位溫度，但隨管道水溫開始下降，試件各部位溫度立即出現(xiàn)降溫趨勢，未因存在溫差而繼續(xù)升溫．降溫調(diào)控階段結(jié)束，試件各部位降溫速率減緩直至穩(wěn)定．2號和3號試件降溫速率亦受無保護(hù)層影響而低于同期1號試件，且受環(huán)境溫度變化影響而波動(dòng)．

圖5 1號試件降溫調(diào)控溫度曲線 圖6 2號試件降溫調(diào)控溫度曲線 圖7 3號試件降溫調(diào)控溫度曲線

2.3 溫度傳導(dǎo)擾動(dòng)分析

在進(jìn)行溫度調(diào)控時(shí)，采集了3組試件相同部位溫度擾動(dòng)感受到補(bǔ)償源溫度傳導(dǎo)的時(shí)間，選取1號試件(聚氨酯保護(hù))和3號試件(無保護(hù))進(jìn)行對比分析．

圖8～13分別表示1號試件和3號試件在進(jìn)行升溫調(diào)控作用下，試件中心線上距離溫度補(bǔ)償管道5 cm、55 cm和110 cm不同位置處的溫度擾動(dòng)感知曲線，曲線發(fā)生波動(dòng)位置代表該點(diǎn)感應(yīng)到溫度補(bǔ)償管道熱源的時(shí)間點(diǎn)．

從圖8～10可以看出，當(dāng)開始進(jìn)行溫度調(diào)控后，1號試件不同位置的溫度都隨著時(shí)間的增加有所上升，說明進(jìn)行主動(dòng)的溫度調(diào)控可行和有效；但隨著距離的增加，混凝土內(nèi)熱傳導(dǎo)發(fā)生了衰減，溫度調(diào)控的效果也有所降低．由于1號試件除底面外的5個(gè)表面都噴涂了聚氨酯進(jìn)行保溫，當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生波動(dòng)時(shí)，對試件混凝土的內(nèi)部溫度和表面溫度未產(chǎn)生影響或影響較小，其溫度呈穩(wěn)定上升的趨勢．從圖11～13對比可以看出，由于3號試件表面沒有進(jìn)行任何保護(hù)，溫度傳導(dǎo)速率較慢，試件內(nèi)溫度傳導(dǎo)受外界環(huán)境溫度擾動(dòng)比較明顯，溫度波動(dòng)較大．從試驗(yàn)結(jié)果來看，聚氨酯泡沫具有良好的保溫效果，可以確保在試驗(yàn)周期內(nèi)試件內(nèi)部溫度免受環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，表面噴涂有聚氨酯泡沫保護(hù)層的條件下可以更有效的調(diào)控混凝土的溫度．

圖8 1號試件溫度傳導(dǎo)感知曲線 圖9 1號試件溫度傳導(dǎo)感知曲線 圖10 1號試件溫度傳導(dǎo)感知曲線

圖11 3號試件溫度傳導(dǎo)感知曲線 圖12 3號試件溫度傳導(dǎo)感知曲線 圖13 3號試件溫度傳導(dǎo)感知曲線

3 結(jié) 論

在溫度調(diào)控過程中，由于1號試件外表面完全采用聚氨酯保溫層作防護(hù)，在試驗(yàn)周期內(nèi)混凝土試件內(nèi)部溫度變化過程基本不受外界環(huán)境溫度的影響；2號試件僅在一個(gè)立面噴涂聚氨酯保溫層，其內(nèi)部溫度變化過程在一定程度上受到外界環(huán)境氣溫影響而出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象；3號試件外表面未作任何防護(hù)處理，其內(nèi)部溫度變化過程受外界環(huán)境氣溫影響顯著．因此可以看出，聚氨酯材料保溫好，采用聚氨酯保溫層對混凝土試件進(jìn)行保溫防護(hù)，可以有效的削弱外界環(huán)境溫度對混凝土試件溫度過程的影響．

本文試驗(yàn)在設(shè)計(jì)階段就考慮了溫度對應(yīng)力的影響而在大體積混凝土試件內(nèi)通過溫度補(bǔ)償管道進(jìn)行了引導(dǎo)性降溫或升溫，無紙記錄儀記錄了2016年11月8日至2017年6月14日的溫度傳感器的測量結(jié)果表明，試件在試驗(yàn)過程中沒有產(chǎn)生過大的溫度梯度．3個(gè)大體積混凝土試件對比試驗(yàn)結(jié)果顯示出溫度補(bǔ)償系統(tǒng)對大體積混凝土試件的溫度調(diào)控效果明顯，引導(dǎo)性的升溫或者降溫，可以達(dá)到試件中心點(diǎn)溫度和表面溫度相近，經(jīng)過20倍放大觀察，3組試件均未發(fā)現(xiàn)可見微細(xì)裂縫，顯示出了混凝土溫度補(bǔ)償系統(tǒng)防裂效果明顯．

通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析可以看出，大體積混凝土試件內(nèi)部采用溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，外部采用噴涂聚氨酯保溫層作為保溫防護(hù)處理的溫控防裂方案最為有效，特別是在混凝土澆筑的早期效果更加明顯．依據(jù)環(huán)境溫度對大體積混凝土試件進(jìn)行先期引導(dǎo)性降溫或升溫，通過溫度調(diào)控對混凝土進(jìn)行有效防護(hù)，使混凝土處于相對恒溫狀態(tài)是溫控防裂的有效手段．大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，本文提出的依據(jù)環(huán)境溫度對大體積混凝土進(jìn)行智能溫度調(diào)控防裂的方法是有效而且可行的．

本文榮獲國家實(shí)用新型專利(專利號ZL201621336032.X)和國家發(fā)明專利授權(quán)(ZL201611116913.5)

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