寒区碾压混凝土坝越冬保温措施研究

姜 涛,李 宁,祝继隆

(1、2.齐齐哈尔市水旱灾害防御中心,黑龙江 齐齐哈尔 161300;3.黑龙江省中部引嫩工程和江东灌涝区管护中心,黑龙江 齐齐哈尔 161300)

0 引 言

对于混凝土结构来说,温度控制与温度应力是影响较大的两个重要因素。常态混凝土坝由于水化过程释放大量的水化热导致其内外温差过大,会出现表面开裂现象。特别是在寒区,冬季长期歇工与恶劣气候条件,极易使得越冬时混凝土坝内外层、上下层均产生较大温差,引起较大的拉应力,导致出现表面裂缝。碾压混凝土坝相对来说水化热升温较低,但受寒区施工环境、方式与材料特性等因素综合影响,同样不能忽视温度裂缝问题。因此,严寒地区寒潮期间,需要结合温度骤降分布情况,采取碾压混凝土坝越冬保温措施,预防和减少表面裂缝产生,减轻经济损失。

1 寒区碾压混凝土坝裂缝

碾压混凝土坝是指利用碾压机在混凝土面层上均匀碾压,实现大仓面施工,其中材料使用硬性超干无坍落混凝土,需保证振动压实波传递至底层,均匀压实,摊铺混凝土厚度约为30cm。在配合比组分、成型条件、高掺量混凝侧料方面,碾压混凝土与普通混凝土差别显著。寒区混凝土裂缝较多,气温骤降时,短期内混凝土无法发挥徐变作用,内外温差大,增大了结构的温度梯度,大幅度增加温度应力。寒潮温度降低时间一般不超过2～3d,对结构深度影响通常在1m以内,由温度降低引发的混凝土裂缝多发生于表层,主要出现于收仓平面上,产生水平浅缝[1]。此外,寒潮来临后,混凝土还可能产生深层裂缝,最深处断面宽度是1/2～1/4。深层裂缝产生主要是由于内部温度远高于稳定温度,同时受老混凝土约束、表面孔洞、混凝土结构不规则变形等多重因素影响,在环境温度骤然降低等气候条件下,表面裂缝逐渐发展成深层裂隙,影响结构物安全[2]。

2 寒区碾压混凝土坝防裂方法

2.1 降低发热量

碾压混凝土施工时,为降低裂缝出现概率,重点在于水泥选用,要求选择水热化低与凝结时间长的型号,从源头上降低温度。因为产生的水化热小,会使水泥强度发展缓慢,以此减少温度差,避免表面开裂。可以考虑减少水泥用量,配置时多添加粉煤灰,以消减水化热峰值,避免泌水离析,优化材料和易性与黏性,使得后续振捣更为密实,需注意不同水泥品种,掺加粉煤灰数量也要随之变化,最大可取代10%～30%水泥[3]。还可掺加高效减水剂,减少水泥与水用量,选用颗粒良好、粒径较大的粗集料,控制用砂量,以免过多。同时,采用低流动性混凝土,在施工技术允许下,尽量使用低坍落度混凝土,精准控制水灰比。

2.2 降低浇筑温度

碾压坝施工过程中,要求施工人员选择低温环境的早晚时间浇筑施工,材料堆放至阴凉处,或是通过喷水将集料热量冷却。储存水泥的罐子外部喷涂白色油漆,适当洒水冷却。在拌和混凝土过程中,适当加入冰块,降低入模温度,以冰片替代部分水为常用方法,注意拌和结束前冰块全部融化。运输混凝土中,外界如果热量较高也会对其造成影响,需要利用草帘、布条等覆盖,或是直接淋水降温,降低混凝土温度。

2.3 分层分块浇筑

在混凝土浇筑时,结构尺寸越大,其约束力也越强。对于平面尺寸较大的混凝土结构,可以采用分层分块浇筑的方式。若将其分为多块进行浇筑,可以减少约束力。分块长度与分层厚度,需根据现场施工条件、混凝土尺寸、工期等因素来确定,以免分块过长,或是分层过厚,不利于释放混凝土内部温度,增加混凝土束缚[4]。同时,还要结合混凝土要求,控制结构厚度不超过3m。整体宽度或平面连续浇筑时,厚度与多层混凝土相同,在一层混凝土初凝前,进行二层浇筑;利用振动压力,确保上下两层混凝土构成整体,逐层碾压压实,完成整体浇筑。具体分层方式包括分段、斜面及全面分层等。

2.4 埋设冷却水管

碾压混凝土内部可以设置管网,利用流动循环的冷水,降低混凝土温度。

2.5 安排施工进度

混凝土施工中,有序安排施工进度与操作程序是减少表面裂缝、避免出现基础贯穿裂缝的重要措施。

2.6 表面保湿保温

碾压混凝土为避免开裂,重点在于尽可能减少新浇混凝土水分丧失,控制内外温差在25℃以内。如果表面水分蒸发速度较快,或降低温度幅度较大,均易引发混凝土出现表面开裂现象,进而导致裂缝向内延伸。因此,碾压混凝土需长期保湿保温,令表面缓慢干燥,以此提高混凝土强度,抵抗开裂拉应力。养护方法包括覆盖洒水和蓄水养护等,时间需超过14d。

3 寒区碾压混凝土坝保温材料选择

寒区碾压混凝土坝保温中,选择恰当保温材料对防裂具有重要作用,要兼具保湿、保温、养护功能。常用保温材料如下:

3.1 珍珠岩发泡材料

该材料常用于20世纪,为传统大坝保温材料。鉴于普通珍珠岩吸水后容易膨胀开裂,研发出了玻化微珠闭孔型珍珠岩与闭孔珍珠岩,通过封闭珍珠岩气孔,可增加珍珠岩吸水率,提高材料强度。珍珠岩由矿物纤维与珍珠岩加水性结合剂生产而成,适应性好、环境危害小,矿物原料能够自然消解,理化性能见表1。

表1 珍珠岩理化性能

3.2 聚苯乙烯泡沫板

该材料有连续挤出型聚苯乙烯与膨胀性聚苯乙烯,前者保温效果更好,呈现闭孔蜂窝的完美结构,不会出现裂缝,导热率低、吸水性强,抗压与抗老化性能高,是常用保温材料。连续挤出型聚苯乙烯密度≥40kg·(m3)-1,耐火度B3,压缩强度≥0.25,体积吸水率≤1.0%,吸湿率3.9%,导热系数0.03W/m·k。连续挤出型聚苯乙烯能够阻止热传导,板材强度大、自身较为轻便,长期浸泡于水中,也不会吸水变形,抗冲击性强、不易分解,寿命长达30～40a[5]。但是材料强度过高,板材容易脆裂,不透气,导致内外结构温差大。膨胀性聚苯乙烯为避免材料吸水,通常表面会涂抹丙烯酸水泥浆,外观呈灰色,如果块状体保温板黏结,将会产生裂隙,特别是寒区,容易受冰冻与热胀冷缩影响[6-8]。

3.3 聚氨酯材料

该材料为常见保湿保温材料,由于水电工程复杂,对材料要求较为严格,在受热或受冷条件下,聚氨酯体积会产生变化。而尺寸改变与材料密度、结构、环境有关,其密度是29～65kg·(m3)-1,耐燃性<2s,压缩强度≥0.17MPa,体积吸水率2%～5%,稳定性<2.0%,导热系数≤0.02W/m·k。聚氨酯泡沫与混凝土黏结效果好,兼具保湿、防水、吸振、保温、隔音等功能,对环境危害小、耐撞击性强,使用后期保温板会呈现颜色变化。寒区由于昼夜温差大、气候变化大,为减轻温度应力,通常坝面上下游会喷涂聚氨酯涂层,实现长期保温[9-11]。

4 案例分析

某碾压混凝土坝处于寒区,多年气温实测资料,平均气温是4.9℃,冬季气温最低-37.0℃,极端温差是79.5℃。由于气候条件严寒,每年11月～次年3月停工越冬,面临仓面长期盖被、间歇、揭被等问题,处理不当会造成混凝土开裂。该工程是Ⅰ等大(1)型工程,主体使用碾压混凝土,坝高最大是94.5m,以往越冬保温采取橡塑海绵保温被,上下均用三防布防潮、防风。采取聚氨酯保温材料,利用个材料层间黏结性、韧性,结合保温层尺寸分缝,做到分块防护,释放内应力。根据实际施工进度,仿真溢流坝段,采取有限元法,结合不同等效放热系数,计算越冬层面安全系数、最大应力、保温材料等。为获取有效数据,通过埋设在坝体的温度计,进行测量降雪保温相关数据。在现场布置温度传感器,首层厚度取0.5m,将1个温度传感器设置在混凝土与雪层之间,进行测量。设置测控时间,每30min进行一次实时自动测量。通过实验获取的数据分析来看,降雪后最低覆盖温度达到-2.75℃,此时环境气温约-26℃,温差值为23.25℃,实验结果表明,降雪有一定保温效果。详细数据见表2,雪层厚度0.5m时,保温材料厚度为30cm,橡胶海绵保温被上覆盖厚0.5m雪保温,安全系数是1.65,最大应力1.78MPa。

表2 不同放热系数时安全系数、最大应力、保温材料厚度

综合表2数据分析可知,相同保温材料能够节省36cm厚度,每层保温厚度为2cm,则可节省18层保温被。所以,寒区越冬保温时,适当利用寒区降雪与保温材料,能够节省材料支出,经济适用。通过此种方法,可以预防保温层脱落开裂,有效长期的防护混凝土坝。

5 结 论

为解决寒区碾压混凝土早期被冻、裂缝、温差控制等问题,需提前做好其越冬保温工作。文章以寒区碾压混凝土坝为例,分析了碾压混凝土坝施工过程中常应用的降低发热量、降低浇筑温度、分层分块浇筑、埋设冷却水管、安排施工进度、表面保湿保温等防裂方法,提出了适合寒区碾压混凝土坝的越冬保温措施,并进行了相关案例分析,以期为寒区工程建设等工作提供参考借鉴。