浮山县臣南河水库进水塔大体积混凝土温度控制措施浅谈

宋 伟

（临汾市水利机械工程局，山西 临汾 041000）

1 工程概况

臣南河水库位于浮山县城北5 km 处的丞相河村东南河上，是一座以调蓄浮山供水工程和流域内地表水，为农业灌溉、城镇生活和工业供水的小（一）型水库，水库总库容538.56 万m3。进水塔基础混凝土设计高程为685.8 m～688.5 m，厚2.7 m，混凝土标号为C25F200W4，混凝土土方量约为1 070 m3。进水塔基础分上下两部分：下部为尺寸22 m×18 m×1.7 m（长×宽×高）的矩形体形状；上部为长22 m，宽18.5 m～13.5 m，高1 m，由大断面渐变为小断面的渐变体。依据混凝土浇筑计划，进水塔基础浇筑时间安排在5 月，臣南河水库的夏季最高气温为37℃，最低气温为13℃，平均气温20℃。

2 混凝土裂缝及成因

在一些气温变化剧烈的地区，混凝土结构体的表面和内部容易产生温度裂缝。大体积混凝土在浇筑完成后，开始进行水化反应，在硬化后的3～7 d 内反应最为剧烈，温升也最为显著，这样就会使大量的水化热集中在混凝土内部，不能及时散出；但是混凝土内外散热的速率不同，导致混凝土内部和外部的温差受气温的影响会越来越大，混凝土外表产生拉应力，从而产生裂缝。

3 预埋冷却水管降温措施

3.1 预埋循环水管道降温原理

进水塔基础大体积混凝土施工的过程中，架设钢筋网架时分层铺设冷却管道，待混凝土凝固之后，开始在管路内部通水，进行循环降温，在混凝土内部埋设的管路具有一定的热量传递性能，将混凝土内部产生的热量传导至管路内部循环水中，在内部升温水循环一次后进行排放或者进入蓄水池，重新抽取地下水或蓄水池内部低温水进入管路内部循环。通过对大体积混凝土产生的热量进行理论计算，预估控制温升需要达到的具体参数，计算温升数据及降温速度铺设循环水管道的铺设方式及管径。

3.2 温升数据计算

3.2.1 混凝土最大绝热温升

在计算大体积绝热温升时，以混凝土结构物处于绝对真空状态下，不会向周围传输任何热量或损失任何热量，在混凝土内部，水泥水化产生的全部热量都会保存在结构内部，其理想状态下最后绝热温升采用如下计算公式：

T′max=mcQ/Cρ

式中：T′max——混凝与最大水化热温升值，即最终温升值；

mc——单位立方米混凝土中水泥的使用量，根据试验室提供的配合比取341 kg/m3；

Q——水泥水化热总量，经过项目部试验室对P.O 42.5 水泥进行温升试验，项目所使用水泥在第7 d 的发热量达到354 KJ/kg；

C——混凝土比热，取0.96；

ρ——混凝土的质量密度，取2 400（kg/m3）；

根据相关资料和在之前项目测量混凝土温升数据可得，混凝土凝结硬化绝热升温在浇筑完成后3～7 d 内最为剧烈，Q 值取354 KJ/kg，则：

T′max=341×354/（0.96×2 400）=52.39℃

根据大气及材料温度确定混凝土在入仓时温度为21℃，则结构物内部温度按下式进行计算：Tmax=T0+T′max=21+52.39=73.39℃

表1 进水塔混凝土配合比 单位：kg

3.2.2 内外温差最大值

混凝土的内外温差最大值采用下式进行计算：

ΔT=Tmax（t）-Tb（t）

其中：Tb（t）为混凝土在龄期t 时的表面温度，根据施工组织设计，在项目进度横道图显示混凝土施工期为5 月，在该月份大气平均气温在20℃，通过保温保湿的表层养护，可以将混凝土的表层温度控制在20℃。

ΔT=Tmax（t）-Tb（t）=73.39-20=53.39℃

3.3 循环冷却水管的布设与安置

3.3.1 管道冷却效率验算

经过对结构体进行热量计算和分析，确定泵体采用ISG 40-200 型水泵，水泵的流量为50 m3/h，扬程为50 m，循环管路布置安排如下，在垫层上0.485 m（686.262 m）处，18 根21 m 长Φ48 薄壁主管；在垫层上1.35 m（687.132 m）处，18 根21 m 长Φ48 薄壁主管；在垫层上2.22 m（687.132 m）处，15 根21 m 长Φ48 主管。

经过上述计算过程可知，管道内部循环水在水泵泵水的作用下，管道内部所有水经过单次循环的时间为：

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

3.3.2 管路单次循环所需水容量

该施工部位高度为2.7 m，根据上述三层管道布置方式，对水管内水容量进行如下计算：

23 m 管道中水的体积：

Q=（πr）=3.14×0.020 52×23=0.030 4 m3

23 m 管道中水的质量：

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 管路水单次循环导热总量

Q吸=C1M1Δt1

式中：C1——水的比热容为4.2×103J/kg·℃—水的质量，kg；

M1——管道中介质质量，kg；

Δt1——循环水温的变化速度，根据实测抽取水的温度为10℃，根据3.2.1 公式计算混凝土内部可以达到73.39℃，根据《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009 规定里表温差（不含混凝土收缩的当量温度）不宜大于25℃。

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

3.3.4 管路可冷却混凝土质量M2

Φ48 mm 钢管可以作用的范围在其直径范围内480 mm，由此可以计算出可以进行降温冷却的体积为：

V=21×3.14×0.482=15.19 m3

M2=ρV

式中：ρ——混凝土密度，取2 400 kg/m3。

根据上式，M2=2 400×15.19=3.65×104kg。

3.3.5 温度下降速度计算

绝热状态下理想热量平衡公式：

Q吸=Q放=C2M2Δt2

式中：C2——混凝土比热容，取0.96×103J/kg·℃。

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

根据以上公式计算所得：管道中水在循环泵的压力下，在混凝土体内部所有预先埋设管道内部中139 s可以进行单次循环。

根据热量公式计算，降温速率为5.98℃。

根据上式对温度降温速率的计算，要将混凝土里表温差控制在25℃以内时，经过8.09 h 可以将温度降至25℃以内。水泥的水化放热的热量高峰期在3～7 d，通过上述计算，可以得知混凝土内的峰值热量可以在不超过14 h 内将其带出。

循环水池内循环水在自然散热的情况下6 h 内将其恢复为10℃，循环水池内水容量则按下式进行计算：（3.14×0.048×0.048/4）×（18×21+18×21+15×21）×6=11.62 m3

3.4 冷却水管安装

本次施工降温使用Φ48 mm 的薄壁钢管，水管布置方式采用水平分层布置，在进水塔基础中分三层根据冷却范围不同分层布置，具体要求是：第一层在垫层上0.485 m 处，第二层在第一层上0.87 m 处，第三层在第二层上0.87 m 处；同层间距约为1.0 m，距两侧侧面0.48 m。在进水塔基础2 m 外地下水位处设置供水和回水系统，以及循环水池，将低温渗水进入蓄水池，保证24 h 供水不间断，在内部循环出来的水可以循环利用。

3.5 浇筑后温度变化监测

大体积混凝土结构在施工过程中要将测温管埋设在混凝土当中，测温管在安装时要保证安装质量，并做好保护措施，防止混凝土在入仓或振捣过程中将测温管撞击出现偏离和在振捣中触碰将其损坏现象，导致测温管无法正常使用。

混凝土内部安装9 个测温组，在一组测温点内将温度感应器按上中下方式进行布置，在上层的测温点将其安装在从混凝土表面向下10 cm 的位置，第二根在中间位置，第三根在混凝土下表面上20 cm。在测温管的外侧用防水带做识别标志，将不同位置的测温管进行区分，防止将不同位置的温度变化数据记录错误。

在将测温管安装和安置好之后，质检部门工作人员对测量的温度数据要定时进行监测记录，保证数据的真实性和有效性，监控数据实时回传，防止有个温度感应器损坏不能及时传输回数据。在进行降温的过程中，如果现场温度监测人员根据对比内外温度数据发现两者之间的温差超过25℃，要向项目质检部门负责人和项目总工及时汇报，对出现超过规范要求的情况分析原因，并及时处理，将循环水的速度和水的温度及时调整，防止出现温度应力裂缝。

3.6 管道内部压浆

在冷却系统建设完成后，先进行三周通水冷却，在混凝土发热量最大的3～15 d 强化冷却，带走混凝土内部大量热量后，保证内部平均温度降至40℃即可减缓通水循环速度，如果因上部施工需求，可以停止通水，对内部管路进行灌浆封堵。

根据灌浆实施方案，综合考虑水泥的品种和经济因素，使用侯马中条水泥厂生产的425 级普硅水泥，灌浆的水灰比为0.5∶1，使用的浆液为纯水泥浆液，浆液制备采用GZL600L 高速制浆机，压浆机型号SHZ-980 W，浆液制备和压浆的时间不得超过30 min，水泥浆液的抗压强度要大于进水塔基础混凝土的强度等级。压浆采用的施工工艺与压力波纹管相同，在施工过程中必须要保持注浆的持续性和连贯性，严禁出现注浆中断状况，出现浆液凝固堵塞管道现象。

在浆液打压之前要先将内部的存水和杂物清理干净，将注浆管与基础内部内部管路借号，检查其密封性，确保在注浆时不会发生跑冒滴漏现象。并在注浆机的进出口各安装一个压力阀门，在压浆的过程中浆液的压力宜控制到0.5～0.6 MPa 之间。将浆液在管道内部当中进行循环，确保出浆口的浓度达到进浆口的浓度，在达到技术要求时要关闭阀门，保障管道内部的压力，将管道内部压力维持在0.5 MPa，稳压期的时间在3～5 min，压浆最大压力不超过0.6 MPa。在施工过程中，要将在运行过程中的运行数据和资料记录清楚，现场技术人员对整个过程要进行技术指导，保证注入浆液的密实度。

4 结语

通过对进水塔基础大体积混凝土在浇筑完成后采取冷却水管降温后的实际温度曲线数据进行监测，混凝土内外最大温差为23.7℃，在浇筑完成后30 d，对混凝土表面进行观察，对混凝土内部进行弹性波勘探，未发现产生裂缝，符合设计及规范要求，对混凝土温度裂缝的产生进行了有效的控制，保证了工程的安全性和耐久性，并且有效降低了混凝土的综合养护成本，达到了预期效果。