浅谈蜀山泵站大体积混凝土施工的温控与防裂技术

浅谈蜀山泵站大体积混凝土施工的温控与防裂技术

裴伟

中国水利水电第五工程局有限公司

摘要：大体积混凝土施工中，结构裂缝是常见的质量缺陷。为了进一步提高大体积混凝土的施工质量，文章以蜀山泵站枢纽工程为背景案例，从钢筋制安、模板安装、预埋件施工、混凝土浇捣与养护5个环节，介绍了底板大体积混凝土的施工方法；同时采取温控与防裂技术措施，包括优化混凝土配合比、混凝土温度控制、布设冷却水管、现场温控监测等。结果显示，底板混凝土结构内外温差、抗裂安全系数均满足控制要求，能有效防止结构裂缝产生，该温控与防裂技术措施可在类似工程中推广应用。

关键词：蜀山泵站；大体积混凝土；施工方法；温控防裂

大体积混凝土施工一直是土建工程领域的一个重难点，在水泥水化热的影响下，混凝土凝固过程中很容易出现温差裂缝，进而降低了结构强度和承载力，影响整个建筑物的使用性能[1]。文章结合笔者实践，综合分析泵站大体积混凝土的施工特点和要求，提出温控与防裂技术措施，为同业人员提供参考。

1．工程概况

以蜀山泵站枢纽工程为例，由引水泵站、船闸、泄水闸、向阳跌水涵、连接渠道及两岸防洪堤等建筑物组成。泵站设计流量340 m3/s，其中设计引水流量290 m3/s，船闸运行补水流量25 m3/s，预留远期复线船闸运行耗水量25 m3/s。该泵站工程为Ⅰ等，工程规模为大⑴型，进水闸、前池等主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物为4级，平面布置见图1。

图1  蜀山泵站水利部分平面布置图

对整个泵站的大体积进行划分，主要包括泵站站身的底板混凝土，控制段底板混凝土，进水闸底板混凝土，泵站进出水流道混凝土，控制段闸墩混凝土， 进水闸闸墩混凝土等，工程量见表1。

表1  泵站大体积混凝土主要工程量

2．蜀山泵站大体积混凝土的施工方法

进水闸闸墩、泵站及控制闸闸墩混凝土施工时，自两岸向中间两个作业班组同时施工，进行分仓、分块浇筑。其中，与泵房、挡墙、闸室等大型建筑物相邻部分混凝土，在大型建筑物主体结构施工完成后再浇筑，整体浇筑顺序是站身主体混凝土→控制段混凝土→进水闸混凝土→前池段混凝土。

2.1 工艺流程

以底板为例，大体积混凝土施工工艺流程：基坑开挖至设计高程建基面清理→局部C15混凝土回填→C15混凝土垫层浇筑→钢筋制安→止水、观测设施及预埋件安装→模板安装→大底板混凝土浇筑→养护。见图2。

图2  底板混凝土浇筑示意图

2.2 技术要点

2.2.1 钢筋制安

钢筋加工在钢筋加工场进行制作，严格按照设计图纸下料，加工完毕经检查验收合格后，根据使用部位的不同进行编号、分类，并挂牌堆置在仓库（棚）内。其中，底板、闸墩、进出水流道等常规结构的钢筋，根据每个部位结构尺寸做好钢筋下料表，以减少钢筋接头及材料浪费。加工成型的钢筋，先采用15 t平板汽车运输至施工现场，再采用25 t汽车吊将底板钢筋运送到安装部位。绑扎底板钢筋前，在已浇筑混凝土垫层的基础上设置支撑钢筋，采用人工配合电钻施工，支撑筋入岩20 cm。

2.2.2 模板安装

模板全部均由生产厂家统一加工制作，其中底板模板采用平面模板，1200 mm×1500 mm和9015、6015、3015、1015钢模板配合使用，小型模板调节使用。模板试拼装确保准确无误后，运送至施工部位进行二次拼装，按照施工详图测量放样，重要结构设置必要的控制点，模板安装过程中保持足够的临时固定设施，以防止发生倾覆[2]。模板与混凝土的接触面、各块模板的接缝处要求结合严密，使用双面胶进行封堵，保证混凝土表面的平整度和密实性。

2.2.3 预埋件施工

在混凝土开仓前埋设监测仪器，并做好标记及设备防护工作，对设备及管线使用钢筋加固。一期埋件（管路）埋设与混凝土浇筑同步进行，安装前检查各部件的安装标记，保证结构稳定性，不会出现永久性变形。二期埋件就位调整完毕，与一期预留插筋或锚栓焊接固定，并复测埋件的最终安装精度。

2.2.4 混凝土浇捣

（1）混凝土浇筑。底板大体积混凝土浇筑时，采用台阶法分层浇筑，分层厚度为40～50 cm，铺料方法见图3。底板齿槽部位分两层先浇筑成型，达到设计强度后开展底板浇筑施工。浇筑层厚度为1.0～1.5 m，最大不超过2.0 m，台阶宽度＞1.0 m，坡度≤1:2[3]。

图3  大体积混凝土铺料方法示意图

（2）混凝土振捣。底板划分为四个区，每个区安排2名振捣人员，分别配置3台直径为70 mm的插入式振捣器，其中备用2台。振捣上一层时插入下一层5 cm左右，以消除两层之间的接缝，快插慢拔确保振捣均匀密实。另外注意成品保护，模板及预埋件附近使用直径为30 mm的振捣器，避免碰触钢筋、模板和预埋件。

2.2.5 混凝土养护

混凝土浇筑完成，待充分硬化即进行养护，先铺设地膜，再铺设保温被，后铺设厚薄膜保温，并且洒水保持混凝土表面湿润，将内外温差控制在20℃以内，养护时间至少28天。拆模后检查混凝土结构尺寸，按照表2要求控制。

表2  现浇混凝土结构的尺寸控制要求

3．大体积混凝土施工的温控与防裂技术措施

根据当地气候条件，多年平均气温15～16 ℃，极端最高、最低气温为40.6 ℃、-15.6 ℃，全年日照一般为2000～2200 h。在大体积混凝土施工过程中，为保证混凝土结构质量需采取温控与防裂技术措施，具体如下。

3.1 优化混凝土配合比

优选混凝土原材料，并对混凝土配合比进行优化，是为了降低入模温度，减小混凝土的绝热温升，增强抗拉强度、极限拉伸变形能力。（1）水泥水化过程中释放大量热量，当与外部环境温度相差20 ℃时，混凝土表面会形成裂缝[4]。对此，本工程选用地水化热的普通硅酸盐水泥（P·O 42.5）。（2）在满足设计施工要求的前提内，掺加适量粉煤灰有利于提高混凝土的抗裂性能，本工程选用Ⅱ级粉煤灰。（3）高效聚羧酸减水剂具有减水、引气、缓凝效果，可延缓水化热的峰值期，改善混凝土的和易性，降低水灰比以减少水化热，本工程选用高性能缓凝型减水剂。（4）粗细骨料选择粒径大、强度高、级配好、热膨胀系数低、吸水率低的优质骨料，能减小空隙率、表面积等指标，降低水泥用量和水化热，从而预防混凝土开裂。（5）大体积混凝土的浇筑方量多、作业面大、持续时间长，新拌混凝土应具有较长的初凝、终凝时间，坍落度的经时损失值要小，在混凝土配合比设计中，选择5-20 mm、20-40 mm的二级配骨料，掺用高性能缓凝型减水剂，将塌落度控制在70-90 mm之间，配合布料机入仓方式进行现场浇筑。

3.2 混凝土温度控制

根据《大体积混凝土施工标准》（GB50496-2018），要求大体积混凝土施工时，高温季节最高浇筑温度不超过30℃，冬季浇筑温度不宜低于5℃[5]。为满足这一要求，采取的温控措施包括：（1）混凝土浇筑前，通过测量水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度估算浇筑温度，若浇筑温度不符合控制要求，就对出机口温度进行控制。例如：散装水泥预先入罐，待水泥温度降到自然温度后再使用；砂石骨料仓搭设遮阳棚，配合喷雾系统降温预冷，上料时先取底层骨料使用；混凝土拌和时加冰水或冷水，或在搅拌站增设一次风冷系统。（2）为降低混凝土的入仓温度，合理安排浇筑时间，避免模板和新浇筑混凝土受阳光直射，仓面采取雾炮喷雾或洒水措施降温。优选混凝土运输路线，缩短运输时间，必要时在搅拌罐外包裹一层毛毡降温，或用水管向运输罐表面淋水降温。合理安排运输车辆，混凝土随要随拌，避免因“压车”现象导致混凝土在运输过程中温度升高。当气温高于入仓温度时，加快运输和入仓速度，并在模板外侧进行覆盖洒水降温。

3.3 布设冷却水管

使用Midas FEA软件建模，计算大体积混凝土需埋设冷却循环水管的施工部位，见表3。根据计算结果推导得出，冬季施工时混凝土内部最高温度＜60℃，内外温差＜25℃。

表3  埋设冷却循环水管的施工部位

在混凝土结构内埋设冷却循环水管控制温度，冷却水管材质选用直径32 mm的钢管，壁厚1.2 mm，水管水平间距为1.5 m，距离混凝土边缘1 m。以底板部位为例，冷却水管布置见图4。冷却水管使用前进行压水试验，防止管道漏水或阻水，当混凝土浇筑到各层冷却水管标高后开始通水，水流速率达到0.65 m/s以上。通水过程中，通水温度控制为22 ℃，将水化热引起的温差控制在25 ℃以内，流量控制为14-20 L/min。为保证水流通畅，每层设置2台水泵，其中一台备用，通水结束后向管道内灌注微膨胀水泥。

图4 底板部位冷却水管布置示意图

3.4 现场温控监测

大体积混凝土浇筑后，水化放热时加大通水流量、降低通水温度，以加强散热效果；处于降温阶段则采取覆盖措施，以减缓降温速率；若突然遇到大风降温天气，侧壁利用模板保温，上表面采用塑料布+保温棉被保温保湿。为准确掌握混凝土结构的温度变化，选取典型构件埋设温控监测仪器，确定温控施工措施及相关参数，以指导工程施工。主要仪器选用SZWT-18型智能测温仪，PN结温度传感器，其中智能测温仪可手动测点温度，具有数据记录、数据掉电保护、历史记录查询、实时显示、数据报表处理等功能[6]。

以底板结构为例，根据结构的对称性和温度变化的一般规律，共设置3个观测点，1#位于底板中心，2#位于靠近冷却水管部位，3#位于混凝土表面，见图5。温度传感器设置在每层混凝土接近中心线上，能代表整个混凝土断面的最高温度分布情况。温控监测流程：仪器率定→连接电缆→预埋传感器→电缆保护→安装玻仪器→实时监测→数据整理→提交成果。混凝土浇筑后立即开展监测作业，连续不断进行，监测频率在峰值前每2 h监测一次，峰值后每4 h监测一次；随着温差变化逐渐减小，改为每天测2次，直到内外温差＜20℃；当温度变化基本稳定后，即可停止观测。

图5  底板温控监测点布设示意图

4．温控与防裂效果评价

4.1 内外温差

大体积混凝土结构内外温差计算公式：

（式1）

式中，、表示同一时刻大体积混凝土的内部温度、外部温度。以底板混凝土为例，观测结果显示浇注温度为16.3℃，内外温差为13.2℃，满足内外温差＜25℃的控制要求。

4.2 抗裂安全系数

大体积混凝土结构的抗裂安全系数计算公式：

（式1）

式中，表示混凝土的抗裂承载力，表示荷载作用下混凝土的剪力。以底板混凝土为例，计算结果显示表面、内部抗裂安全系数分别是1.71和1.64，满足＞1.4的控制要求。

5．结语

综上所述，泵站工程建设中，大体积混凝土施工是一个重要环节。本次研究得出以下结论：（1）针对泵站大体积混凝土结构，制定完善可行的施工方案，严格控制每一道工序，是保证大体积混凝土施工质量的基础手段。（2）混凝土浇筑作业中，通过优化混凝土配合比、混凝土温度控制、布设冷却水管、现场温控监测等，能显著减小混凝土结构的内外温差，提高抗裂安全系数，实现预期温控与防裂目标。

参考文献：

[1] 武惠枝.大体积混凝土结构温控防裂技术研究与应用[J].建筑·建材·装饰,2023(21):193-195,186.

[2] 陈政.泵站大体积混凝土温控防裂技术研究[J].水利技术监督,2023(2):143-145.

[3] 马己安,张鑫华.水利工程中大体积混凝土温控防裂措施研究[J].科技资讯,2023,21(16):158-161.

[4] 陈佳培,任磊,郭九春.大体积混凝土分期通水冷却技术研究与应用[J].水利建设与管理,2023,43(7):6-12.

[5] 赵飞,方禹.水工结构大体积混凝土温度监测及浇筑施工技术分析[J].工程与建设,2023,37(2):739-742,775.

[6] 岳立宇,李聪,李增辉.大体积碾压混凝土水冷管布设有限元分析比选[J].水利建设与管理,2023,43(5):48-52.