大体积混凝土真实温度场演化规律试验
林鹏, 胡杭, 郑东, 李庆斌
清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084

作者简介: 林鹏(1972—), 男(汉), 湖北, 教授。E-mail:celinpe@mail.tsinghua.edu.cn

摘要

旨在揭示大体积混凝土通水冷却温度场演化规律,为混凝土坝温控防裂优化设计提供依据,该文通过开展现场通水冷却试验,分析实时监测的混凝土真实温度和通水进出口温度变化数据,研究真实温度场分布特征、演化规律及其影响因素。研究结果显示: 真实温度场由非均匀性分布向均匀性分布的演化过程,混凝土早期降温特性可以概括为热量积累、热量释放和热量转移这3个特征阶段。结合大坝温度开裂实例,从温度场演化分析了沿坝轴线开裂机制。研究结果对特高拱坝施工期混凝土温控防裂具有参考意义。

关键词: 水利工程; 大体积混凝土; 温度场演化; 开裂控制
中图分类号:TV331 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2015)01-0027-06
Field tests on the evolution of a real thermal field in concrete
Peng LIN, Hang HU, Dong ZHENG, Qingbin LI
State Key Laboratory of Hydroscience and Hydraulic Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract

The temperature field in a concrete mass was measured during cooling to improve designs for cracking control of high arch dams during construction. Field tests of concrete cooling in a super high arch dam during construction gave real-time data for the concrete temperature during cooling to describe the temperature distribution characteristics and the factors influencing the diffusion. The results show the evolution of the temperature field from a non-uniform distribution to a uniform distribution and the characteristics of the decrease in the concrete temperature which can be generalize into a thermal accumulation stage, thermal release stage and thermal transport stage. Finally, the cracking mechanism along the axial direction of an arch dam was studied basis on the mechanisms during the temperature changes. This study presents ways to control cracking in super high arch dams.

Keyword: hydraulic engineering; mass concrete; thermal field evolution; cracking control

大量工程实践和研究结果表明,湿度、温度的变化在大体积混凝土裂缝的萌生、起裂、扩展过程中发挥着重要作用[1,2,3]。混凝土内的细微观裂缝或缺陷的产生大多数来自于水泥砂浆硬化过程中的体积收缩、水分的迁移和散失、温度不均匀变化引起的应变梯度等[3,4], 细微观裂缝向宏观裂缝的发展除了受外力影响外,主要原因是湿度和温度的变化[5]。大体积混凝土温度控制的核心问题,是跟踪监测获取混凝土坝的真实温度场分布规律,依据真实温度场反馈计算混凝土热力参数,进而计算实时温度应力[6,7,8,9,10,11], 然后根据混凝土材料的抗裂性能调整温控措施,形成闭合控制反馈系统,从而调整控温措施和力度,防止温度应力造成开裂。

针对特高拱坝施工期大体积混凝土内部真实温度获取主要有以下2种方法:

1) 埋设温度传感器,通过分布式或独立式埋设传感器获取混凝土内部温度的方法,优点在于可以人工或实时地获取混凝土内部的温度; 不足在于埋设成本较高,损坏后无法更换,现场布线困难。

2) 在温度传感器失灵或需量测混凝土内部平均温度时,通过对通水长时间闷温,当水温与混凝土温度一致后量测水温度,即得到混凝土内部温度。这种方法优点在于能以低成本获取混凝土内部平均温度,不足是获取的温度结果单一,无法实时反映内部复杂的真实温度场变化过程。

综上,目前对混凝土热力学参数和真实温度场的研究不足之处,主要表现在:

1) 仍没有克服现场试验值以及设计值还存在较大的差异性、离散性;

2) 对施工期混凝土内部真实温度演化规律的研究不够精细,特别是90 d龄期内。

3) 缺乏从试验、数值与原型观测相统一的分析与评价角度,分析温度场演化规律的方法与技术。

本文结合某特高拱坝浇筑过程,采用浇筑仓内埋设多点数字温度计[9,10], 利用大体积混凝土智能温度控制方法与系统[11], 开展完整控温期内浇筑仓真实温度场演化全过程的试验研究。分析大体积混凝土演化过程与演变特性,最后结合大坝开裂实例,探究温度场演化规律同大坝开裂的关系,并从施工的角度提出开裂风险控制方法。

1 试验系统
1.1 智能温度控制系统

本研究在现场建立实时在线通水冷却智能温度控制试验系统(图1)。系统包括: 内插数字测温装置,预埋混凝土块中的数字温度传感器,智能控制箱,控制服务器, 一体化流量和温度控制装置[9,10,11]

内插数字测温装置和预埋混凝土块内中数字温度传感器主要用于探测进出水管、大坝混凝土内部的温度,传感器装置将探测到的温度数据传输给系统控制装置,控制装置根据所述多个温度值计算出大坝混凝土的平均温度,然后采用PID(proportion、 integration、 differentiation)实时调节通水流量,根据控制指令对一体流温控制装置内智能阀门进行开度控制,从而控制通水流量[9,10,11]

图1 通水智能温度系统结构示意图[9,10,11]1—内插数字测温装置; 2—浇筑时预埋入混凝土块中数字温度传感器; 3—智能控制箱; 4—控制服务器;5—双向智能控制阀; 6—双向涡轮流量计;7 —一体化流量和温度控制装置

1.2 试验对象及温度计布置

本文以某特高拱坝25#坝段第32浇筑仓(EL 524~527m)试验为例分析说明。在实验浇筑仓中间平面均匀埋设9支数字温度传感器。

2 真实温度场演化规律分析

拱坝25#32试验仓一期控温阶段为2012-02-13—02-21, 自2012-02-22开始实行一期降温,自2012-03-12开始实行中期一次控温,自2012-07-12实施中期降温, 2012-09-11起进入二期降温至今。根据系统实时监测的大坝混凝土内部温度,可以实时绘制出仓面温度分布演化过程云图(见图2)。混凝土入仓后水化热开始积累,混凝土温度不断升高。现场试验根据混凝土设计温度过程曲线,采用通水冷却的方法对混凝土温度峰值、变温幅度进行控制,因而混凝土温度场在不同阶段呈现出不同的特征。由试验结果可知,混凝土真实温度场演化可以分为3种演化特征状态,即热量积累(thermal accumulation)、热量转移(thermal transfer)和热量释放(thermal release)。

图2 25#32仓混凝土内部温度场演化分布

施工期混凝土内部温度场和湿度场相互影响、相互作用,即

1) 在混凝土的热量积累(thermal accumulation)阶段,混凝土内部湿度大,水化热反应速率快、程度深,混凝土升温速率快;

2) 热量转移(thermal transfer)和热量释放(thermal release)阶段,混凝土温度较高,水化热反应和蒸发作用大大减小了混凝土内部的湿度场,水化产热速率降低,散热速率增加,混凝土温度不断下降。

2.1 温度场演化过程特征

温度积累阶段混凝土温度快速上升,条带法浇筑的混凝土按照浇筑工序先后达到最高温度,高温区呈现两极化,导致温度场呈纺锤形分布(图2b)。温度释放和温度转移阶段,混凝土内部温度逐步均匀化(图2c), 并伴随有暂时性回温过程(见图2d)。混凝土的部分热量被冷却水带走,冷却水温度升高,混凝土温度降低。各阶段特征详细论述如下:

1) 热量积累。当混凝土表面散热速率和冷却水降温速率低于水泥水化热产热速率时,混凝土热量不断积累,直至混凝土达到峰值温度。热量积累

过程一般主要发生在混凝土一期冷却的控温阶段。混凝土内部最高温度区域不一定是中心区域,它随着龄期的增长而不断发生变化,见图3。热量积累期,在混凝土湿度场和温度场的耦合作用下,弹性模量迅速增长,混凝土强度大大提高,见图4, 从另一面也增加了混凝土早期的抗裂性能。

图3 温度积累阶段混凝土内部温度变化率曲线

2) 热量释放。混凝土温度在达到峰值后开始逐步降低,主要表现为:

① 上下游混凝土与中部混凝土由于施工在升温阶段存在温差,在一期降温阶段温差逐步扩大再到逐步缩小,最后趋同;

② 从温控前2个月的温度场分布可看出,仓面内部温度变化较大,而靠近上下游面温度变化较小,这也说明大坝内部容易出现横河向开裂的原因;

③ 到了中期降温、二期冷却大坝内部温度场变幅稳定,分布均匀,上下游表明温度高于内部温度;

④ 温度在持续下降的过程中,受到外界气温变化和相邻混凝土的影响还会随着时间而有一定的波动。

3) 热量转移。混凝土温度降低的过程就是热量转移的过程、水化热产生的热量转移给冷却水、相邻混凝土块和周边环境。混凝土热量转移给相邻混凝土块,使相邻混凝土块的温度曲线发生波动; 转移给冷却水,使冷却水温度升高,影响通水进出口水温差。在热量释放和转移期,一方面混凝土温度分布不均匀,混凝土内部各区域弹性模量值及其增长速率有一定差异性;另一方面混凝土内部湿度降低,温度也逐步降低,水化热反应速率慢,混凝土弹性模量增长缓慢,见图4

图4 混凝土温度与弹性模量的变化过程

2.2 混凝土早期降温特征

针对高坝大体积混凝土通水冷却早期的温降幅度或者降温速率控制非常重要[11], 因为在浇筑早期温度升温速率较快,如截止到2011年9月,对溪洛渡特高拱坝的781个混凝土浇筑仓实测温度过程线,统计分析表明高温季节实测最高温度一般在混凝土龄期的5.6d时达到,平均升温速率为2.68℃/d; 而低温季节实测最高温度一般在混凝土龄期的 4.37d 时达到,平均升温速率为3.44℃ /d。

按照中国规范[12,13], 在通水冷却控温期一般降温速率不大于1℃ /d。实际大坝设计中,一期冷却除要求达到目标温度的规定,同时要求降温阶段最大日降温速率≤0.5℃/d。本文试验结果显示混凝土早期温度变化的主要规律为:

① 混凝土浇筑完成2d内,温度变化率呈明显的驼峰状,最大变幅5~7℃/d, 而后趋于平缓并在第5~6d转入降温阶段。

② 浇筑完成1d后温度变化率达到峰值,在 1~2d内, 2h温度变化峰值为0.5~1℃, 4h温度变化峰值为1.5~2℃, 6h温度变化峰值为2.5℃左右, 12h温度变化峰值为4℃左右, 24h温度变化峰值为5~7℃。

③ 浇筑完成第2~6d, 混凝土温度变化率维持在1℃/d的范围内。

④ 仪器冷却的降温阶段,龄期第7d会出现一个降温高峰,如不加控制降温变幅能达到1~4℃/d, 如果加以精细控制,降温速率可控制在0.2℃/h, 每天的控制精度可达到0.2~0.3℃/d。

2.3 温度场演化的非均匀性

温度场演化在3种演化阶段都呈现出明显的非均匀性,施工期混凝土温度场演化的非均匀性主要由2种因素造成:

1) 施工工序。特高拱坝在混凝土浇筑中,仓面面积大,采用分层浇筑和条带法施工。在同一层混凝土中,先浇筑的条带混凝土先达到最高温度,后浇筑的条带混凝土后达到温度峰值,引起同一层混凝土温度场的不均匀。下一层混凝土温度场的不均匀又对相邻层混凝土温度场产生影响,使得温度场演化的非均匀性更为复杂。以监测25#32试验仓为例进行说明。根据系统实时监测的大坝混凝土内部温度绘制出仓面温度云图2可知:

① 仓面的温度升高速度与仓面施工顺序相关,先施工的条带先达到温度最高值,后施工的条带混凝土温度滞后,因此形成混凝土温度场纺锤形分布,如图2b;

② 上下游混凝土与中部混凝土由于施工在升温阶段存在温差,在一期降温阶段温差逐步扩大,再到逐步缩小,最后趋同。

2) 散热边界。施工期混凝土块体的散热边界包括与大气直接接触的横缝面和仓面、贴有保温板的上下游面、与相邻混凝土块的接触面。散热边界条件的多样性和气候的复杂性,对混凝土温度场演化的非均匀性有直接的影响。

3 温度场演化与混凝土开裂风险讨论
3.1 温度场演化与开裂风险关系

影响特高拱坝开裂的主要因素[14,15]包括: 温度影响裂缝、地基影响裂缝、混凝土质量引起裂缝、勘测设计不足引起裂缝、大坝细部结构影响裂缝和地震裂缝,其中温度和地基影响是关键因素。大坝混凝土的干缩裂缝多发生在结构表面,缝深一般较小,而温度变化引起的裂缝则可能是贯穿性的,如李家峡拱坝内部温度裂缝,开裂方向多为坝轴线方向,如图5所示,图中σ1为拉应力,11#—13#坝段仓面高程分别为2066.0m, 2062.0m, 2066.7m。已有的研究成果分析[16,17]揭示裂缝开裂原因主要是在当时外界气温平均温度只有9℃与混凝土内部温度高达32℃条件影响下,由于寒流突然侵袭,坝体表面降温较快,混凝土内外温度梯度较大所引起的温度开裂原因。

图5 李家峡拱坝11#-13#坝段温度裂缝示意图

基于本文第2部分讨论的真实温度场演化规律,可更深入的分析李家峡裂缝成因。裂缝产生主要发生在温度积累阶段,此时混凝土弹性模量较低,塑性大。在温升过程中,混凝土内部积累了较小的压应力。从温度场分布看,上下游部分先后成为高温区(见图2b), 压应力水平较高; 仓面中部是温度过渡区,温度低一些,压应力水平也相应的稍微低一些。因此,大坝仓面靠近上下游面区域与仓面中部形成温度梯度,从而产生垂直坝轴向拉应力,如遇上寒潮,则增加了温度梯度,进而导致混凝土容易出现初始局部开裂。当温度进入转移阶段,混凝土弹性模量可达到最终的90%。混凝土平均温度在温度转移过程中变小,压应力逐渐被混凝土收缩产生的拉应力所抵消,混凝土内部应力场转变为拉应力场。由于上下游部分在温度积累阶段压应力水平较高,故拉应力较小。相反,仓面中部的拉应力则较大,在通水冷却的温度释放阶段,混凝土温度的日降幅度较大,拉应力水平进一步增大。仓面中部的拉应力最高,因而最接近达到混凝土所能容许的极限拉应力值,开裂相互贯通风险最大。

3.2 温度开裂风险控制

在实际工程中,针对最高温度预警控制,依据实测温度成果[11],当混凝土温度将超过设计允许值时,应加大通水流量进行控温;当混凝土温度达到实测最高温度后,应提高通水温度或减小通水流量进行控温。需采用增加冷却水管方法控制最高温度时,应适当提高通水温度,并控制通水流量,确保混凝土内部温度梯度在合适的范围内。

试验仓单层水管埋设采取梅花形布置,混凝土内部水管长度约为1 200m。冷却水在水管内流动,吸收混凝土热量,温度不断升高。对试验仓25#32的通水冷却流量与冷却水进出口温差关系进行分析(图6), 结果表明:

图6 25#32混凝土温度与通水冷却的过程线

① 进出口冷却水温差波动范围在1.5~3℃。

② 冷却水流量与进出口温差具有反相关性,冷却水流量越大,进出口冷却水温差越小。当通水流量为20L/min时,冷却水进出口温差为2~5℃; 当通水流量为70~90L/min时,冷却水进出口温差为1~4℃。

③ 智能通水冷却的通水流量表现为是实时动态波动,混凝土温度变化则呈现总体平缓下降。

混凝土结构因温度变化产生的变形受到约束,温度变化不均匀导致温度梯度过大,温度变化过快使混凝土变形不协调等都会引起宏观裂缝的产生和扩展。温度开裂风险控制的关键在于改善混凝土的温度场。从温控措施的进展来看,近年来主要体现在: 强化保温措施、提出“小温差、早冷却和慢冷却”与“数字监控”的温控理念等[8]。结合国内外拱坝的开裂实例分析[14,15,18]可知,温度开裂风险控制除了采取常规措施,即4个方面:即提高抗裂、降低产热、从严温控和改善约束,还需要结合温度场演化规律对施工、设计、管理等做出调整。具体措施包括:

① 针对温度场演化规律,研发基于实时温度应力反馈调节控制的智能温控系统;

② 加强单仓浇筑强度,采用快速条带均匀施工法。

4 结论

本文通过对大体积混凝土真实温度场演化规律的现场试验研究,得出如下主要结论:

1) 大体积混凝土温度场演化过程包含热量积累、热量释放和热量转移这3个特征阶段。热量积累阶段混凝土温度快速上升,温度场非均匀分布特征明显。热量释放和转移阶段,混凝土内部温度逐步均匀化。

2) 在热量积累阶段,混凝土内部积累了较小的压应力,相对于仓面的上下游部分,仓面中部压应力水平也相应低一些。在热量转移阶段,混凝土内部应力场转变为拉应力场,仓面中部的拉应力则较大。在热量释放阶段,混凝土拉应力水平进一步增大,仓面中部的拉应力最高,开裂风险最大。

3) 大体积混凝土温度开裂风险控制除采取常规措施外,研发基于实时温度应力反馈调节控制的智能换热温控系统是大体积混凝土温控防裂的重要发展方向。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Aly T, Sanjayan J G. Shrinkage-cracking behavior of OPC-fiber concrete at early-age[J]. Materials and Structures, 2010, 43: 755-764. [本文引用:1]
[2] Choi S, Cha S W, Oh B H, et al. Thermo-hygro- mechanical behavior of early-age concrete deck in composite bridge under environmental loadings. Part 1: Temperature and relative humidity[J]. Materials and Structures, 2011, 44: 1325-1346. [本文引用:1]
[3] Wetzel A, Herwegh M, Zurbriggen R, et al. Influence of shrinkage and water transport mechanisms on microstructure and crack formation of tile adhesive mortars[J]. Cement and Concrete Research, 2012, 42: 39-50. [本文引用:2] [JCR: 3.848]
[4] Nara Y, Takada M, Mori D, et al. Subcritical crack growth and long-term strength in rock and cementitious material[J]. International Journal of Fracture, 2010, 164(1), 57-71. [本文引用:1] [JCR: 1.348]
[5] Kim J K, Han S H, Song Y C. Effect of temperature and aging on the mechanical properties of concrete (Part I): Experimental results[J]. Cement and Concrete Research, 2002, 32: 1087-1094. [本文引用:1] [JCR: 3.848]
[6] 黄达海, 陈彦玉, 王祥峰, . 基于分布式光纤测温的特高拱坝温控预报研究[J]. 水利水电技术, 2010(09): 42-46.
HUANG Dahai, CHEN Yanyu, WANG Xiangfeng, et al. Study on prediction of temperature control of super-high concrete arch dam with fiber-optic-based distributed temperature sensing[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2010(09): 42-46. [本文引用:1] [CJCR: 0.372]
[7] 吴中如. 水工建筑物安全监控理论及其应用 [M]. 北京: 高等教育出版社, 2003.
WU Zhongru. Safety Monitoring Theory and its Application of Hydraulic Structures [M]. Beijing: Higher Education Press, 2003. [本文引用:1]
[8] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制 [M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2012.
ZHU Bofang. Thermal Stresses and Temperature Control of Mass Concrete [M]. Beijing: China Water Power Press, 2012. [本文引用:1]
[9] LIN Peng, LI Qingbin, HU Hang. A flexible network structure for temperature monitoring of a super high arch dam [Z/OL]. (2013-04-30), http://www.hindawi.com/journals/ijdsn/2012/917849/. [本文引用:3]
[10] 李庆斌, 林鹏. 论智能大坝[J]. 水力发电学报, 2014, 33(1), 139-146
LI Qingbin, LIN Peng. Demonstration on intelligent dam[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2014, 33(1), 139-146. [本文引用:1] [CJCR: 0.656]
[11] 林鹏, 李庆斌, 周绍武, . 大体积混凝土通水冷却智能温度控制方法与系统[J]. 水利学报, 2013, 44(8), 950-957
LIN Peng, LI Qingbin, ZHOU Shaowu, et al. Intellectual control method and system of mass concrete temperature with cooling pipes[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2013, 44(8), 950-957 [本文引用:6] [CJCR: 1.308]
[12] DL/T5436-2006. 混凝土拱坝设计规范[S]. 北京: 中华人民共和国国家发展和改革委员会, 2007.
DL/T5436-2006. Design Criteria for Concrete Arch Dam[S]. Beijing: The National Development and Reform Commission of the People's Republic of China, 2007. [本文引用:1]
[13] SL282-2003. 混凝土拱坝设计规范[S]. 北京: 中华人民共和国水利部, 2003.
SL282-2003. Design Criteria for Concrete Arch Dam[S]. Beijing: The Ministry of Water Resources of the People's Republic of China, 2003. [本文引用:1]
[14] LIN Peng, LIU Hongyuan, LI Qingbin, et al. Effects of outlets on cracking risk and integral stability of super high arch dams [Z/OL]. (2013-04-30), http://www.hindawi.com/journals/tswj/2014/312827/. [本文引用:2]
[15] LIN Peng, MA Tianhui, LIANG Zhengzhao, et al. Failure and overall stability analysis on high arch dam based on DFPA code [Z/OL]. (2013-04-30), http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630714002040. [本文引用:2]
[16] 钱宁, 薛振江. 李家峡水电站主坝混凝土裂缝及缺陷处理[J]. 西北水电, 2000 (04): 29-31.
QIAN Ning, XUE Zhenjiang. Crack and deficit treatment of dam concrete for Lijiaxia Hydropower Station[J]. Northwest Hydropower, 2000 (04): 29-31. [本文引用:1]
[17] LIN Peng, LIU Xiaoli, CHEN Hongxin, et al. Ant colony optimization analysis on overall stability of high arch dam basis of field monitoring [Z/OL]. (2013-04-30), http://www.hindawi.com/journals/tswj/2014/483243/. [本文引用:1]
[18] 王仁坤, 林鹏, 周维垣. 复杂地基上高拱坝开裂与稳定研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(10): 1951-1958.
WANG Renkun, LIN Peng, ZHOU Weiyuan. Cracking and stability problems of high arch dams on complicated rock foundations[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(10): 1951-1958. [本文引用:1] [CJCR: 2.227]