高温环境对连续施工的碾压混凝土影响

碾压混凝土连续施工指的是不考虑对碾压层面进行处理,各碾压层面不间断地施工,直至完成一个浇筑块的混凝土施工。施工过程中的气温、降雨、相对湿度、风速及太阳辐射等环境条件因素对施工质量有着重要的影响。

太阳辐射是影响混凝土连续施工质量的一个重要因素。气温的高低与太阳辐射热的大小密切相关。在炎炎烈日下,混凝土拌和物会因吸收太阳辐射热而温度升高,使混凝土表面的水分蒸发加快。

大气相对湿度也是影响碾压混凝土连续施工质量的一个重要的环境因素。浇筑仓面上大气相对湿度小,将使得摊铺后的碾压混凝土中的水分蒸发加快,从而使碾压混凝土特别是表层混凝土失水。在夏季施工中,这种影响将变得更加突出。

风速也将加快混凝土表面的水分蒸发,使得表层混凝土因失水而引起含水量减小,从而也会使混凝土初凝时间缩短、VC值增大、振动碾难以压实。

碾压混凝土连续施工的施工质量同时受到以上各种环境因素的综合影响,各因素之间是相互联系、相互影响的。气温高主要是强烈日照的结果;风速大往往使得混凝土仓面大气相对湿度减小,混凝土拌和物表面水分蒸发加快;当仓面大气相对湿度较大时,刮风首先使空气中的水分发生迁移,由于湿度大,则难以对碾压混凝土表面产生大的影响,相反,当仓面大气相对湿度较小时,刮风会使碾压混凝土表面蒸发加快,加剧水分散失,使碾压混凝土表面变干发白。

目前,由于条件所限,还难以将某一因素分离出来单独进行研究。为了能使问题得到简化又能较真实地反映客观情况,研究中将太阳的辐射热和气温一起考虑。将蒸发、风速和大气相对湿度一起考虑时,提出了在高温环境条件下碾压混凝土连续施工中影响施工质量的两类主要因素,即环境(仓面)气温和大气相对湿度。通过室内模拟试验结果,并结合室外有关试验资料,探讨其在高温环境条件下,对碾压混凝土连续施工质量的影响规律及影响程度。

(一)碾压混凝土连续施工的判定

在高温环境下,判断碾压混凝土是否可以连续施工,其标准可用碾压混凝土的层间允许间隔时间来表示。

碾压混凝土层间允许间隔时间是指当碾压混凝土连续上升铺筑时,从下层混凝土拌和加水算起到上层混凝土碾压完毕为止的允许间隔时间。DL/T 5112—2000 《水工碾压混凝土施工规范》要求,碾压混凝土的层间允许间隔时间应控制在初凝时间以内,且混凝土拌和物从拌和到碾压完毕的历时应不大于2h。对碾压混凝土的层间允许间隔时间作如此规定,说明只有在允许间隔时间以内才能保证下层混凝土在初凝以前的塑性状态下铺盖上层混凝土并碾压完毕,也才能保证上下层面的良好结合。否则,不仅会使层面形成冷缝,也会使下层刚初凝或初凝不久的混凝土遭受到振动碾压的影响而破坏,形成松散层,成为碾压混凝土的薄弱环节,或者说是施工缺陷,给碾压混凝土大坝造成隐患。

在高温环境下进行碾压混凝土连续施工,其关键问题是要严格控制碾压混凝土的层面间隔时间,使其控制在层间允许间隔时间内。由于层间允许间隔时间受碾压混凝土拌和物自身性质和环境条件的影响,因此重点研究碾压混凝土浇筑时在已知仓面环境气温和大气相对湿度下,层间允许间隔时间与层面抗剪强度参数之间的关系。

(二)气温及湿度对碾压混凝土连续施工的影响

将试验数据进行曲线拟合,可得到如下关系式

式中 c′——碾压混凝土层间凝聚力,MPa;

f′——碾压混凝土层间内摩擦系数;

c′max——碾压混凝土层间间隔时间接近于零时的层间最大凝聚力,实测c′max=3.65MPa;

f′max——碾压混凝土层间间隔时间接近于零时的层间最大内摩擦系数,实测f′max=1.66;

c′min——当t Ta→∞(以t Ta→2600h·℃考虑)时,碾压混凝土层间的最小凝聚力与湿度Hr 有关,经拟合,c′min=0.173+0.825Hr,MPa;

f′min——当t Ta→∞(以t Ta→2600h·℃考虑)时,碾压混凝土层间的最小内摩擦系

数与湿度Hr 有关,经拟合,f′min=0.679+0.371Hr;

α——拟合c′-t Ta 及Hr 关系曲线的参数,经拟合,α=0.00128;

β——拟合f′-t Ta 及Hr 关系曲线的参数,经拟合,β=0.00131;

t——碾压混凝土的层间间隔时间,h;

Ta——碾压混凝土层间间隔时的仓面环境温度,℃;

e——自然对数的底。

将上述各参数值代入式(3-3-9)及式(3-3-10)中,并将常数项合并,经整理得

由式(3-3-11)和式(3-3-12),可揭示如下基本规律:

(1)当成熟度t Ta 较小时,不同的环境大气相对湿度Hr 对碾压混凝土层间抗剪断强度参数c′及f′的影响不明显。

(2)在环境大气相对湿度Hr 相同的情况下,碾压混凝土层间抗剪断强度参数c′、f′随成熟度t Ta 的增大而减小。

(3)在成熟度t Ta 相同的条件下,碾压混凝土层间抗剪断强度参数c′、f′随环境大气相对湿度Hr 的增大而增大。

对式(3-3-9)和式(3-3-10)做进一步的变换,移项后两边取对数,得

将式(3-3-13)和式(3-3-14)相加,经变换后,得

式中 c′——碾压混凝土设计施工控制的层间凝聚力,龙滩取c′=3.24MPa;

f′——碾压混凝土设计施工控制的层间内摩擦系数,龙滩取f′=1.56。

则碾压混凝土的层间允许间隔时间[t]可表示为

将各有关参数代入式(3-3-16),可得

式(3-3-17)即为碾压混凝土层间间隔时间的计算分析式。从式(3-3-10)可以看出,在设计施工控制的参数c′、f′确定后,式(3-3-17)可表示为[t]≤f(Ta,Hr)的函数关系,该式说明碾压混凝土层间间隔时间 [t]与仓面气温Ta、大气相对湿度Hr有关。由此可计算出在不同气温和不同湿度条件下,碾压混凝土施工时的层间间隔时间。也就是说,如果能测出浇筑仓面的温度、大气相对湿度,就可以得到保证碾压混凝土施工质量所需控制的层间间隔时间。根据公式(3-3-17)可以计算龙滩水电站碾压混凝土在不同的仓面温度、相对湿度条件下施工的层间间隔时间[t],结果见表3-3-9。

表3-3-9　不同温度和相对湿度时允许层间间隔时间 [t]汇总表　单位:h

续表

在式(3-3-17)中,若将Ta 移至左端,则变为

式(3-3-18)左端即为允许成熟度,它是施工仓面大气相对湿度的函数。从式(3-3-18)可以看出,在某一设计施工控制的层间抗剪断强度参数值确定后,层间的允许成熟度与仓面大气相对湿度有关。即在某一相对湿度下,允许成熟度是一个固定值,当层间的成熟度小于或等于允许成熟度时,才可以进行连续施工。于是表3-3-9可以变换为表3-3-10的形式,即为相对湿度与允许成熟度对应关系。

表3-3-10　相对湿度与允许成熟度对应关系

将表3-3-10绘制成图3-3-3,并经曲线拟合,得出仓面大气相对湿度与层间允许成熟度的关系表达式为

拟合曲线的相关系数为R=0.9985,说明拟合效果很好。

对图3-3-3而言,有价值的是在设计施工确定的层间抗剪断强度参数下寻求层间的允许成熟度。具体的做法是,在图3-3-3的纵坐标上,通过设计施工确定的层间抗剪断强度参数取点,作平行于横坐标的直线,与某一湿度的曲线相交,其交点对应的横坐标上的成熟度即为对应相对湿度下的层间允许成熟度。由此可计算出在不同相对湿度条件下,层间抗剪断强度参数与允许成熟度的关系,见表3-3-11。

表3-3-11进一步扩大了试验成果的使用范围,在碾压混凝土原材料及配合比不变的情况下,若不同部位设计要求的层间抗剪断强度参数不同,即可很快找出在某一相对湿度下对应的层间允许成熟度,若气温已知,便可确定其层间的间隔时间。由表3-3-11的横行可以看出,当施工环境(仓面)的大气相对湿度Hr 相同时.随着设计施工要求的碾压混凝土抗剪断强度指标c′、f′的降低,允许成熟度[t]Ta 将增大,反之则减小;从纵列看,当允许成熟度[t]Ta 相同时,随着仓面大气相对湿度Hr 的增加,施工的碾压混凝土的抗剪断强度参数c′、f′的值也将随之增加,反之则减小。

图3-3-3　相对湿度与层间允许成熟度关系曲线

表3-3-11　不同相对湿度时层间抗剪断强度参数c′/f′值

(三)风速对碾压混凝土连续施工的影响分析

工程实践中,碾压混凝土坝在高气温环境条件下施工,除了气温(含日照影响)和施工环境(仓面)的大气相对湿度的影响外,还会受到刮风的影响,其影响程度与风速的大小有关。针对风速的影响,中南勘测设计研究院曾进行了有关的试验和研究。

由于刮风,混凝土层面的相对湿度降低,引起混凝土表面蒸发加快,使其表面水分迁移与散失,从而引起混凝土表层含水量减小。这种水分迁移与混凝土的热传导原理相似,可参照一维热传导方程无热源嵌固板的数学解法解算。如图3-3-4所示,将已浇筑混凝土的坝体部位视为半无限体,坐标原点定在无风时等效混凝土虚拟层面边界上,等效混凝土虚拟层厚度为αH/βH,其中αH 为相对湿度迁移系数,m2/h;βH 为相对湿度交换系数,m/h。

图3-3-4　无风时相对湿度沿碾压混凝土厚度的分布曲线

将相对湿度方程写为

上述偏微分方程的定解条件为

其数学解为

式中 Hs——碾压混凝土层面的相对湿度;

Ha——浇筑仓面大气的相对湿度;

t——碾压混凝土层间的间隔时间,h。

如令

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则该误差函数可表示为

刮风时由于相对湿度交换系数增大,等效混凝土虚拟层的厚度由无风时的αH/βH 降低到有风时的αH/βH1,混凝土层面的相对湿度也由无风时的Hs 降低到有风时的Hs1(如图3-3-5所示)。即风的作用相当于使混凝土表面的相对湿度由Hs 降低到Hs1。因此,只要以Hs1代替Hs,以αH/βH 1代替αH/βH,则可得到有风时的碾压混凝土层面湿度的计算公式,即

式中 Hs1——有风时碾压混凝土层面的相对湿度;

βH1——有风时碾压混凝土层面湿度交换系数,m/h;

t——碾压混凝上层面遭受风吹的持续时间,h。

图3-3-5　有风与无风时的混凝土层面湿度及空气相对湿度关系曲线

为使问题简化以及考虑最不利情况,假设在层面允许间隔时间内均在刮风,即认为风的持续时间与层面的允许间隔时间相同。令

则

将式(3-3-21)减去式(3-3-23),并经整理后得

由图3-3-5可见,起风时相当于使碾压混凝土浇筑仓面的大气相对湿度由Ha 降低到Ha1,相应使混凝土表面湿度由Hs 降低到Hs1。由于虚拟层厚度αH/βH 或αH/βH 1均较小,一般只有几厘米,可近似假设Hs-Hs1=Ha-Ha1,将其代入式(3-3-24)中,则

式中 Ha1——碾压混凝土浇筑仓面有风时大气相对湿度。

式(3-3-25)为有风时浇筑仓面大气相对湿度转换计算式。按式(3-3-25)求得Ha1之后,以Ha1代替式(3-3-17)中的Hr,即为所求有风时的层面允许间隔时间[t]。

根据前述有风时的分析方法,也可计算出无风时各参数之间的相互关系,不再赘述。求解Ha1时,必须已知参数αH、βH、βH1,这些参数值可通过以下分析和实测资料求得。

由于混凝土的湿度交换作用与混凝土的热交换作用具有相似性,两者的相似关系表现为毕欧准数的相似性。混凝土热交换作用的毕欧准数βiT 为

式中 βT——混凝土热交换系数,W/(m2·K);

L——混凝土的结构尺寸,m;

C——混凝土的比热容,J/(kg·K);

ρ——混凝土的密度,kg/m3;

αT——混凝土的热扩散率,m2/h。混凝土湿度交换作用的毕欧准数βiH 为

式中 βH——混凝土湿度交换系数,m/h;

L——混凝土的结构尺寸,m;

αH——混凝土的湿度迁移系数,m2/h。

由相似准则可写为

式中 λ——相似系数。

由实测资料得:C=837.2J/(kg·K)、ρ=2450kg/m3、αT=0.0052m2/h、αH=1.8×10-6 m2/h、βH=(1.3 ～ 1.5)×10-4 m/h(当 风 速Vw =2.5m/s 时)、βT =7.33+4.00Vw[W/(m2·K)](碾压混凝土层面以粗糙表面考虑)。

将上述各值代入式(3-3-29),则有λ=12.3～14.2,如果取λ=13,则有

有风时(Vw>0),碾压混凝土湿度交换系数的计算公式为

无风时(Vw=0),碾压混凝土的湿度交换系数为

将上述有关参数代入式(3-3-25)中,可计算出Ha1,再将Ha1代入式(3-3-19)中,则可计算出有风时的层间间隔时间[t]。假设在碾压混凝土施工过程中一直受到刮风的影响,式(3-3-26)是一个隐式,可用迭代法求解。Ha1计算式中的误差函数erf(u)和erf(u1)按三点高斯数值积分求得。

龙滩水电站坝址区高温季节6、7、8、9月份的最大风速分别为12m/s、14m/s、12m/s、8m/s,全年最大风速为14m/s。为了研究风速Vw 的大小对层间间隔时间[t]的影响程度,分别计算了风速为5m/s、10m/s、14m/s三种情况,并比较了有风时仓面大气相对湿度Ha1与无风时仓面大气相对湿度Ha 的变化关系,如表3-3-12～表3-3-14所示,有风时的[t]值是根据式(3-3-26)计算得到的。

表3-3-12　风速Vw=5m/s时允许层间间隔时间　单位:h

表3-3-13　风速Vw=10m/s时允许层间间隔时间　单位:h

表3-3-14　风速Vw=14m/s时允许层间间隔时间　单位:h

为了便于分析比较无风和有风以及风速大小对碾压混凝土允许层间间隔时间 [t]的影响程度,现选取几种不同气温Ta、仓面大气相对湿度Ha(Ha1)、风速Vw,研究[t]的变化情况,见表3-3-15。

表3-3-15　不同Ta、Ha(Ha1)条件下Vw 与[t]的对应关系　单位:h

注 括号中的数值为大气相对湿度Ha(Ha1)。

由表3-3-15可知,在浇筑仓面高气温(30℃)、高湿度(0.82～0.76)与低气温(15℃)、高湿度(0.82～0.76)的条件下,风速为14m/s时比无风时的层间间隔时间缩短约4%;而在高气温(30℃)、低湿度(0.40～0.21)与低气温(15℃)、低湿度(0.40～0.21)的条件下,均缩短约10%。这说明风速对层间间隔时间的影响,除与风速的大小有关外(风速大,影响大;风速小,影响小),还与当时仓面大气相对湿度的大小密切相关,而与气温的高低关系相对较小。在低湿度时,风速对层间间隔时间的影响比高湿度时大。也就是说,仓面风速越大,大气相对湿度越低,层间间隔时间就越小。因为仓面大气相对湿度大时,刮风引起的混凝土表面水分蒸发由于有空气中水分的阻隔而较小;大气相对湿度小时,刮风会明显加快混凝土表面的水分蒸发,使表层混凝土中的含水量减小,混凝土表面变干发白,因而会对碾压混凝土的施工质量造成显著的不利影响。此外,风的持续时间长,对碾压混凝土施工质量的不利影响大;持续时间短,影响则较小。

如前所述,在有风条件下,风速对碾压混凝土连续施工的影响,反映在仓面大气相对湿度减小、蒸发加快、相应的层间间隔时间减少。为了进一步讨论风速的大小对大气相对湿度的影响程度,仍以表3-3-12～表3-3-14为例,由各表的第1列可见,起风前的相对湿度Ha=0.95,风速Vw 分别为5m/s、10m/s和14m/s时,有风时的相对湿度Ha1均降低到0.92 左右,为Ha 的96.8%;Ha=0.40 时,Ha 分别降低到0.28、0.13 和0.05,分别为Ha 的70%、32.5%和12.5%。以上有关参数的比较说明了两个方面的问题:①说明起风前仓面大气相对湿度较大时,不同风速对大气相对湿度Ha 减少的影响较小,没有明显的差异;②说明起风前仓面湿度较低时,风速对Ha 降低的影响较大,湿度越低,风速越大,其影响程度也越大。

(四)太阳辐射热对碾压混凝土层面的影响

环境气温是将太阳辐射热引起的等效气温增量与气温叠加在一起进行考虑的。龙滩水电站位于北纬24°～25°之间,纬度偏低。尤其是在高温季节,日照较为强烈,太阳辐射热引起的等效气温增量也必然较大。因此,进一步了解太阳辐射热引起的气温增量以及对碾压混凝土施工的影响程度,以采取更有效的技术措施对碾压混凝土快速优质施工有十分重要的意义。

1.太阳辐射热的特点

太阳辐射热经过大气减弱以后,到达地面的辐射共有两部分:①以平行光线的形式直接投射到地面上,称为直接辐射;②经散射后自天空投射到地面上,称为散射辐射。两者之和称为总辐射,即为到达地面的太阳辐射。太阳直接辐射的强弱直接关系着到达地面的太阳辐射能量的大小。影响太阳直接辐射到物体表面的能量大小与太阳的高度角(太阳入射线与地平面的夹角)、物体接受太阳辐射热表面的方向、大气透明度、云量、海拔、地理纬度等有关。

图3-3-6　大体积混凝土表面对辐射的吸收和反射

混凝土同其他任何物体一样,当接受太阳的辐射热时,并不能全部将它吸收,另有一部分辐射热被它反射。当混凝土体积较大时,辐射能不可能穿透混凝土,成为无透射现象。如图3-3-6所示。

2.太阳辐射热对碾压混凝土施工的影响

碾压混凝土施工全过程中的温度变化,应当考虑太阳辐射热的影响。在温度边界条件中,以环境气温Ta+ΔTa 代替气温Ta,因为由气象台(站)提供的气温是在百叶箱中测得的,没有考虑太阳辐射热的影响。通过对太阳辐射热影响值的计算、平均辐射热计算、浇筑仓面上太阳辐射热计算等,可以看出龙滩工程碾压混凝土在高温条件下施工对气温升高的影响很大。据粗略计算,因太阳辐射热引起的等效气温增量,占环境气温的60%～70%,可见其影响程度很大。计算所得主要参数见表3-3-16。

表3-3-16　太阳辐射热对碾压混凝土施工影响的主要参数

太阳辐射热能引起碾压混凝土表层温升的多少,与混凝土初始温度的大小、外界气温的高低、混凝土层面暴露时间的长短、层面凸凹粗糙情况等有关。太阳辐射热引起气温增加、空气湿度减小、混凝土表面水分蒸发加快、混凝土入仓温度倒灌、混凝土浇筑温度增加等一系列不利影响。国内某混凝土坝施工资料显示,自10时至14时的自然气温变化为29～32.5℃,10时的混凝土出机口温度为14℃,12时温度就上升了10℃,平均1小时上升了5℃。关于混凝土浇筑温度沿深度的变化规律,某工程曾在夏季施工现场进行了观测,浇筑层厚度0.4m,其表层0.2m 混凝土受自然气温影响较大,深度0.25m 以下影响较小。

太阳辐射热对碾压混凝土施工中的影响较大,对位于偏低纬度地区的龙滩工程而言,在混凝土的运输、转运及浇筑等过程中,采取综合有效的防止温升措施尤为必要。

(五)成果分析

为了较方便地利用试验成果资料以及比较直观地表示龙滩水电站大坝碾压混凝土连续施工中层间允许间隔时间与有关环境因素(气温、湿度、风速)的关系,将无风时层间允许间隔时间与气温、温度的关系绘成曲线,如图3-3-7所示;将试验成果中有代表性的表3-3-14(最大风速14m/s)中的有关参数绘成关系曲线,如图3-3-8所示。其他图表可配合采用。

图3-3-7　无风时层间允许间隔时间与气温、湿度的关系

图3-3-8　风速Vw=14m/s时层间允许间隔时间与气温、湿度的关系

根据这些曲线,只要在碾压混凝土浇筑仓面测出了气温、大气相对湿度、风速,就可以很快地确定碾压混凝土的层间允许间隔时间。在此需要说明的是,各环境条件中的气象参数值,均为浇筑仓面的实测加权平均值,而不是气象台(站)百叶箱中的实测值或天气预报值。