大體積混凝土溫度場(chǎng)分析與施工控制

葉鴻斌

(中鐵二局機(jī)械筑路工程有限公司，四川 成都 610031)

我國(guó)對(duì)大體積混凝土的定義為:混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸等于或大于1 m，或預(yù)計(jì)會(huì)因水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而導(dǎo)致裂縫的混凝土。美國(guó)則規(guī)定為任何現(xiàn)澆混凝土，只要有可能產(chǎn)生溫度影響的混凝土均稱為大體積混凝土。大體積混凝土溫度場(chǎng)分析是大體積混凝土施工的基礎(chǔ)工作，做好理論溫度場(chǎng)分析，將能正確指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的溫度控制。

1 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生機(jī)理

大體積混凝土的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)厚實(shí)，混凝土體積大，工程條件比較復(fù)雜，施工技術(shù)要求高。由于其表面系數(shù)比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內(nèi)部溫升比較快，導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差較大，使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，形成結(jié)構(gòu)的初始損傷。

大體積混凝土施工階段所產(chǎn)生的溫度裂縫，一方面是由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生的;另一方面是混凝土結(jié)構(gòu)的外部約束和混凝土各質(zhì)點(diǎn)間的約束，阻止混凝土收縮變形，混凝土抗壓強(qiáng)度較大，但抗拉能力卻很小，所以溫度應(yīng)力一旦超過混凝土能承受的抗拉強(qiáng)度，即會(huì)出現(xiàn)裂縫。

大體積混凝土內(nèi)出現(xiàn)的裂縫按深度的不同，分為表面裂縫、貫穿裂縫及深層裂縫三種。混凝土澆筑初期，因內(nèi)部溫度升高發(fā)生膨脹，但混凝土表面的溫度下降較快，相對(duì)應(yīng)變較小，從而使混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，表面裂縫產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示?；炷猎跍囟认陆禃r(shí)會(huì)發(fā)生收縮，但受到與其接觸的地基或者已澆筑混凝土等的約束而產(chǎn)生拉力，從而使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生貫通裂縫，貫通裂縫產(chǎn)生機(jī)理如圖2所示。大體積混凝土由于體積較大，在施工中往往采用分層澆筑，先期澆筑的混凝土與后澆筑混凝土結(jié)合處，易產(chǎn)生深層裂縫。

圖1 表面裂縫(放熱時(shí))

圖2 貫通裂縫(冷卻時(shí))

2 工程背景及配合比設(shè)計(jì)

某高速公路橋梁橋墩承臺(tái)，結(jié)構(gòu)尺寸為15.4 m×24.6 m×4.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，澆筑量為1830 m3。在混凝土澆筑前，根據(jù)施工環(huán)境及設(shè)計(jì)施工要求，進(jìn)行多組不同摻量的試配級(jí)配，選擇最優(yōu)的配合比——水泥∶水∶黃砂∶碎石∶外加劑∶粉煤灰=328∶184∶678∶1071∶8.72∶1.08(單位:kg/m3)，混凝土采用泵送施工。

3 溫度監(jiān)控措施

為保證施工質(zhì)量，掌握溫控信息，及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)溫控措施，建立圖3所示溫度監(jiān)控流程。

圖3 溫度監(jiān)控流程

4 理論分析

4.1 建立有限元模型

根據(jù)工程實(shí)際，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，取結(jié)構(gòu)1/4建立有限元實(shí)體模型。模型包括2 m厚的地基和承臺(tái)兩個(gè)部分。為保證計(jì)算精度，將模型劃分為1916個(gè)單元，2485個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)體模型如圖4所示。模型的參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響，參考文獻(xiàn)3和文獻(xiàn)4，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，本模型的材料參數(shù)取值見表1。

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圖4 結(jié)構(gòu)1/4模型

模型的邊界條件為:1/4對(duì)稱面為絕熱邊界;承臺(tái)與空氣接觸面取溫度為20℃;地基位于土層中，溫度基本不隨氣溫變化，按固定溫度邊界條件處理，固定溫度取21℃。

模型按無管冷和有管冷進(jìn)行有限元數(shù)值分析。

4.2 有限元分析結(jié)果

無管冷模型和有管冷模型的有限元數(shù)值分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 無管冷結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布(℃)

5 承臺(tái)施工溫度控制

5.1 溫度控制措施

由于體積大，施工過程中，采用如下溫控與防裂措施。

圖6 有管冷結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布(℃)

(1)承臺(tái)分兩次澆筑，第一次澆筑下部2.4 m部分，第二次澆筑上部2.1 m部分;

(2)布置三層冷卻水管，從混凝土初凝后開始通水，以降低混凝土水化熱;

(3)混凝土初凝后及時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)，并在混凝土表面覆蓋一層塑料薄膜，外面再覆蓋地毯，以降低混凝土內(nèi)外溫差;

(4)根據(jù)溫度傳感器測(cè)溫結(jié)果控制水管開關(guān)，必要時(shí)啟用增壓泵，提高水流速度，確保混凝土內(nèi)外溫差小于25℃;

(5)混凝土內(nèi)布置防裂鋼筋;

(6)采用寰宇?yuàn)Z標(biāo)一線通測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5.2 溫控結(jié)果

測(cè)點(diǎn)1(第一次澆筑2.4 m承臺(tái)中心位置)和測(cè)點(diǎn)2(第二次澆筑2.1 m承臺(tái)中心位置)的溫度監(jiān)控曲線如圖7和圖8所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)1溫度時(shí)程曲線

從圖7和圖8可以看出，有管冷模型相比于無管冷模型，最高溫度前者比后者低7℃，有水管冷降溫效果顯著?；炷猎跐仓r(shí)長(zhǎng)3 d內(nèi)，溫度升高較快，在70 h左右即達(dá)到最高溫度。之后緩慢下降，10 d內(nèi)部溫度仍高于50℃，此時(shí)應(yīng)根據(jù)混凝土表面溫度值是否滿足內(nèi)外溫差低于25℃，決定是否繼續(xù)向冷卻水管通水。測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度時(shí)程曲線和模型計(jì)算曲線有較高的吻合度，表明該方法有良好的精度，可以作為大體積混凝土溫度場(chǎng)的分析手段。

6 結(jié)論

圖8 測(cè)點(diǎn)2溫度時(shí)程曲線

(1)本文分別考慮有冷卻水管和 無冷卻水管作用，建立實(shí)體有限元模型，對(duì)大體積混凝土承臺(tái)進(jìn)行施工期水化熱溫度場(chǎng)分析，通過分析比較，結(jié)果表明設(shè)置冷卻水管降溫效果顯著。

(2)通過有限元程序計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比較，兩者吻合較好，因此該方法可作為指導(dǎo)大體積混凝土設(shè)計(jì)和施工的一種方法，從而更好地控制大體積混凝土的溫度場(chǎng)。

［1］GB 50204－2002混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］

［2］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1999

［3］朱岳明，賀金仁，肖志喬，等.混凝土水管冷卻試驗(yàn)與計(jì)算及應(yīng)用研究［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，31(6):626－630

［4］趙英菊，王社良，康寧娟.ANSYS模擬大體積混凝土澆筑過程的參數(shù)分析［J］.科技信息(學(xué)術(shù)版)，2007(14):96－97

［5］王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997:85－90

［6］李達(dá)，暴育紅.大體積混凝土的溫差裂縫控制措施及熱工計(jì)算［J］.混凝土，2006(3):88－90

［7］王勛文，呂賢良，劉曉光.薄壁空心寬墩的防裂技術(shù)［J］.鐵道建筑，2008(1):40－42