大體積混凝土施工過程溫度控制研究及其實(shí)踐

龍勇彪，陳黎明

(1.湖南交通國際經(jīng)濟(jì)工程合作公司，湖南長沙 410011;2.湖南省溆懷高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南懷化 418000)

0 引言

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的迅速發(fā)展，橋梁工程的建設(shè)也取得了迅猛的發(fā)展，橋梁的跨越能力在不斷的增大，出現(xiàn)了若干跨越海峽的特大型橋梁。由于橋梁在朝著特大跨度發(fā)展，必然對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)形式提出更高的要求。其中的一個(gè)表現(xiàn)就是橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中越來越多地應(yīng)用到大體積混凝土這一結(jié)構(gòu)形式，如:單跨拱橋的拱腳結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋的0號(hào)塊，斜拉橋的橋塔以及地錨式懸索橋(該結(jié)構(gòu)具有極為強(qiáng)大的跨越能力)的錨碇構(gòu)造等等都是大體積混凝土結(jié)構(gòu)。這些構(gòu)造都是相關(guān)結(jié)構(gòu)的主要受力部分，其施工質(zhì)量直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)在施工過程以及成橋運(yùn)營階段結(jié)構(gòu)的安全。但是，上述大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中暴露出很多問題，其中比較常見的一個(gè)問題就是大體積混凝土在施工過程中的開裂問題［1］。相關(guān)混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:結(jié)構(gòu)實(shí)體最小尺寸不小于1m的混凝土結(jié)構(gòu)即可稱之為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。國外規(guī)范則規(guī)定:在施工過程中會(huì)因溫度的影響而開裂的結(jié)構(gòu)可視為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外對(duì)外力作用下引起的混凝土開裂問題研究較多也比較透徹［2］。但對(duì)由溫度荷載引起的結(jié)構(gòu)開裂問題的研究較少，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)中大體積混凝土的開裂問題更應(yīng)該引起設(shè)計(jì)和科研人員的足夠重視，進(jìn)而總結(jié)出防止危害結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生的方法?；诖?，本文以某地錨式懸索橋結(jié)構(gòu)的錨碇為工程背景，在理論研究與計(jì)算及裂縫開裂機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出了在施工過程中預(yù)防結(jié)構(gòu)由于溫度作用下開裂的措施。通過理論計(jì)算和實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，表明本文提出的大體積混凝土施工過程的溫控方法是可行并有效的，能夠?yàn)轭愃平Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 大體積混凝土溫度計(jì)算理論概述

1.1 計(jì)算結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的熱傳導(dǎo)方程

先假定某一各向同性、材質(zhì)均勻并且處于線性彈性狀態(tài)的固體，從中取出一微小六面體dxdydz(用于理論研究的微元)，如圖1所示。對(duì)該微元體考慮在單位時(shí)間內(nèi)從左界面流入的熱量為qxdydz，從右界面流出的熱量為qx+dxdydz，在該單位時(shí)間內(nèi)流入該微元體的凈熱量則為(qx－qx+dx)dydz。

圖1 微小六面體

基于熱傳導(dǎo)原理并遵循傅里葉定律，同時(shí)假定由微元體吸收的造成溫度升高的熱量必須等于從外界流入的凈熱量和由于結(jié)構(gòu)在水化反應(yīng)過程中所釋放的水化熱之和的基本假定可得［3］:

式中:a為導(dǎo)熱系數(shù)，a=λ/cρ，m2/h;Q 為熱量，J;τ為時(shí)間變量。

上式即為用于結(jié)構(gòu)熱力學(xué)計(jì)算的熱傳導(dǎo)方程。若考慮結(jié)構(gòu)處于絕熱條件下，則可得到絕熱條件下的熱傳導(dǎo)方程。若溫度沿某個(gè)坐標(biāo)方向是常數(shù)，可得到熱傳導(dǎo)方程的二維表達(dá)式;若溫度沿任意兩個(gè)坐標(biāo)方向是常數(shù)，可得到熱傳導(dǎo)方程的一維表達(dá)式;如果溫度不隨時(shí)間變化(恒溫條件)，即溫度變化只是空間坐標(biāo)的函數(shù)而與時(shí)間變量無關(guān)，在這種不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定溫度場中可得到熱傳導(dǎo)方程在恒溫條件下的表達(dá)式。

1.2 解答熱傳導(dǎo)方程的初值條件與邊界條件

表達(dá)式(1)所示的熱傳導(dǎo)方程建立起了混凝土結(jié)構(gòu)體的溫度與空間坐標(biāo)及時(shí)間的關(guān)系，但是該方程存在無窮多解，只有附加上初始條件和邊界條件，才能通過微分方程的求解方法得到上述熱力學(xué)方程的唯一解答，從而確定作用于結(jié)構(gòu)上的溫度場，所用的初始條件和邊界條件稱為定解條件。1.1中的熱傳導(dǎo)方程只有在已知大體積混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)部最初時(shí)各點(diǎn)的溫度分布情況(初始條件)及結(jié)構(gòu)的表面與周圍環(huán)境中的介質(zhì)(空氣、水及巖土等)之間的相互熱作用規(guī)律(邊界條件)才能求得唯一解得溫度在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的分布規(guī)律及其隨時(shí)間的變化規(guī)律。一般情況下，混凝土與周圍巖土以及現(xiàn)澆與后澆混凝土接觸面上的初始時(shí)刻溫度是不連續(xù)的。求解結(jié)構(gòu)物溫度分布的邊界條件分為如下4種［4］:

1)第一類邊界條件是指結(jié)構(gòu)的表面溫度可通過時(shí)間的已知函數(shù)來表達(dá)，當(dāng)混凝土與水接觸時(shí)，其表面溫度等于水溫，屬于此類邊界條件。

2)第二類邊界條件是指結(jié)構(gòu)表面的熱流量可通過時(shí)間的已知函數(shù)來表達(dá)。

3)第三類邊界條件則是指物體邊界上熱流量平衡條件，該條件運(yùn)用混凝土表面溫度T和大氣溫度Ta之差來線性表示通過混凝土表面熱流量，也就給出了結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境之間相互傳熱所滿足的條件。此類邊界條件被廣泛運(yùn)用于混凝土結(jié)構(gòu)物中。

4)第四類邊界條件:對(duì)于相互接觸的兩個(gè)固體，如接觸面良好，則熱流量和溫度在接觸面上都是連續(xù)的。反之，熱流量和溫度在接觸面上不連續(xù)。

在熱傳導(dǎo)方程以及相關(guān)的初值條件與邊界條件的基礎(chǔ)上，再結(jié)合混凝土的熱性質(zhì)、水泥水化熱以及混凝土的絕熱溫升等基本的材料熱力學(xué)參數(shù)，就可運(yùn)用有限單元方法對(duì)結(jié)構(gòu)在溫度下的熱力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算［4］。

2 大體積混凝土施工過程溫度裂縫形成機(jī)理及防治措施

2.1 大體積混凝土開裂原因及溫度應(yīng)力的形成機(jī)理

工程中引起混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的原因有多種，首先可能是結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理造成結(jié)構(gòu)在荷載(主要是恒載)作用下的受力裂縫(如箱梁施工過程中副腹板在剪應(yīng)力作用下的開裂);另外，施工過程中模板剛度不合理而產(chǎn)生的變形以及基礎(chǔ)不均勻沉降也會(huì)造成結(jié)構(gòu)的受力變化而引起開裂。其次，混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中也可能產(chǎn)生非受力裂縫，這種裂縫一般稱之為構(gòu)造裂縫，造成混凝土構(gòu)造性開裂的主要原因有多種:結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布不均勻，混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度的迅速變化，混凝土初凝后內(nèi)部濕度的變化，混凝土材料本身的脆性和不均勻性，水化反應(yīng)過程中的堿骨料反應(yīng)等。

對(duì)于大體積混凝土這一結(jié)構(gòu)而言，在施工過程中，由于混凝土硬化期間的水化反應(yīng)過程要放出大量水化熱，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度上升速度較快，但是結(jié)構(gòu)表面附近的溫度的增長比較滯后，因此會(huì)造成結(jié)構(gòu)溫度分布不均勻從而在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力;與此同時(shí)，結(jié)構(gòu)表面氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起較大的拉應(yīng)力。此外，在大體積混凝土強(qiáng)度發(fā)展后期的降溫過程中，由于基礎(chǔ)以及已澆筑混凝土對(duì)新澆筑混凝土的約束作用，也會(huì)使得混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。在鋼筋混凝土中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝土的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔(dān)。當(dāng)這些位置拉應(yīng)力如果超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就將造成混凝土結(jié)構(gòu)的開裂，從而出現(xiàn)裂縫。

混凝土在強(qiáng)度形成過程中溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下3個(gè)階段:①早期:自澆筑混凝土開始至水化反應(yīng)放熱基本結(jié)束，該階段特征主要是水泥放出大量的水化熱及混凝上彈性模量的急劇變化。②中期:自水泥放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，這個(gè)過程中，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起。③晚期:混凝土完全冷卻，此時(shí)的溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起。每一階段結(jié)束時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力都為該階段和此前所有階段的應(yīng)力的疊加。

2.2 施工中防止大體積混凝土開裂的措施

根據(jù)2.1中的混凝土溫度應(yīng)力形成及開裂機(jī)理分析，為了防止混凝土因溫度應(yīng)力的發(fā)展而引起開裂，可以從控制結(jié)構(gòu)的溫度變化、改善約束條件及改善材料性能等三個(gè)方面采取措施。

控制溫度的措施如下:①改善骨料級(jí)配，采用干硬性混凝土并摻加混合料(如引氣劑或塑化劑等)以減少水泥用量;②拌合混凝土?xí)r用水將碎石冷卻以降低混凝土的入模溫度;③熱天采用分層澆筑的方法(控制澆筑厚度)使得澆筑完的混凝土有充分的散熱時(shí)間;④在混凝土中埋設(shè)冷卻水管，利用通入水管中的冷水帶走水化反應(yīng)過程所釋放的部分熱量;⑤應(yīng)該控制好拆模時(shí)間(不應(yīng)過早)，氣溫驟降時(shí)應(yīng)該注意結(jié)構(gòu)表面的保溫，防止因混凝土表面溫度的驟降而開裂;⑥寒冷季節(jié)應(yīng)該注意施工中長期暴露的混凝土表面的保溫。

改善約束條件的措施是:①合理設(shè)置施工縫以及后澆帶等可以防止由于施工進(jìn)度引起的結(jié)構(gòu)開裂;②避免基礎(chǔ)過大起伏;③合理的安排施工工序，避免過大的高差和側(cè)面長期暴露。

改善混凝土材料性能的措施:① 由于水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水劑可減少混凝土水化反應(yīng)過程用水量。②水泥用量也會(huì)影響到混凝土的收縮，摻加減水劑可使混凝土在保證強(qiáng)度的條件下可減少水泥用量，而用骨料來保證結(jié)構(gòu)的體積。③混凝土抗裂性能的提高可通過提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力來實(shí)現(xiàn)。④減水防裂劑可有效提高混凝土抗拉強(qiáng)度，以此提高其抗裂性能。⑤摻加減水防裂劑后混凝土緩凝時(shí)間適當(dāng)，在有效防止水泥水化時(shí)迅速放熱基礎(chǔ)上，避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。

綜上，鑒于防止混凝土裂縫的產(chǎn)生是保證混凝土施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，在施工過程中，應(yīng)該從上述各個(gè)方面采取措施來保證混凝土強(qiáng)度形成過程中不出現(xiàn)開裂的情況，尤其應(yīng)該注意避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生貫穿裂縫，此種裂縫一旦產(chǎn)生將嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)的整體性。

3 某地錨式懸索橋錨碇施工過程溫度效應(yīng)分析及溫控實(shí)踐

3.1 工程概述及施工中采取的溫度控制措施

本文以某地錨式懸索橋錨碇結(jié)構(gòu)的施工過程為背景來研究大體積混凝土施工過程中的溫度控制問題。該橋是某高速公路的控制性工程，其結(jié)構(gòu)形式為單跨簡支鋼桁架地錨式懸索橋，跨徑布置為(200+856+190)m，橋梁兩岸各設(shè)一個(gè)錨碇作為主纜的錨固構(gòu)造物，其中一個(gè)錨碇高為29m，采用C30混凝土，分17層澆筑，平面最大尺寸為30.5m×56.7m。顯然，該重力式錨碇為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。見圖2。

在錨碇施工的整個(gè)過程中運(yùn)用溫度傳感裝置對(duì)該大體積混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑過程進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測。施工過程中，對(duì)混凝土的澆筑過程所采取溫度控制措施，如:在混凝土拌和物中添加粉煤灰，對(duì)錨碇構(gòu)造進(jìn)行分層澆筑并在每一結(jié)構(gòu)層都布置冷卻水管，防止混凝土內(nèi)部應(yīng)水化反應(yīng)放熱而積蓄大量熱量來防止局部高溫，以此實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)部溫度控制［5］。

3.2 考慮澆筑過程實(shí)際情況的大體積混凝土溫度效應(yīng)實(shí)測值分析及其與理論值的比較分析

筆者對(duì)混凝土實(shí)際澆筑過程中結(jié)構(gòu)的溫度變化情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，由溫度實(shí)測數(shù)據(jù)繪出錨碇右幅第1層和第3層錨塊混凝土的齡期—溫度曲線圖如圖3、圖4所示，實(shí)測數(shù)據(jù)曲線分析如下:

1)從圖3、圖4各測點(diǎn)的變化曲線可以看出:各層混凝土內(nèi)部溫度變化走向大致相近，不同時(shí)間的澆筑區(qū)段達(dá)到溫度峰值和溫度開始下降的時(shí)間基本相同，這就意味著可同時(shí)開啟或者停止冷卻水的循環(huán)。同時(shí)也說明兩圖中的溫度變化曲線能反映出大體積混凝土結(jié)構(gòu)在水化反應(yīng)過程中溫度變化的實(shí)質(zhì)。

2)該大體積混凝土錨碇各層均為一次性澆筑完成。由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)小，且結(jié)構(gòu)底部和四壁的散熱量也很小，該結(jié)構(gòu)的散熱可近似視為一維散熱，從圖3、圖4曲線可以看出，溫降曲線呈平緩下降趨勢。

3)圖3、圖4顯示，該大體積混凝土錨碇的水化熱溫度峰值大都在混凝土澆筑完成后的3d左右出現(xiàn)，這主要是因?yàn)榛炷了嘤昧枯^低以及拌和物中粉煤灰和緩凝減水劑的使用。這就說明粉煤灰可以起到降低溫度峰值的作用;緩凝減水劑使水泥的前期水化速率減慢，使得水化熱量充分散失，從而使水化熱引起的溫度峰值較低。

4)圖3、圖4顯示，由于受外界環(huán)境溫度的影響，結(jié)構(gòu)表面溫度波動(dòng)較大，由此可以看出對(duì)結(jié)構(gòu)表面保溫的重要性?？紤]到混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較小，結(jié)構(gòu)中部和底部溫度變化平穩(wěn)，中部的降溫速率比底部小。由此可見大體積混凝土主要依靠混凝土表面散熱，而中部區(qū)域主要依靠冷卻水散熱。

圖2 花垣岸錨碇分層澆筑圖(單位:cm)

圖3 錨碇右幅第1層錨塊典型溫度曲線

圖4 錨碇右幅第3層錨塊典型溫度曲線

考慮澆筑過程實(shí)際情況得到的混凝土理論溫度狀態(tài)及應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)比較分析如下:

在得到準(zhǔn)確的大氣溫度、混凝土入模溫度、冷卻水管通水流速等參數(shù)后，就可以按照外界條件及結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況對(duì)結(jié)構(gòu)在澆筑過程的溫度變化情況及結(jié)構(gòu)在溫度作用下的反應(yīng)進(jìn)行有限元模擬和理論計(jì)算分析。如圖5～圖7所示。有限元計(jì)算結(jié)果表明，澆筑過程結(jié)構(gòu)的最高溫升為32.42℃，能滿足混凝土抗裂要求。同時(shí)，有限元分析表明，在采取添加粉煤灰和對(duì)錨碇構(gòu)造進(jìn)行分層澆筑并在每一結(jié)構(gòu)層都布置冷卻水管等措施的前提下，混凝土在澆筑過程中因內(nèi)外溫度作用所表現(xiàn)的拉應(yīng)力為0.83～1.63MPa，小于混凝土相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度。

圖5 錨碇有限元模型圖

圖6 第1層錨塊混凝土出現(xiàn)最高溫度時(shí)溫度云圖

圖7 第3層錨塊混凝土出現(xiàn)最高溫度時(shí)溫度云圖

理論計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)表明，按照施工過程實(shí)際情況進(jìn)行模擬得到的最高溫度為56.5℃，而實(shí)測最高溫度為63.4℃，兩者差值為11%，理論與實(shí)際有一定差距，其原因主要存在與模型邊界條件模擬的準(zhǔn)確度，模型冷卻水流參數(shù)以及混凝土本身參數(shù)(絕熱溫升等)與實(shí)際情況的差異等。但是，最高溫度的理論與實(shí)測值還是比較接近，說明混凝土在澆筑過程中內(nèi)部的理論應(yīng)力狀態(tài)能基本反映混凝土在澆筑過程中的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，如果理論拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求則可認(rèn)為結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)力也滿足規(guī)范要求。這就表明在采取溫控措施的條件下，混凝土內(nèi)部各點(diǎn)的拉應(yīng)力不會(huì)引起混凝土的開裂，從而實(shí)現(xiàn)混凝土在澆筑過程中的質(zhì)量控制，也就證明本文采取的大體積混凝土溫控措施是可行的。

4 結(jié)語

1)本文在介紹熱傳導(dǎo)方程和解這個(gè)方程的若干種邊界條件的基礎(chǔ)上，提出了運(yùn)用有限元進(jìn)行大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析的計(jì)算方法。

2)對(duì)大體積混凝土施工過程進(jìn)行溫度控制有它的客觀必要性，本文從防止混凝土由溫度引起裂縫的機(jī)理出發(fā)，說明了對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過程溫控的必要性。

3)通過對(duì)混凝土澆筑過程和強(qiáng)度形成過程的溫度實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明，在拌和物中摻加粉煤灰緩凝減水劑以及向結(jié)構(gòu)內(nèi)部通入冷卻水的措施，能夠保證混凝土內(nèi)部水化熱的及時(shí)散失，以保證結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度均勻，防止混凝土因受熱不均勻而開裂。

4)本文提出了對(duì)大體積混凝土施工過程進(jìn)行溫度控制的基本方法，并對(duì)混凝土澆筑的早期和中期的內(nèi)力狀態(tài)進(jìn)行了有限元仿真分析，考慮澆筑過程實(shí)際情況得到的混凝土理論應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)(實(shí)測數(shù)據(jù))比較分析表明:混凝土在強(qiáng)度形成過程中，如果采取相應(yīng)的溫控措施則基本能夠保證結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)裂縫，同時(shí)也證明本文溫控方法是可行的。

［1］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，1998.

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［3］張洪濟(jì).熱傳導(dǎo)［M］.北京:高等教育出版社，1992.

［4］孔祥謙.熱應(yīng)力有限單元法分析［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1999.

［5］朱岳明，徐之青，嚴(yán) 飛.含有冷卻水管混凝土結(jié)構(gòu)溫度場的三維仿真分析［J］.水電能源科學(xué)，2003，21(1):83－85.