大體積混凝土水化熱影響因素的分析研究

摘要：影響大體積混凝土水化熱的因素有很多，總體可分為內(nèi)部因素與外部因素。內(nèi)部因素主要包括混凝土的配合比、水泥品種、水泥用量、摻合料品種、摻合料用量等；外部因素則主要包括混凝土的入模溫度、大氣溫度、冷卻水管以及邊界條件等。本文主要從水泥的品種、用量、混凝土的入模溫度以及冷卻水管、保溫材料等方面，對(duì)大體積混凝土的水化熱進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；水化熱；影響因素

隨著高鐵建設(shè)的進(jìn)一步深化，各種形式的鐵路橋梁不斷建成，這些在崇山峻嶺中架起的鐵路橋梁都有個(gè)特點(diǎn)就是橋墩特別高大。據(jù)已有的實(shí)測(cè)資料，體積相對(duì)較大的墩臺(tái)，混凝土水化熱引起的溫度可高達(dá)70℃。內(nèi)外混凝土的不均勻變形在外表混凝土中產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。水化熱溫度應(yīng)力已被認(rèn)為是橋墩混凝土早期開(kāi)裂的主要原因。對(duì)混凝土水化熱影響因素進(jìn)行分析，對(duì)保證大體積混凝土施工質(zhì)量很有必要。

1工程背景及研究對(duì)象

貴廣高鐵幸福源水庫(kù)雙線特大橋位于廣西省桂林市陽(yáng)朔縣東北部。主橋采用（48+5×80+48）m連續(xù)剛構(gòu)形式，對(duì)應(yīng)墩號(hào)為9#～16#，其中12#和13#墩為剛構(gòu)墩，9#和16#墩為交界墩，10#、11#、14#及15#墩為連續(xù)梁墩。筆者選取了15#橋墩承臺(tái)為研究對(duì)象。15#橋墩承臺(tái)的尺寸為19.2m×13m×4m，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40。

針對(duì)山區(qū)高速鐵路橋梁所采用的空心高墩結(jié)構(gòu)，結(jié)合橋梁自身情況，研究分析如何有效地控制混凝土的水化熱溫度以及防止溫度裂縫的出現(xiàn)，具有一定的工程實(shí)用意義。

2 水化熱溫度傳感器布置與監(jiān)測(cè)方案

溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置主要是以真實(shí)反映大體積混凝土塊體的內(nèi)外溫差、降溫速度及環(huán)境溫度為原則。共布置了6個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，傳感器的布置如圖1所示。溫度監(jiān)測(cè)所采用的溫度傳感器為AD592集成溫度傳感器，溫度讀數(shù)儀采用LTM8261手持式多點(diǎn)溫度測(cè)試儀。在承臺(tái)混凝土開(kāi)始澆注后的10日內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度值，并做好記錄。由于混凝土澆注初期水化熱溫度變化劇烈，故初期數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔為2h，水化熱溫度變化緩慢后采集的時(shí)間間隔調(diào)整為4h，下降趨于穩(wěn)定后的時(shí)間間隔為10h。

圖2-1 傳感器布置示意圖（單位：cm） 圖2-2 溫度傳感器與手持式溫度讀數(shù)儀

3 水化熱影響因素的分析

3.1水泥品種、用量對(duì)大體積混凝土水化熱的影響分析

為了研究水泥品種、用量對(duì)大體積混凝土水化熱的影響，建立有限元模型進(jìn)行分析。

3.1.1 水泥品種對(duì)承臺(tái)混凝土水化熱的影響

為分析水泥品種對(duì)大體積混凝土水化熱的影響，根據(jù)工程實(shí)際情況，采用每立方米混凝土的水泥用量為291kg，分別選取普通硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥、高早強(qiáng)硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥（20%粉煤灰），其他計(jì)算參數(shù)不變，建立有限元分析模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將求得的承臺(tái)混凝土中心點(diǎn)溫度值進(jìn)行對(duì)比，如圖3.1-1所示。

圖3-1水泥品種對(duì)承臺(tái)中心點(diǎn)溫度的影響對(duì)比 圖3-2 水泥用量與承臺(tái)中心最高溫度關(guān)系

可見(jiàn)，采用不同品種的水泥對(duì)承臺(tái)中心混凝土水化熱影響較大，同時(shí)，采用低熱水泥可以延長(zhǎng)承臺(tái)中心點(diǎn)達(dá)到最高溫度的時(shí)間。因此，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡量選擇低熱水泥，來(lái)降低混凝土的水化熱溫度。

3.1.2 水泥用量對(duì)承臺(tái)混凝土水化熱的影響

為分析水泥用量對(duì)大體積混凝土水化熱的影響，根據(jù)實(shí)際工程情況，水泥品種采用普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），每立方米C40混凝土中的水泥用量分別為250kg、270kg、290kg、310kg、330kg，其他計(jì)算參數(shù)不變，建立有限元分析模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將求得的承臺(tái)混凝土中心處溫度值進(jìn)行分析對(duì)比，如圖3.1-2所示。因此，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)盡量減少每立方米混凝土的水泥用量，從而降低混凝土的水化熱最高溫度。

3.2混凝土入模溫度對(duì)大體積混凝土水化熱的影響

根據(jù)實(shí)際工程情況，選取水泥的品種為普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），每立方米混凝土的水泥用量為291kg，在沒(méi)有冷卻水管的情況下，分別選擇10℃、20℃、30℃三種不同的入模溫度，其他計(jì)算參數(shù)不變，建立有限元分析模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將求得的承臺(tái)混凝土中心點(diǎn)溫度值進(jìn)行對(duì)比，如圖3-3所示。

圖3-3 不同入模溫度對(duì)承臺(tái)中心點(diǎn)溫度的影響對(duì)比圖

由此可見(jiàn)，采用不同的混凝土入模溫度對(duì)混凝土的水化熱影響較大，最高溫度相差達(dá)20.8℃。隨著入模溫度的降低，承臺(tái)中心混凝土達(dá)到最高溫度的時(shí)間不斷延長(zhǎng)。因此，在混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)盡可能選擇較低的入模溫度，從而降低混凝土的水化熱溫度。

3.3冷卻水管對(duì)大體積混凝土水化熱的影響

3.3.1 不同冷卻水管間距的冷卻效果對(duì)比

冷卻水管的間距包括水平間距和豎直間距，水管的豎直間距為1.0m，水平間距分別取1.0m、1.5m、2.0m，采用蛇形的平面布置形式，其他計(jì)算參數(shù)不變，進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同冷卻水管間距下的混凝土最高溫度與內(nèi)外溫差，如圖3-4、3-5所示。

由圖3-4、3-5可以看出，減小冷卻水管的水平間距可以大大提高冷卻效果，有效地降低混凝土的最高溫度。減小冷卻水管的間距會(huì)增加管材的用量，分別采用2.0m、1.5m、1m的水平間距，則分別需要432m、531、690的冷卻水管；過(guò)多的減小冷卻水管的間距，將會(huì)增加冷卻水管的長(zhǎng)度，從而影響到水管內(nèi)壓力、水頭損失、水泵型號(hào)和施工成本，同時(shí)也增加了施工難度?！洞篌w積混凝土施工規(guī)范》GB50496-2009中3.0.4條明確要求：混凝土澆筑塊體的里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）不宜大于25℃。根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，冷卻水管的豎直間距一般為澆筑層厚，冷卻水管的水平間距一般在1.0m～2.0m之間，將混凝土水化熱的最高溫度控制在70℃以?xún)?nèi)，1.0m×1.0m的間距已經(jīng)達(dá)到了要求的冷卻效果。因此，15#橋墩承臺(tái)應(yīng)采用1.0m×1.0m的冷卻水管間距。

圖3-4 不同間距的冷卻效果對(duì)比 圖3-5 不同水平間距的中心與體表溫差對(duì)比

3.3.2 不同冷卻水管管徑的冷卻效果對(duì)比

分別取DN20、DN25、DN32、DN40，采用蛇形的平面布置形式，其他計(jì)算參數(shù)不變，建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算。不同管徑冷卻水管的冷卻效果對(duì)比，如圖3-6所示。

圖3-6 不同管徑的冷卻效果對(duì)比圖 圖3-7 不同管材的冷卻效果對(duì)比

可以看出，雖然增大冷卻水管的管徑，可以降低混凝土的最高溫度，但其對(duì)冷卻效果的影響并不顯著。增大管徑必將增加管材的消耗，提高施工成本，所以通過(guò)加大管徑的方式來(lái)提高冷卻效果是不經(jīng)濟(jì)的。管徑過(guò)小會(huì)增加水管阻力，若要保持相同的流量，就必須加大管內(nèi)冷卻水的流速，這必將增加供水設(shè)備的工作負(fù)荷，從而提高了施工成本。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，冷卻水管的管徑一般取25mm～30mm。因此，15#橋墩承臺(tái)應(yīng)采用DN25的鍍鋅鋼管作為冷卻水管。

3.3.3 不同冷卻水管管材的冷卻效果對(duì)比

為研究不同管材的冷卻水管對(duì)混凝土冷卻效果的影響，分別選取鋼管與聚乙烯塑料管（俗稱(chēng)PE管），其他計(jì)算參數(shù)不變，建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算。不同管材冷卻水管的冷卻效果對(duì)比，如圖3-7所示?？梢钥闯觯摴艿睦鋮s效果明顯優(yōu)于PE管。

3.4保溫材料對(duì)大體積混凝土水化熱的影響

根據(jù)大體積混凝土的施工經(jīng)驗(yàn)，混凝土澆注完后，普遍在混凝土的表面覆蓋保溫材料，來(lái)減小大體積混凝土的內(nèi)外溫差與混凝土表面的溫度梯度，保溫效果的好壞會(huì)直接影響到混凝土表面的溫度應(yīng)力的大小。在我國(guó)上個(gè)世紀(jì)60、70年代，由于取材方便，廣泛采用草席、草簾、紙板作為混凝土的表面保溫材料，但其易燃燒引起火災(zāi)，且易受潮腐爛，不耐用。隨著我國(guó)塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，聚乙烯泡沫塑料開(kāi)始成為混凝土表面的保溫材料，隨之出現(xiàn)了采用泡沫塑料屑作為填充材料的保溫被以及內(nèi)側(cè)貼泡沫塑料板的保溫模板。在朱伯芳院士的《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》一書(shū)中列出了幾種常用保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，如表3-8所示。

表3-8 幾種常用保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)

泡沫塑料 木 板 草 席 爐 渣 干 砂 紙 板

導(dǎo)熱系數(shù)

0.1256 0.837 0.502 1.674 1.172 0.628

可以看出，泡沫塑料的導(dǎo)熱系數(shù)最小，其保溫效果要優(yōu)于其他幾種保溫材料。聚乙烯泡沫塑料板為一種硬質(zhì)板，質(zhì)輕，具有一定的強(qiáng)度，不易吸水，耐腐蝕，耐久性好，尺寸穩(wěn)定性高，可重復(fù)使用，可以有效地防止混凝土表面出現(xiàn)溫度裂縫。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析大體積混凝土水化熱的影響因素，分析不同品種、用量的水泥與混凝土體中心溫度的關(guān)系，重點(diǎn)研究冷卻水管的間距、管徑、管材、對(duì)大體積混凝土冷卻效果的影響，可以達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化配合比，確定冷卻水管的優(yōu)化布置方案和布置建議，選取合適的保溫材料。對(duì)以后大體積混凝土的施工具有一定的指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：周麗強(qiáng)（1980—），男，漢族，河南宜陽(yáng)人，單位：中鐵二十三局集團(tuán)第三工程有限公司，工程師。