大體積混凝土放熱過(guò)程試驗(yàn)監(jiān)測(cè)與仿真

朱希文 袁偉斌 黃麗霞

1(浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 浙江 杭州 311231)2(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 浙江 杭州 310023)3(杭州蕭山園林集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 311231)

0 引 言

大體積混凝土因其在澆筑過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫進(jìn)而破壞混凝土結(jié)構(gòu)[1-4]。因此，不少研究學(xué)者通過(guò)理論公式和數(shù)值技術(shù)對(duì)大體積混凝土放熱進(jìn)行計(jì)算。

余建杰等[5]用Midas對(duì)某高層建筑體積最大的7號(hào)樁承臺(tái)進(jìn)行仿真分析，考慮在冷卻水管情況下對(duì)混凝土溫度場(chǎng)的影響，未對(duì)其他影響因素進(jìn)行探究。李濤等[6]用Ansys對(duì)斗輪機(jī)的基礎(chǔ)建立計(jì)算模型仿真分析溫度裂縫，王強(qiáng)等[7]用abaqus對(duì)沈陽(yáng)某工程超厚筏板基礎(chǔ)建立溫度場(chǎng)模擬分析，模擬數(shù)據(jù)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏高。

本文以實(shí)際工程為例建立模型，導(dǎo)入COMSOL進(jìn)行溫度模擬，估算在粉煤灰摻量20%時(shí)對(duì)大體積混凝土溫度的影響，分析其是否在保證混凝土強(qiáng)度同時(shí)可以減少混凝土裂縫。該模型以瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程為基礎(chǔ)，對(duì)其澆筑后20天溫度變化進(jìn)行模擬，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。推測(cè)其產(chǎn)生裂縫的原因，再通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)和澆注溫度等因素對(duì)大體積混凝土溫度裂縫控制進(jìn)行模擬分析，并對(duì)其產(chǎn)生的影響效果進(jìn)行對(duì)比分析，可為預(yù)防大體積混凝土開(kāi)裂提供理論依據(jù)[8]。

1 工程概況及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

濟(jì)南佳匯大廈工程地下3層，地上15層，大廈為筏形地基，基礎(chǔ)埋深10 m[9]，其混凝土配合比如表1所示。從基礎(chǔ)上選取三個(gè)點(diǎn)，分布對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并繪制其溫度與時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示。不同測(cè)點(diǎn)的分布位置如圖2所示。

表1 C40混凝土施工配合比

圖1 不同點(diǎn)處的溫度變化

圖2 不同測(cè)點(diǎn)分布位置

2 模擬參數(shù)設(shè)定

根據(jù)濟(jì)南佳匯大廈實(shí)際基礎(chǔ)平面圖建立三維模型，其基礎(chǔ)總體尺寸為50 m×50 m，最大厚度約為3.2 m，四周局部厚度約為2.2 m。根據(jù)CAD尺寸將該基礎(chǔ)尺寸導(dǎo)入COMSOL軟件中，并取C點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。混凝土基礎(chǔ)的基本參數(shù)如表2所示[9]。

表2 材料的基本參數(shù)

3 模型驗(yàn)證

將測(cè)點(diǎn)處模擬溫度數(shù)據(jù)與混凝土溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。如圖3所示，COMSOL計(jì)算得到的C點(diǎn)的溫度數(shù)值，并發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線基本吻合，數(shù)值相差不大。如：在C點(diǎn)頂部第12 h時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為18.1 ℃，而模擬值為17.8 ℃；相應(yīng)的中部實(shí)測(cè)值為29.4 ℃，而模擬值為28.8 ℃。COMSOL仿真計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差均在10%以內(nèi)，如表3所示。因此本文模型與實(shí)際工程較為匹配，可利用該模型進(jìn)行計(jì)算。

圖3 C點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

表3 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的誤差

4 結(jié)果及分析

4.1 導(dǎo)熱系數(shù)的影響

如圖4所示，當(dāng)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為3(W/(m.k))時(shí)，C點(diǎn)頂部溫度為25.1 ℃，而中部溫度為52.7 ℃；隨著混凝土導(dǎo)熱系數(shù)增加時(shí)，C點(diǎn)的溫度逐漸降低。而當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)大于6(W/(m.k))時(shí)，頂部和中部溫度差小于30 ℃，滿足最新規(guī)范要求。

這是因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)增加則傳熱速率也就逐漸增加，大體積混凝土耗熱較快，能夠有效減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。因此，在施工過(guò)程中應(yīng)合理選擇混凝土的種類：配合比的優(yōu)化或摻合料的摻入。

圖4 不同導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度影響

4.2 澆筑溫度的影響

澆筑溫度是指大體積混凝土在澆筑過(guò)程時(shí)空氣的溫度，也即為室外溫度。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)澆筑溫度為0 ℃時(shí)，C點(diǎn)頂部溫度為25.13 ℃，而中部為48.23 ℃。隨著澆筑溫度的上升，C點(diǎn)處的溫度也在逐漸上升。并且頂部和中部的溫差也逐漸上升，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)澆筑溫度大于25℃時(shí)，大體積混凝土內(nèi)部溫差會(huì)超過(guò)30 ℃，因而不滿足規(guī)范要求即會(huì)出現(xiàn)裂縫。

這是因?yàn)?，澆筑溫度即空氣溫度?huì)作為邊界條件參與大體積混凝土放熱過(guò)程中，繼而對(duì)傳熱過(guò)程產(chǎn)生影響。因此，通常大體積混凝土施工需要在冬季施工，這樣能夠避免裂縫的產(chǎn)生。

圖5 不同澆筑溫度對(duì)溫度的影響

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)COMSOL軟件對(duì)大體積混凝土放熱過(guò)程及其影響因素進(jìn)行計(jì)算分析，得出了以下結(jié)論：

(1) 大體積混凝土在澆筑完后3 d左右，表里溫度差會(huì)大于30 ℃，超過(guò)規(guī)范要求，此時(shí)混凝土內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂縫。因此，建議需在澆筑完1～3 d內(nèi)對(duì)大體積進(jìn)行灑水降溫處理。

(2) 建立的COMSOL仿真模型，能夠較好地與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，其最大正負(fù)誤差為10%。誤差原因主要來(lái)自于實(shí)際工程中室外空氣溫度的不確定性，而在仿真模擬中室外空氣溫度給出的是平均值。

(3) 通過(guò)建立的仿真模型得出，大體積混凝土溫度建筑溫度增大會(huì)使混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力逐漸增大，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。因此建議澆筑溫度在25 ℃以下最佳，這也是大部分大體積混凝土工程多在冬天澆筑的原因。

(4) 通過(guò)調(diào)整混凝土的配合比，能夠使得混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)值降低，從而減緩了傳熱過(guò)程，避免了溫度裂縫的形成。通過(guò)模擬得出，當(dāng)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)低于6 W/(m.k)后，即粉煤灰摻量10%，能夠有效避免裂縫產(chǎn)生。