淺析循環(huán)冷卻水管在大體積混凝土中應(yīng)用

鄧志華

摘 ? 要：基于海洋性熱帶雨林氣候某工程大體積混凝土典型施工為例，通過典型施工段自然降溫和布設(shè)循環(huán)冷卻水管內(nèi)部降溫兩種不同工況比較，驗證循環(huán)冷卻水管需求和效果。引入有限元對實體溫度場模擬分析，進(jìn)行兩種工況下自/外約束應(yīng)力混凝土開裂風(fēng)險評估，為后續(xù)施工提供合理建議。

關(guān)鍵詞：關(guān)不同工況 ?模擬分析 ?開裂風(fēng)險評估 ?合理建議

中圖分類號：TV544 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0024-02

1 ?試驗段概況

工程所在地屬海洋性熱帶雨林氣候，高鹽、高溫、高濕，環(huán)境溫度介于24℃～40℃范圍。為驗證該氣候條件下某工程大體積混凝土是否需布設(shè)循環(huán)冷卻水管及評估其開裂風(fēng)險，布置循環(huán)冷卻水管進(jìn)行混凝土內(nèi)部降溫法（下文簡稱內(nèi)部降溫法）和不設(shè)置循環(huán)冷卻水管自然降溫法（下文簡稱自然降溫法）兩種不同工況的典型試驗段進(jìn)行比較，并對實體溫度場實際尺寸進(jìn)行有限元模擬分析，進(jìn)行開裂風(fēng)險評估。

典型施工試驗塊取側(cè)墻一段小尺寸試驗段按照4m×1.3m×4m進(jìn)行設(shè)計。內(nèi)部降溫法則將冷卻水管安裝沿施工段長度方向設(shè)置兩排平行冷卻水管，水管距離混凝土表面400mm，水管間距1000mm。

在試驗段構(gòu)件最高溫度、外表面、內(nèi)表面、冷卻水管表面埋設(shè)9組溫度傳感器。

（1）構(gòu)件內(nèi)部最高溫度：一般在幾何中心或其附近位置處;

（2）外表面溫度：距構(gòu)件混凝土外表面50mm位置處;

（3）內(nèi)表面溫度：距構(gòu)件混凝土內(nèi)表面50mm位置處;

（4）冷卻水管表面溫度：冷卻水管進(jìn)水口、中部、出水口附近50mm位置處[1];

試驗段一個側(cè)面與兩個端面采用木模板，另一個側(cè)面采用鋼模板，鋼板外側(cè)貼聚苯板保溫，混凝土頂面覆蓋高分子養(yǎng)護(hù)膜、土工布、聚苯板、帆布保溫。

2 ?試驗段監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 自然降溫法溫度及內(nèi)表溫差變化監(jiān)測結(jié)果

混凝土強(qiáng)度等級為C40P6，入模溫度為29.8℃。典型試驗段段內(nèi)部最高溫度為62℃（37h），最大內(nèi)表溫差為10.9℃（48h）;監(jiān)測得到環(huán)境溫度在24.4℃～34.2℃之間，混凝土自澆筑起算第4d適合拆除側(cè)墻及底板倒角處模板，拆除模板后及時覆蓋保溫保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于14d;混凝土內(nèi)部最高溫度小于45℃時停止溫度監(jiān)測，此段監(jiān)測時長為225h。

2.2 內(nèi)部降溫法溫度及內(nèi)表溫差變化監(jiān)測結(jié)果

混凝土強(qiáng)度等級為C40P6，入模溫度為31.5℃。典型試驗段段內(nèi)部最高溫度為57.5℃（33h），內(nèi)表溫差為6.5℃（36h）;監(jiān)測得到環(huán)境溫度在26.6℃～39.4℃之間，混凝土自澆筑起算第3d適合拆除側(cè)墻及底板倒角處模板，拆除模板后及時覆蓋保溫保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于14d;混凝土內(nèi)部最高溫度小于45℃時停止通冷卻水，通冷卻水時間為4d，此段監(jiān)測時長為135h。

2.3 典型試驗段段循環(huán)冷卻水管降溫的作用

內(nèi)部降溫法較自然降溫法，內(nèi)部最高溫度降低4.5℃，內(nèi)表溫差降低4.4℃，降溫效果明顯。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，冷卻水管進(jìn)水口與出水口表面混凝土差別較大，初步判斷為管內(nèi)水流速過慢造成。冷卻水管與冷卻水管進(jìn)水口、中部、出水口表面溫差。冷卻水與進(jìn)水口、中部、出水口的最大溫差為4.8℃、19.6℃、21.6℃，在澆筑后2～4d時間段，中心點降溫速率為0.2～0.6℃/h。在保證混凝土內(nèi)部各點溫差≤25℃的前提下，內(nèi)部降溫法循環(huán)冷卻水帶走大部分熱量，有效降低了混凝土內(nèi)部溫度。

3 ?實體開裂風(fēng)險評估

頂板分段尺寸為22m長×14.6m寬×1.3m厚，凈跨12m，矢高3m，頂板下面外加2.2m的側(cè)墻，后澆帶間距為22m。根據(jù)其它地方施工經(jīng)驗，此類拱形大體積混凝土結(jié)構(gòu)易由于底部側(cè)墻舊混凝土的約束而產(chǎn)生施工期開裂現(xiàn)象。下文根據(jù)實際尺寸建立模型，對頂板混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工期開裂風(fēng)險評估，分析計算包括了頂板不采用冷卻水降溫及采用冷卻水降溫兩種情況。其中，采用冷卻水管降溫的工況，頂板厚1.3m，冷卻水管采用內(nèi)徑為DN32mm的鍍鋅鋼管，沿拱頂厚度方向設(shè)置兩排冷卻水管，兩排冷卻水管平行布置，第一排距離拱頂上表面400mm，第二層距離拱頂下表面400mm，水管走向均為拱頂長度方向。冷卻水管間距為1m，單根長度不超過200m。側(cè)墻處：第一列距離側(cè)墻外表面400mm，第二列距離側(cè)墻內(nèi)表面400mm，水管走向均為側(cè)墻長度方向，為進(jìn)一步減小澆筑界面上方新混凝土的溫度形變，將頂板下的2.2m側(cè)墻范圍內(nèi)的冷卻水管間距設(shè)置為300mm、400mm、400mm、400mm、400mm，共設(shè)置五層冷卻水管，冷卻水管平行布置，單根長度不超過200m。混凝土澆筑前開始進(jìn)行冷卻水循環(huán)，待混凝土內(nèi)部最高溫度降至45℃以下，停止通冷卻水，用海淡水沖洗管道內(nèi)壁。

3.1 頂板溫度場模擬計算

根據(jù)頂板實際尺寸建立的有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過有限元模擬分析建立自然降溫法頂板澆筑后42h溫度場局部分布及內(nèi)部降溫法頂板澆筑后30h溫度場局部分布。

3.2 自約束應(yīng)力評估

混凝土自約束應(yīng)力是指內(nèi)表溫差導(dǎo)致的約束應(yīng)力。根據(jù)內(nèi)表溫差的模擬結(jié)果，分別確定混凝土各齡期的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，最后計算得到各齡期自約束應(yīng)力的抗裂安全系數(shù)Kz[2]-[3]。