水化熱調(diào)控與水管冷卻協(xié)同作用大體積混凝土降溫控裂數(shù)值模擬研究

楊 睿 張士山

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

大體積混凝土在澆筑后由于內(nèi)外散熱條件不均，往往會出現(xiàn)內(nèi)部溫峰高、內(nèi)外溫差大的現(xiàn)象，極易產(chǎn)生溫度裂縫[1]。為解決這一問題，冷卻水管措施被廣泛運用。在水工大壩領(lǐng)域，冷卻水管措施取得了顯著的降溫抗裂效果。但大壩混凝土強度等級大多為C20 以下，膠凝材料用量低，且普遍采用中低熱水泥。交通、市政等工程所用混凝土與水工領(lǐng)域相比，存在膠凝材料用量大、水化溫升速率過快的問題，冷卻水管措施往往達不到預期的降溫效果。

除減少內(nèi)部熱量外，改變混凝土膠凝材料水化放熱速率也是控制混凝土早期溫度場發(fā)展的手段之一。近年來，混凝土水化熱調(diào)控材料逐漸被研究人員所研究和重視[2-5]。該材料是一類能夠影響水泥水化快速反應期的反應速率、減少早期放熱量，在良好的散熱條件下可顯著降低混凝土結(jié)構(gòu)溫升和開裂風險的外加劑。徐文[6-7]等將水化熱調(diào)控材料應用于隧道交通地下車站側(cè)墻為代表的地下室側(cè)墻結(jié)構(gòu)中，取得了良好的早期裂縫控制效果。但對于交通工程中的大體積基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)，其尺寸遠超過軌道交通工程車站側(cè)墻，內(nèi)部散熱條件較差，使用水化熱調(diào)控難以達到預期效果[8]。

交通工程大體積基礎(chǔ)兼具了中高標號混凝土和大尺寸的特點，溫度開裂問題難以解決。根據(jù)冷卻水管措施和水化熱調(diào)控材料的使用特點，考慮將二者結(jié)合使用，協(xié)同調(diào)控中高標號大體積混凝土的內(nèi)部溫升。目前尚無這一控溫方法的應用研究。本文基于廣西省貴港市平南三橋項目，利用有限元數(shù)值模擬對比了平南三橋北岸主墩基礎(chǔ)大體積混凝土單獨使用冷卻水管、單獨使用水化熱調(diào)控材料以及二者協(xié)同作用的降溫抗裂效果，證明了冷卻水管和水化熱調(diào)控材料協(xié)同作用，可有效控制中高標號大體積混凝土的內(nèi)部溫升，降低溫度開裂風險。

1 工程概況

1.1 平南三橋工程概況

平南三橋位于平南縣西江大橋上游6 公里處，跨越平南縣大煙寮村和界首村附近的潯江水域，為荔浦至玉林高速公路平南北互通連接線上跨越潯江的一座特大橋。主橋為跨徑575m（凈跨徑548m） 的中承式鋼管混凝土拱橋。橋北主墩拱座基礎(chǔ)為整體式圓形基礎(chǔ)，幾何形態(tài)為一直徑54.6m，厚6.0m 的圓形大尺寸混凝體構(gòu)件。拱座基礎(chǔ)持力層為卵石層，基礎(chǔ)施工前對卵石層進行注漿加固。圓形基礎(chǔ)側(cè)面為厚1.2m的地連墻結(jié)構(gòu)，兩者間設(shè)置柔性防水層，因此地連墻對基礎(chǔ)約束較小。基礎(chǔ)混凝土強度等級為C30。

1.2 混凝土原材料及配合比

圖1 拱座基礎(chǔ)四分之一有限元模型

圖2 冷卻水管布置模型

平南三橋工程原材料水泥采用華潤水泥（平南） 有限公司P.II 42.5 硅酸鹽水泥，粉煤灰采用廣西欽州藍島環(huán)保材料有限公司F 類I 級灰，細骨料為梧州藤縣黃華河河砂II 區(qū)中河砂，粗骨料碎石選用建峰石場，5～25mm 連續(xù)級配碎石（三級配，5～10mm 占10%，10～20mm 占35%，20～25mm 占55%）。本工程采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司聚羧酸高性能減水劑PCA-I，其28d 干燥收縮率比≤100%。

在原材料優(yōu)選基礎(chǔ)上，本工程基礎(chǔ)大體積混凝土配合比如表1 所示。

表1 平南三橋拱座及其基礎(chǔ)大體積混凝土施工配合比

在上述配合比基礎(chǔ)上，在混凝土中摻加水化熱調(diào)控材料，對比不同摻量下的絕熱溫升曲線對混凝土溫度發(fā)展及抗裂性的影響。水化熱調(diào)控材料為江蘇蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的水化溫升抑制劑SBT?-TRI。SBTR-TRI 主要通過降低水泥加速期的水化速率，減少混凝土早期放熱量，推遲溫峰出現(xiàn)時間，進而延長散熱時間，降低混凝土溫升，減少溫度裂縫的形成。同時，SBT?-TRI 雖然可有效減少早期放熱量，但不影響放熱總量，因此對混凝土后期強度無負面影響。水化熱調(diào)控材料對比摻量分別為膠凝材料的0，1.0%和2.0%。

2 模型仿真計算

2.1 模型概況及相關(guān)計算參數(shù)

本文采用MIDAS/FEA 軟件建立平南三橋拱座基礎(chǔ)及拱座的有限元模型，四分之一計算模型如圖1 所示。根據(jù)工程實際情況，相關(guān)模型熱力學計算參數(shù)列于表2。其中地連墻雖為C35 混凝土，但由于與基礎(chǔ)為柔性連接，對基礎(chǔ)約束較小，因此計算時取其彈模為40MPa。

表2 模型仿真計算相關(guān)熱力學參數(shù)

根據(jù)實驗室的同配合比混凝土試驗結(jié)果，拱座基礎(chǔ)C30混凝土基準及不同摻量水化熱調(diào)控材料下的絕熱溫升曲線如圖3 所示。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗和實驗室測量結(jié)果，確定C30混凝土28d 彈性模量、抗拉強度和自收縮終值分別為30GPa、2.0MPa 和150με。

由于拱座基礎(chǔ)體積大厚度高，為控制上表面與中心的內(nèi)外溫差，工程中采用10mm 厚棉被進行覆蓋養(yǎng)護，根據(jù)大體積混凝土施工規(guī)范計算得出表面散熱系數(shù)為15 kJ/m2·h·℃。

圖4 單獨布置冷卻水管開裂評估結(jié)果

圖3 基準及不同摻量水化熱調(diào)控材料下混凝土絕熱溫升曲線

為控制大體積拱座基礎(chǔ)內(nèi)部溫升，工程設(shè)計文件提出的冷卻水管布置方案模型如圖2 所示。拱座基礎(chǔ)在高度方向共布置6 層冷卻水管，相鄰層水管方向互相垂直布置，冷卻水管布置間隔為1m。水管采用40mm 直徑的鑄鐵管，水管入口水溫18℃，流速1m/s，每一根水管長度不超過200m。混凝土澆筑時即開始通水，在基礎(chǔ)溫峰過后一段時間停止通水，需保證結(jié)束通水后內(nèi)部溫度回升不會超過通水時的溫度峰值。

2.2 混凝土開裂風險計算依據(jù)

根據(jù)混凝土溫度分布結(jié)果、自收縮和力學性能發(fā)展曲線，基于彈性力學原理，可計算得到混凝土早期收縮應力結(jié)果[9]。定義結(jié)構(gòu)混凝土開裂風險如下式所示[10]：

式中，σ（t）為t 時刻的混凝土最大拉應力，ft（t）為t 時刻的混凝土抗拉強度。

混凝土開裂風險評判準則：一般認為時η＞1.0，混凝土一定會開裂；考慮材料性能波動，認為0.7＜η＜1.0 時混凝土存在較大開裂風險，η＜0.7 時混凝土基本不會開裂。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 單獨使用冷卻水管降溫控裂效果分析

使用圖3 中基準混凝土的絕熱溫升曲線對僅使用冷卻水管的拱座基礎(chǔ)進行開裂風險評估，將模擬結(jié)果與無水管的基準工況進行對比，結(jié)果如圖4 所示。由圖4（a）、 （b） 可知，基準工況下基礎(chǔ)中心在6.5d 齡期時達到溫峰值64.2℃，最大內(nèi)外溫差達到30℃以上。布置冷卻水管后，基礎(chǔ)中心在1.5d 達到溫峰56.1℃，相比于基準工況減小了8.1℃，降溫效率為12.6%。同時，基礎(chǔ)最大內(nèi)外溫差減小至17.5℃，與基準工況相比有了明顯降低。

圖4（c）、圖4（d） 的開裂風險模擬結(jié)果顯示基準混凝土工況下基礎(chǔ)中心100d 齡期開裂風險為0.97，表面最大開裂風險在1.0 左右，都具有較高的開裂可能性。使用冷卻水管后，基礎(chǔ)表面最大開裂風險僅為0.65，可判斷表面基本不會開裂。但基礎(chǔ)中心100d 開裂風險仍達到0.79，雖低于基準工況，但超過了0.7 的安全閾值。雖然冷卻水管造成的溫度歷程、降溫速率的改變引起了一部分的應力增加，但主要還是由于冷卻水管降溫幅度偏小，無法徹底解決基礎(chǔ)中心開裂風險偏高的問題。

由模擬結(jié)果可見，冷卻水管措施雖有助于降低大體積基礎(chǔ)的內(nèi)外溫差，控制表面開裂風險，但其對基礎(chǔ)中心的降溫控裂效果不能達到預期目標。如何進一步降低基礎(chǔ)內(nèi)部溫升是解決大體積基礎(chǔ)開裂問題的關(guān)鍵方法。冷卻水管布置間隔1m 已經(jīng)較密，進一步加密冷卻水管不僅會增加施工難度，也不利于混凝土的振搗施工，因此需采取更便捷的方式解決大體積基礎(chǔ)內(nèi)部溫升偏高的問題。

3.2 水化熱調(diào)控材料和冷卻水管協(xié)同作用降溫控裂效果分析

針對水化熱調(diào)控材料使用時需具備較好的散熱條件以及冷卻水管在低水膠比混凝土中降溫效果較好這兩個應用特點，通過數(shù)值模擬研究二者協(xié)同調(diào)控對拱座基礎(chǔ)的降溫控裂作用。分別計算兩種不同摻量水化熱調(diào)控材料工況下基礎(chǔ)布置冷卻水管的溫度和應力曲線，相關(guān)結(jié)果如圖5 所示。由圖5（a） 可知，相比于基準工況的溫峰64.2℃，兩種協(xié)同作用工況溫峰分別下降了14.8℃和18.7℃，溫峰時間分別為2d 和2.5d，降溫效率達到23.0%和29.1%。與基準混凝土相比，摻入水化熱調(diào)控材料后冷卻水管降溫效果得到了明顯提升，且水化熱調(diào)控材料摻量越大，提升效果越明顯。由應力計算結(jié)果可見，由于降溫效果得到了大幅度提升，基礎(chǔ)中心開裂風險明顯減小，兩種摻量下基礎(chǔ)中心100d 開裂風險分別為0.58 和0.49，成功控制在了安全系數(shù)以下，可認為基礎(chǔ)內(nèi)部混凝土不會開裂。

由上述分析可知，水化熱調(diào)控材料與冷卻水管具有良好的協(xié)同調(diào)控溫度場和應力場的作用。分析其原因，冷卻水管降溫效率與兩點因素相關(guān)。一是膠凝材料放熱速率與冷卻水管降溫速率的相對大小，混凝土放熱速率越慢，冷卻水管冷卻速率相對越高，其降溫幅度則越大。二為冷卻水管降溫作用的有效時間?；炷翝仓吝_到溫峰的時間即為冷卻水管降溫有效時間，有效時間越長，冷卻水管散熱則越充分，降溫效果越好。混凝土中加入水化熱調(diào)控材料后，混凝土水化放熱速率明顯減緩，冷卻水管降溫速率相對提高。同時基礎(chǔ)中心溫峰出現(xiàn)時間推遲了0.5～1d，延長了冷卻水管有效作用時間。因此水化熱與冷卻水管共同作用可更好的調(diào)控基礎(chǔ)內(nèi)部溫峰，降低結(jié)構(gòu)開裂風險。

圖5 水化熱調(diào)控材料與冷卻水管協(xié)同調(diào)控作用下基礎(chǔ)中心溫度及開裂風險計算結(jié)果

圖6 水化熱調(diào)控材料與冷卻水管協(xié)同調(diào)控作用下基礎(chǔ)中心溫度及開裂風險計算結(jié)果

協(xié)同作用工況下基礎(chǔ)的內(nèi)外溫差與表面開裂風險結(jié)果如圖6 所示。由圖可知，三種工況下基礎(chǔ)內(nèi)外溫差均不超過20℃，且表面點開裂風險均小于安全系數(shù)0.7。但由于水化熱調(diào)控材料延緩了膠凝材料的放熱速率，其后期放熱量大于基準混凝土。因此關(guān)閉冷卻水管后基礎(chǔ)中心溫度回升偏高，內(nèi)外溫差增加，從而造成表面開裂風險高于基準混凝土。由此可知，當使用水化熱調(diào)控材料時可適當延長冷卻水管通水時間，減小后期基礎(chǔ)中心溫度回升值，控制表面開裂風險。

4 結(jié)語

本文基于平南三橋北岸大體積拱座基礎(chǔ)，利用有限元軟件計算分析了基礎(chǔ)混凝土在單獨使用水化熱調(diào)控材料和冷卻水管以及二者協(xié)同作用下的降溫控裂效果。根據(jù)計算結(jié)果可分析得出下列結(jié)論：

1） 在拱座基礎(chǔ)中單獨采用冷卻水管措施時，可有效降低基礎(chǔ)溫峰值，減小里表溫差，但降溫幅度不足控制基礎(chǔ)內(nèi)部開裂風險在0.7 以下。2） 當拱座基礎(chǔ)采用水化熱調(diào)控材料和冷卻水管協(xié)同作用時，水化熱調(diào)控材料可延長冷卻水管作用的有效時間，減緩冷卻作用時的膠凝材料放熱速率。由此可顯著提升冷卻水管的降溫幅度，有效控制基礎(chǔ)中心開裂風險在0.7 以下。且水化熱調(diào)控材料的摻量越高，協(xié)同調(diào)控的降溫控裂效果越好。3） 由于水化熱調(diào)控材料會減緩混凝土水化放熱速率，引起冷卻水管結(jié)束通水后基礎(chǔ)溫度回升幅度偏高，從而造成內(nèi)外溫差和表面開裂風險的小幅上升。因此在使用水化熱調(diào)控材料時可適當延長冷卻水管通水時間。