初始溫度對(duì)大體積混凝土水化熱的影響

王 松

(淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232001)

在澆筑體積較大的混凝土構(gòu)件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較多的熱量并且熱量不能快速地散發(fā)出去，所以混凝土構(gòu)件中心節(jié)點(diǎn)部位的熱度在澆筑后的3～4 d內(nèi)不斷上升，這樣就可能使得構(gòu)件表里溫差超過(guò)限值，從而產(chǎn)生過(guò)大的溫度應(yīng)力，使構(gòu)件出現(xiàn)有害裂縫，影響結(jié)構(gòu)的承載能力[1].目前，對(duì)水化熱的研究比較多，如：陶建強(qiáng)等[2]研究了從混凝土運(yùn)輸、澆筑到后期養(yǎng)護(hù)，整個(gè)過(guò)程中水化熱的影響因素；郭寧等[3]分別使用Midas 和Ansys 2種軟件對(duì)水化熱進(jìn)行模擬，其結(jié)果與實(shí)際情況相符；宋福春等[4]研究了在承臺(tái)內(nèi)部如何設(shè)置冷水管，才能達(dá)到最好的降溫效果.

目前，關(guān)于大體積混凝土水化熱數(shù)值模擬的研究也有很多，但這些研究并沒有考慮模板及混凝土表面養(yǎng)護(hù)時(shí)覆蓋的薄膜對(duì)水化熱產(chǎn)生的影響.在對(duì)混凝土構(gòu)件水化熱的模擬中，通過(guò)設(shè)置模板和覆蓋薄膜的對(duì)流系數(shù)，來(lái)分析混凝土內(nèi)外熱度和溫度應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律，其結(jié)果更趨于實(shí)際.

1 工程案例

某橋梁工程，其主墩承臺(tái)平面為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)寬為11.3 m×8.2 m，承臺(tái)高2 m，采用Midas 軟 件模擬混凝土澆筑后30 d 內(nèi)的水化熱變化情況.

2 不同初始溫度下的水化熱模擬

承臺(tái)構(gòu)件內(nèi)部的溫度主要由初始溫度、與周圍環(huán)境的熱交換以及水化熱產(chǎn)生的熱量決定.承臺(tái)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫是因?yàn)闇夭町a(chǎn)生的溫縮拉應(yīng)力大于構(gòu)件本身的抗張強(qiáng)度，而降低溫差是減少承臺(tái)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫的關(guān)鍵[5].基于Midas 軟件環(huán)境，通過(guò)設(shè)置混凝土材料、地基基礎(chǔ)的熱力學(xué)參數(shù)及大體積混凝土與周邊環(huán)境的對(duì)流系數(shù)來(lái)模擬整個(gè)水化熱過(guò)程.

2.1 熱力學(xué)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)工程實(shí)際并結(jié)合混凝土水化熱試驗(yàn)資料，確定承臺(tái)及地基基礎(chǔ)的相關(guān)參數(shù)，見表1.

表1 混凝土及地基基礎(chǔ)熱力學(xué)參數(shù)

2.2 混凝土對(duì)流邊界參數(shù)設(shè)置

在整個(gè)工程施工中，混凝土澆筑在1.8 cm 厚的木模板中，木模板的對(duì)流系數(shù)為 26.6 kJ/(m2·h·℃)[6].承臺(tái)澆筑完成后，在表面覆蓋薄膜，薄膜的對(duì)流系數(shù)為12.7 kJ/(m2·h·℃)[7].

2.3 建立水化熱分析模型

采用Midas 軟件進(jìn)行模擬時(shí)，只考慮周圍環(huán)境和地基基礎(chǔ)對(duì)熱量的傳遞作用.地基基礎(chǔ)可視為剛性約束，地基尺寸比混凝土承臺(tái)寬和長(zhǎng)各超過(guò)3 m.混凝土的上部鋪設(shè)薄膜，鋪設(shè)時(shí)間為3 d，混凝土除頂面外，其余四周各面均設(shè)置模板.

圖1 混凝土承臺(tái)和地基基礎(chǔ)模型

3 模擬結(jié)果分析

在實(shí)際工程中，可采取相應(yīng)措施改變混凝土初始溫度，并通過(guò)監(jiān)測(cè)得到水化熱的變化過(guò)程.選用Midas 軟件進(jìn)行模擬時(shí)，選取承臺(tái)表面中心和承臺(tái)內(nèi)部中心節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，通過(guò)計(jì)算得到表面和中心節(jié)點(diǎn)的熱度和溫度應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)，以此來(lái)分析混凝土入模時(shí)，在20，25，30 和35 ℃混凝土水化熱的實(shí)際情況[8].圖2 和圖3 分別是承臺(tái)在25 和30 ℃時(shí)的應(yīng)力和溫度云圖.

圖2 應(yīng)力云圖

圖3 溫度云圖

圖4 為根據(jù)模擬結(jié)果繪制的混凝土在20，25，30 和35 ℃初始溫度下，承臺(tái)構(gòu)件溫度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系.

圖4 不同初始溫度下承臺(tái)構(gòu)件中心節(jié)點(diǎn)的溫度

圖4 表明混凝土內(nèi)部溫度呈先升后降的趨勢(shì)，且升溫速度明顯快于降溫速度；隨著初始溫度的升高，承臺(tái)中心節(jié)點(diǎn)部位溫度到達(dá)的峰值也不斷提高，比如，在養(yǎng)護(hù)第4 d 時(shí)，20 ℃對(duì)應(yīng)承臺(tái)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度為53 ℃；35 ℃對(duì)應(yīng)承臺(tái)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度在66 ℃；同時(shí)承臺(tái)在養(yǎng)護(hù)第4 d 時(shí)達(dá)到溫度的峰值，隨著初始溫度的上升，承臺(tái)內(nèi)部溫度達(dá)到峰值的時(shí)間也越早[9].

圖5 不同初始溫度下對(duì)應(yīng)的最大溫度應(yīng)力值

從圖5 中可以看出，在混凝土養(yǎng)護(hù)第6 d 時(shí)， 內(nèi)部應(yīng)力到達(dá)峰值，且在最初提升較快，后期降低速率較慢，所以在實(shí)際工程中一定要注意前期溫縮應(yīng)力大于構(gòu)件本身抗張強(qiáng)度的情況.從曲線變化中還可以了解到，承臺(tái)中的最大應(yīng)力值隨著初始溫度的升高而提高，比如在澆筑養(yǎng)護(hù)第6 d時(shí)，20 ℃對(duì)應(yīng)承臺(tái)內(nèi)部應(yīng)力峰值為2.85 MPa；35 ℃對(duì)應(yīng)承臺(tái)內(nèi)部應(yīng)力峰值為3.7 MPa.同時(shí)，從模擬的結(jié)果來(lái)看，混凝土承臺(tái)的溫度應(yīng)力一般分布在承臺(tái)側(cè)面下部及頂面四周.

因?yàn)闇囟葢?yīng)力很大程度上取決于混凝土的內(nèi)外溫差，所以研究承臺(tái)表面與中心部分的溫差對(duì)控制承臺(tái)內(nèi)部溫縮應(yīng)力有很大幫助.20，25，30和35 ℃初始溫度下混凝土的內(nèi)外溫差見圖6.

圖6 不同初始溫度下承臺(tái)的內(nèi)外溫差

從圖6 中可以得出，隨著初始溫度越高，承臺(tái)的表面與中心部分的溫度差越大.承臺(tái)澆筑養(yǎng)護(hù)第4 d 時(shí)，20 ℃對(duì)應(yīng)表面與中心部分的溫度差為19 ℃；35 ℃對(duì)應(yīng)溫度差為25 ℃.一般在第4 d時(shí)承臺(tái)表面與中心部分的溫度差到達(dá)峰值，承臺(tái)在養(yǎng)護(hù)第4 d 時(shí)達(dá)到溫度的峰值，且隨著初始溫度的上升，達(dá)到峰值的時(shí)間也越早[10].在實(shí)際工程中，承臺(tái)內(nèi)外溫度差超過(guò)25 ℃時(shí)，溫縮應(yīng)力大于構(gòu)件本身的抗張強(qiáng)度可能性越大.

為了研究不同初始溫度下承臺(tái)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)降溫規(guī)律，繪制了承臺(tái)降溫差的曲線圖，見圖7.

圖7 不同初始溫度下承臺(tái)的降溫差

從圖7 中可以看到承臺(tái)內(nèi)部溫度前期降溫比后期要快.這是因?yàn)榍捌谒療岱磻?yīng)強(qiáng)烈釋放了大量熱量，又來(lái)不及傳遞給周圍環(huán)境，所以承臺(tái)內(nèi)部溫度升高快；隨著水化熱反應(yīng)減弱，釋放的熱能減少，所以降溫速度下降[11].從曲線變化中可以得出承臺(tái)的降溫差與初始溫度成正比關(guān)系.這主要是因?yàn)槌跏紲囟雀?，反?yīng)迅速，產(chǎn)生的熱能多，降溫差也就越大，反之，初始溫度低，降溫差就越小.

4 結(jié)語(yǔ)

1)大體積承臺(tái)混凝土在澆筑后，混凝土內(nèi)部溫度呈先升后降的趨勢(shì)，且溫度升高時(shí)的速度比降溫速度快，隨著初始溫度的升高，承臺(tái)中心節(jié)點(diǎn)部位溫度到達(dá)的峰值也不斷提高，承臺(tái)在養(yǎng)護(hù)第4 d 時(shí)達(dá)到溫度的峰值，且隨著初始溫度的上升，達(dá)到峰值的時(shí)間越早.

2)在混凝土澆筑后第6 d 時(shí)，內(nèi)部應(yīng)力到達(dá)峰值，且在最初提升較快，后期降低速率較慢；承臺(tái)中最大應(yīng)力值隨著初始溫度的升高而提高.從模擬的結(jié)果來(lái)看，承臺(tái)構(gòu)件的溫度應(yīng)力一般分布在側(cè)面下部及承臺(tái)頂面四周.

3)當(dāng)澆筑初始溫度為35 ℃時(shí)，承臺(tái)表面與中心部分對(duì)應(yīng)溫度差為25 ℃，當(dāng)溫差超過(guò)25 ℃時(shí)，承臺(tái)內(nèi)部很可能產(chǎn)生裂縫，因此，在實(shí)際工程中可采取措施降低混凝土的澆筑初始溫度.

4)承臺(tái)內(nèi)部溫度前期比后期降溫速度要快，且承臺(tái)的降溫差與初始溫度成正比關(guān)系.