承臺大體積混凝土風(fēng)冷卻溫度控制研究

蔣浩博，宋志仕，朱偉華，顏東煌

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司)

水管冷卻技術(shù)初期多使用于歐美國家的大壩主體結(jié)構(gòu)，經(jīng)大量實(shí)踐檢驗(yàn)后水冷卻技術(shù)在大體積混凝土施工中被廣泛運(yùn)用。但該方法的應(yīng)用具有一定的局限性，如：偏遠(yuǎn)山區(qū)水資源匱乏地區(qū)無法非常有效地使用此方法、水冷卻管道密閉性要求極高、在豎向結(jié)構(gòu)中供水較為困難且容易發(fā)生管體爆裂，同時水循環(huán)冷卻較為不便等現(xiàn)象都對實(shí)際施工帶來不便。采用冷空氣替換水作為冷卻介質(zhì)，操作更加方便簡單，在實(shí)際運(yùn)用中工程費(fèi)用更低，中國的風(fēng)冷卻溫控技術(shù)已在福州市長門特大橋、望東長江大橋等工程中成功應(yīng)用。針對現(xiàn)有水管冷卻技術(shù)存在的諸多問題，該文提出采用更換現(xiàn)有常用冷卻介質(zhì)水的方法，利用冷空氣作為循環(huán)介質(zhì)對大體積混凝土承臺進(jìn)行溫度控制，并研究同等條件下，水冷卻和風(fēng)冷卻降溫效果的差別。

1 工程背景及基本理論參數(shù)

1.1 工程概況

某在建大型單跨鋼桁梁懸索橋，為了保證承臺的高性能工作要求，對主塔承臺的混凝土水化熱控制進(jìn)行了溫控模擬計算，根據(jù)計算結(jié)果制定了合理的溫控措施。承臺布設(shè)為矩形，尺寸為13.3 m×18.7 m，高度為6 m。承臺均采用C40混凝土，原設(shè)計采用混凝土分層澆筑，受限于工程的實(shí)際需要，同時也為了保證承臺的整體性，擬采用一次性澆筑成型施工，并同時優(yōu)化其溫控措施以保證結(jié)構(gòu)的整體溫度場穩(wěn)定。

1.2 混凝土原材料配合比設(shè)計

承臺段混凝土首先需要滿足強(qiáng)度指標(biāo)，其次由于基礎(chǔ)受力情況與混凝土施工工藝都較為復(fù)雜，混凝土還需要有較好的工作性能以及較高的抗裂性能來保證混凝土的耐久性。經(jīng)試驗(yàn)室優(yōu)化后的混凝土配合比如表1所示。

表1 承臺C40配合比 kg/m3

相應(yīng)的混凝土物理、熱性能參數(shù)試驗(yàn)值見表2。

表2 承臺混凝土物理、熱性能系數(shù)試驗(yàn)值

1.3 溫控計算主要技術(shù)參數(shù)

在計算中主要采用的技術(shù)參數(shù)如下：

(1)絕熱溫升

查閱相關(guān)資料，現(xiàn)有的絕熱溫升值可根據(jù)下式進(jìn)行計算：

(1)

式中：c為比熱；ρ為密度；ma為混合料的用量；Q(τ)為水泥水化熱；Qa為混合料的水化熱。

(2)風(fēng)冷卻理論參數(shù)

在冷卻管道一期的計算中，通常不考慮冷卻管與混凝土之間的空間作用，故混凝土的水化熱溫升產(chǎn)生的熱量Q1基于冷卻管吸熱產(chǎn)生的熱量Q2。

Q1=C1m1ΔT1=C1ρ1V1ΔT1

(2)

Q2=C2m2ΔT2=C2∑miΔTi=C2ρ2∑Vi·ΔTi=C2ρ2∑qitiΔTi

(3)

式中：C1、C2為混凝土比熱容[J/(kg·℃)]；ρ1、ρ2為冷卻介質(zhì)的密度(kg/m3)；V1為混凝土澆筑方量(m3)；ΔT1為混凝土溫度差(℃)；Qi為冷卻介質(zhì)的流量(m3/h)；ΔTi為對應(yīng)的冷卻管進(jìn)出口的冷卻介質(zhì)的溫度差(℃)；∑qiti為整個過程中冷卻介質(zhì)質(zhì)量(m3)。

由Q1=Q2,可得:

C1ρ1V1ΔT1=C2ρ2∑qitiΔTi

(4)

(5)

由上式可知:實(shí)際施工中控制混凝土溫升變化的關(guān)鍵因素在于冷卻介質(zhì)選取，冷卻介質(zhì)的比熱容、密度和總量的不同是影響混凝土溫升的重要指標(biāo)。該文數(shù)值模擬選取的冷卻介質(zhì)為干燥冷空氣，其比熱容為1×103J/(kg·℃)，密度為1.29 kg/m3。通過將冷卻介質(zhì)替換為冷空氣，雖然空氣的熱交換性能與水相比略有不足，但當(dāng)空氣流動總量足夠大且流速滿足條件時，即上式中的空氣流通總量∑qiti足夠大時，依靠冷空氣與混凝土的熱交換作用同樣可達(dá)到傳統(tǒng)水冷卻的降溫效果，以此保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

選取冷空氣作為冷卻介質(zhì)進(jìn)行計算時，可以采用等效對流熱傳導(dǎo)系數(shù)作為參數(shù)，在內(nèi)置冷卻管道中，冷卻空氣與固體表面的對流換熱系數(shù)值與風(fēng)速關(guān)系密切，冷空氣的對流系數(shù)可按下式計算：

(6)

式中：Va為冷卻介質(zhì)的流速(m/s)。

研究選用送風(fēng)裝置為流速為Va=11 m/s的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)通風(fēng)，入風(fēng)口溫度與環(huán)境溫度相同，管道內(nèi)與空氣的等效對流系數(shù)β=176.9 kJ/(m·h·℃)，等效冷卻風(fēng)溫T風(fēng)=32.5 ℃。

2 模型建立及工程應(yīng)用

2.1 模型建立

數(shù)值模擬計算模型采用實(shí)體單元，通過有限元分析軟件Midas/FEA建立模型。同時設(shè)置對稱邊界依照對稱性取1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析?？紤]到大體積承臺的受力和施工等因素，水化熱分析過程模擬了承臺與空氣接觸部分設(shè)置對流邊界以模擬空氣降溫，在墊層設(shè)置固定溫度邊界模擬地基與承臺的熱交換過程，并依據(jù)前文絕熱溫升對實(shí)體單元附加熱源。在模型中將承臺模擬為簡單的實(shí)體單元進(jìn)行水化熱分析，采用普通硅酸鹽水泥，如圖1所示。

圖1 承臺水化熱計算模型

在現(xiàn)場一次性澆筑時采用傳統(tǒng)的水冷卻方式對承臺進(jìn)行降溫處理，冷卻管道內(nèi)置在混凝土承臺內(nèi)，采用6層管道布置，在水平方向上冷卻管道橫向距離為0.5 m，豎直方向上每隔1 m布設(shè)一層管道，底層及頂層距離承臺表面0.5 m，管道每層均為U形布置，各層之間的冷卻管相互垂直，即上下層冷卻管為十字形交叉，冷卻管的管徑為40 mm，承臺開始澆筑至冷卻管道位置時即開始進(jìn)行冷卻，冷卻時間為承臺升溫較為劇烈的前250 h，在水化反應(yīng)趨于穩(wěn)定后，停止冷卻系統(tǒng)，具體布置方案見圖2。

圖2 承臺管道布置詳圖

2.2 測點(diǎn)布置

由于承臺結(jié)構(gòu)實(shí)心對稱的特點(diǎn)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)對稱性，取整個承臺的1/4布置測點(diǎn)，在承臺上共布置由下至上A、B、C3層，每層單獨(dú)布置10個點(diǎn)，每層的布點(diǎn)均一致，共計30個(圖3)。

圖3 承臺測點(diǎn)布置示意(單位：m)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計算結(jié)果對比

如前文所述，由于風(fēng)冷卻的熱交換能力低于傳統(tǒng)水冷卻，為了達(dá)到與水冷卻同等的降溫效果，在不改變承臺本構(gòu)參數(shù)、外部對流環(huán)境及邊界條件的情況下，將風(fēng)冷卻承臺工況中的冷卻管管徑增大為80 mm，水冷卻工況的冷卻管道管徑與現(xiàn)場實(shí)際一致(表3)。分別對風(fēng)冷卻與傳統(tǒng)水冷卻兩種不同溫控手段進(jìn)行水化熱分析，模擬其溫度場和應(yīng)力場的分布情況。結(jié)果如圖4～6所示。

表3 風(fēng)冷卻與水冷卻數(shù)值模擬主要參數(shù)對比

由圖4可知：水冷卻情況下70 h時，內(nèi)部水化熱反應(yīng)達(dá)到峰值，最高溫度約為47.7 ℃；風(fēng)冷卻情況下70 h時，最高溫度為52.9 ℃；從溫度分布云圖(圖4)、溫度時程對比圖(圖5)可以看出：在風(fēng)冷卻和水冷卻兩種不同的措施下，兩者均出現(xiàn)在約70 h的時刻，且混凝土內(nèi)部的最高溫度均小于規(guī)范值75 ℃，兩種冷卻措施的布置合理可行說明風(fēng)冷卻和水冷卻對該承臺的溫控效果相當(dāng)，在一定風(fēng)速、風(fēng)溫及合理的管道布置情況下，風(fēng)冷卻系統(tǒng)對承臺大體積混凝土的降溫效果與水冷卻相當(dāng)，具有一定的可替代性。

圖4 承臺最高溫度分布云圖(單位：℃)

圖5 風(fēng)冷卻與水冷卻措施的溫度變化時程對比圖

由圖6可知：混凝土拉應(yīng)力達(dá)到峰值時，水冷卻承臺的拉應(yīng)力為1.88 MPa，風(fēng)冷卻承臺的拉應(yīng)力略微高于水冷卻承臺，為2.02 MPa，兩種冷卻措施的最大拉應(yīng)力皆小于容許抗拉應(yīng)力，因水化熱引起的混凝土表面拉應(yīng)力較小，冷卻管道的布設(shè)適宜，結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生開裂的風(fēng)險，承臺整體處于安全。

圖6 承臺內(nèi)特征點(diǎn)應(yīng)力情況對比圖

3.2 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

施工現(xiàn)場冷卻管道內(nèi)采用工地生活用水作為冷卻用水，在現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控的同時根據(jù)現(xiàn)場施工情況對冷卻水流量進(jìn)行調(diào)整。取承臺內(nèi)部特征測點(diǎn)A1#、A6#、B1#、B6#、C1#、C6#觀測其時程變化，其中A1#、B1#、C1#測點(diǎn)為承臺外表面溫度值，A6#、B6#、C6#測點(diǎn)為承臺內(nèi)部的溫度變化值。承臺外部測點(diǎn)與內(nèi)部測點(diǎn)溫度時程曲線如圖7所示。

圖7 承臺實(shí)測溫度時程圖

比較圖5、圖7可知：水冷管道承臺的實(shí)測溫度與數(shù)值模擬溫度曲線基本吻合，實(shí)測的混凝土最高溫度峰值出現(xiàn)在60 h左右，承臺內(nèi)部的最高溫度為49.5 ℃，高于理論值1.8 ℃，且實(shí)測峰值出現(xiàn)時間比理論值早10 h左右。分析原因?yàn)椋簩?shí)際施工中混凝土澆筑，冷卻管道通水的時間一般是在澆筑開始之后一段時間才進(jìn)行，其中水化反應(yīng)已經(jīng)開始一段時間也會積累一定的熱量，導(dǎo)致冷卻措施的效果降低。同時，實(shí)測水冷卻承臺的溫度比有限元模擬風(fēng)冷卻工況下的溫度略低3.3 ℃，一方面是因?yàn)槔淇諝獾臒峤粨Q能力弱于水，在冷卻管道內(nèi)部沿程降溫的能力就會降低；另一方面，由于冷卻空氣密度較低，管道的周圍對于空氣流場的阻力效應(yīng)會大于水流場，冷卻空氣的風(fēng)速在過長的管道中有衰減，空氣冷卻效果會隨管道長度的增大而快速減弱，從而影響風(fēng)冷卻的效果。在實(shí)際操作中可以通過加大管道口徑、增大入風(fēng)口流速的方式彌補(bǔ)風(fēng)冷卻的缺點(diǎn)，達(dá)到與水冷卻相同的作用。

兩種不同的溫控措施在水化熱降溫100 h后那個階段，水化反應(yīng)都趨于平穩(wěn)，整體的降溫速率為0.1～0.2 ℃/h，在澆筑全部完成后，后期降溫速率曲線平穩(wěn)，保證了溫度的均勻變化，證實(shí)了兩種不同的溫控措施可以較大程度地避免溫度裂縫的產(chǎn)生。水冷卻實(shí)測數(shù)據(jù)與風(fēng)冷、水冷卻數(shù)值模擬的溫升基本相同，表明Midas/FEA模擬等效風(fēng)溫代入?yún)?shù)確實(shí)可行，此方法可以用于水化熱結(jié)果的分析。同時，新型的風(fēng)冷卻技術(shù)降溫的效果與傳統(tǒng)水冷卻技術(shù)降溫的效果差異不大，在一定程度上證實(shí)風(fēng)冷卻技術(shù)可用于大體積混凝土水化熱控制。

4 結(jié)論

以某懸索橋承臺大體積混凝土分層澆筑為工程背景，將傳統(tǒng)水冷卻與新型風(fēng)冷卻效果對比，得出如下結(jié)論：

(1)溫度計算值與實(shí)際施工情況較為符合，表明理論計算分析的結(jié)果具有可靠性。同時，有限元分析證實(shí)在承臺大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中風(fēng)冷卻技術(shù)有效可行，通過選取合適的管道布置、通風(fēng)總量與風(fēng)速，優(yōu)化后的風(fēng)冷卻方案是合理的，可以指導(dǎo)類似工程的施工，同類工程可以借鑒。

(2)由于風(fēng)冷卻導(dǎo)熱系數(shù)與對流參數(shù)的差異性，風(fēng)冷卻在大體積混凝土溫度監(jiān)控中應(yīng)用導(dǎo)致理論值與實(shí)際施工存在差別，還需進(jìn)一步研究優(yōu)化。