環(huán)境溫度作用下地下主體結(jié)構(gòu)水化熱分析

AMOUSSOU Ekoe，陳卓異，李傳習(xí)，EZOULA A.Solange

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

混凝土凝固過(guò)程中存在水化放熱現(xiàn)象。對(duì)于大體積混凝土而言，由于單位面積上混凝土厚度增加，早期水化熱會(huì)引起較大的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。因此，有效控制大體積混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度相當(dāng)重要。

地下主體結(jié)構(gòu)的抗?jié)B要求高，結(jié)構(gòu)厚度大于1 m，需要控制混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差不大于25℃，避免混凝土開(kāi)裂。而在水化熱-環(huán)境溫度耦合作用下，地下主體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)如何分布是防止混凝土開(kāi)裂的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)澆筑混凝土內(nèi)外溫差的影響因素進(jìn)行大量研究。王倩[1]指出降低混凝土溫度最直接方法是減少水泥含量，但會(huì)影響其強(qiáng)度。補(bǔ)充膠凝材料（如灰分和高爐礦渣）降低混凝土的水化熱有限[2-3]。布置管冷來(lái)達(dá)到降低混凝土中心溫度具有可行性[4]。但在實(shí)際施工應(yīng)用過(guò)程中，進(jìn)行混凝土配合比控制的同時(shí)，對(duì)現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行合理養(yǎng)護(hù)，保證養(yǎng)護(hù)環(huán)境的溫度和濕度，避免混凝土結(jié)構(gòu)水化熱開(kāi)裂。王愉康等人[5]結(jié)合理論計(jì)算、試配制、微調(diào)整等方法，得出混凝土配合比中各種材料的最佳組成比例，達(dá)到降低混凝土水化熱的效果。馬樂(lè)等人[6]采用了鋪蓋濕土工布、薄膜、干麻袋對(duì)高層樓基礎(chǔ)承臺(tái)混凝土進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù)，達(dá)到降低混凝土內(nèi)外表面的溫差效果。張桂芳等人[7]通過(guò)建立某大跨拱橋MⅠDAS FEA 模型，得出溫度場(chǎng)、力場(chǎng)分布和水化熱的規(guī)律，并提出合適的大體積混凝土表面養(yǎng)護(hù)和內(nèi)部降溫措施。汪建群等人[8-14]通過(guò)分析MⅠDAS FEA 模型和實(shí)際工程數(shù)據(jù)結(jié)果，提出跨海大橋承臺(tái)混凝土溫度場(chǎng)與施工環(huán)境溫度和混凝土入模溫度的關(guān)系。但是對(duì)地下主體結(jié)構(gòu)在水化熱-環(huán)境溫度耦合作用下的溫度場(chǎng)研究不足，影響了地下主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。為了探索施工環(huán)境溫度對(duì)大體積混凝土水化熱的影響規(guī)律，提出有效的溫控方法。本研究以公常路中山大學(xué)深圳校區(qū)段下穿改造工程為背景，擬采用FEA 軟件對(duì)不同環(huán)境溫度下的底板進(jìn)行水化熱模擬，并與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)獲得不同施工環(huán)境溫度下的主體結(jié)構(gòu)底板混凝土內(nèi)外溫度進(jìn)行對(duì)比分析，以期為類(lèi)似工程施工水化熱控制提供借鑒。

1 工程概述

公常路中山大學(xué)深圳校區(qū)段的下穿改造工程，起點(diǎn)位于光僑路交叉路口西側(cè)，終點(diǎn)東至東莞邊界，全長(zhǎng)約3.56 km。其中，地下道路長(zhǎng)2.645 km（封閉段2.220 km，敞開(kāi)段0.425 km）。該工程主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度為C40 補(bǔ)充收縮砼，抗?jié)B等級(jí)為P8。墊層采用C20 混凝土，厚度為10 cm。主體結(jié)構(gòu)防水等級(jí)為二級(jí)，防水體系包括混凝土結(jié)構(gòu)自防水、施工縫和變形縫等接縫防水，附加防水層輔助排水措施。主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地下主體結(jié)構(gòu)（單位：cm）Fig.1 Underground main structure（unit:cm）

2 模型建立

2.1 模型參數(shù)及邊界條件

本研究對(duì)2 個(gè)不同斷面進(jìn)行研究。斷面1 樁號(hào)為K1+710，斷面2 樁號(hào)為K1+120。斷面1 和斷面2 的主體結(jié)構(gòu)尺寸一致。為提高效率，利用底板的對(duì)稱(chēng)性，建立1/2 模型。假設(shè)：施工過(guò)程中，環(huán)境土體參數(shù)保持不變，底板實(shí)際厚度為1.3 m，一次性澆筑，底板中部和表面混凝土入模時(shí)間一致，土體距底板底部5 m 位置的溫度為固定值，混凝土表面的對(duì)流系數(shù)為常數(shù)，底板底部為直接接觸土體，斷面環(huán)境溫度為實(shí)際環(huán)境溫度的平均值。

本模型根據(jù)實(shí)際工程及施工周邊環(huán)境的情況選定計(jì)算參數(shù)。由于主體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，斷面1以及斷面2 底板模型分別取1 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行研究。底板以下的土體厚度取5 m。土體固定溫度條件參數(shù)取20℃。實(shí)際工程中，施工環(huán)境溫度隨時(shí)間變化。為簡(jiǎn)化模型計(jì)算，取環(huán)境平均溫度作為施工環(huán)境溫度。斷面1 混凝土澆筑時(shí)間為2020 年1 月下旬，根據(jù)當(dāng)時(shí)氣候情況，得到底板施工與養(yǎng)護(hù)過(guò)程中環(huán)境平均溫度為15℃。斷面2 混凝土澆筑時(shí)間為2019 年9 月初，環(huán)境平均溫度為30℃。混凝土入模溫度控制在20℃，混凝土表面對(duì)流系數(shù)為12 kcal/m2·h·℃，建模計(jì)算時(shí)，考慮混凝土收縮徐變和自重。

底板溫度場(chǎng)FEA 模型共有2 010 節(jié)點(diǎn)，1 465單元。其中，底板混凝土占864 節(jié)點(diǎn)，565 單元；土體占1 332 節(jié)點(diǎn)，900 單元。底板混凝土和土體連接采用共節(jié)點(diǎn)方式；共節(jié)點(diǎn)數(shù)量為186。模型中底板寬度為5 m。模型如圖2所示。

圖2 底板溫度場(chǎng)FEA模型Fig.2 FEA model of the temperature field of the bottom plate

底板混凝土采用C40。根據(jù)混凝土配合比計(jì)算混凝土比熱和導(dǎo)熱系數(shù)?？紤]混凝土初始溫度20℃，根據(jù)《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》20℃對(duì)應(yīng)的材料熱性能參數(shù)見(jiàn)表1。混凝土導(dǎo)熱系數(shù)及比熱計(jì)算見(jiàn)表2。

表1 材料熱性能參數(shù)表Table 1 Thermal performance parameter of material

表2 混凝土水化熱參數(shù)計(jì)算表Table 2 Calculation table of concrete hydration heat parameters

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

斷面1 距混凝土表面0.65 m 位置對(duì)應(yīng)的N236節(jié)點(diǎn)，在澆筑3 h后，溫度達(dá)到最大值62.51℃；距混凝土表面0.05 m 位置對(duì)應(yīng)的N96 節(jié)點(diǎn)，在澆筑32 h 后，溫度達(dá)到最大值33.47℃，最大內(nèi)外溫差值為29.04℃。

斷面2 距混凝土表面0.65 m 位置對(duì)應(yīng)的N236節(jié)點(diǎn)，溫度在澆筑32 h 后，達(dá)到最大值65.99℃；距混凝土表面0.05 m 位置對(duì)應(yīng)的N96 節(jié)點(diǎn)，在澆筑25 h 后，溫度達(dá)到最大值48.80℃，最大內(nèi)外溫差值為21.51℃。溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。斷面1 和斷面2的FEA模型32 h模擬結(jié)果如圖3～4所示。

表3 FEA溫度數(shù)據(jù)Table 3 FEA temperature data ℃

圖3 斷面1澆筑32h后溫度分布云圖Fig.3 Temperature distribution diagram of the section 1 after 32 hours of pouring

圖4 斷面2澆筑32h后溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution cloud diagram of section 2 after 32 hours of pouring

從圖3中可以看出，在混凝土澆筑32 h后，斷面1底板中心溫度最大值達(dá)到68.81℃，測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置溫度達(dá)到62.51℃。從圖4中可以看出，在混凝土澆筑32 h后，斷面1底板中心溫度最大值達(dá)到70.41℃，測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置溫度達(dá)到65.99℃。模型中斷面1 和斷面2的混凝土溫度與時(shí)間關(guān)系如圖5～6所示。

圖5 斷面1混凝土內(nèi)外溫度模型曲線Fig.5 Curve of internal and external temperature of concrete in the section 1

圖6 斷面2混凝土內(nèi)外溫度模型曲線Fig.6 Curve of internal and external temperature of concrete in the section 2

3 溫度場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 測(cè)試方法

為確定水化熱引起的溫度場(chǎng)，斷面1 和斷面2的底板混凝土表面、中心、底部安裝了溫度傳感器，傳感器連接采集模塊，自動(dòng)采集溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)讀取數(shù)據(jù)。每個(gè)斷面共設(shè)3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝3 個(gè)傳感器。測(cè)點(diǎn)布置圖如圖7 所示。本研究以每個(gè)斷面的底板左幅中間位置測(cè)點(diǎn)為參考對(duì)象，以距混凝土表面0.05 m 位置的傳感器數(shù)據(jù)為混凝土表面數(shù)據(jù)，以距混凝土表面0.65 m位置的傳感器數(shù)據(jù)為混凝土中心數(shù)據(jù)。

圖7 測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）Fig.7 Layout of measuring points（unit:cm）

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

斷面1 和斷面2 的混凝土實(shí)測(cè)溫度與時(shí)間關(guān)系如圖8～9所示。

圖8 斷面1混凝土內(nèi)外溫度實(shí)測(cè)曲線Fig.8 The measured curve of internal and external temperature of concrete in the section 1

圖9 斷面2混凝土內(nèi)外溫度實(shí)測(cè)曲線圖Fig.9 The measured curve of internal and external temperature of concrete in section 2

斷面1底板混凝土內(nèi)部溫度在澆筑32 h后，達(dá)到最大值60.7℃；混凝土外表溫度在澆筑25 h 后，達(dá)到最大值37.6℃，最大內(nèi)外溫差值為28.4℃。斷面2 混凝土內(nèi)部溫度在澆筑34 h 后，達(dá)到最大值67.7℃；混凝土外表溫度在澆筑34 h后，達(dá)到最大值49.1℃，最大內(nèi)外溫差值為22.5℃。實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)Table 4 The measured temperature data ℃

從圖5～6 和圖8～9 中可以看出，底板混凝土中心溫度變化規(guī)律一致。混凝土中心溫度在澆筑32 h 后達(dá)到最大值，然后緩慢下降。降溫過(guò)程中，底板中心溫度未出現(xiàn)回升現(xiàn)象。從圖5～6 中可以看出，混凝土內(nèi)部和外部的溫度曲線圖平滑。從圖8～9 中可以看出，混凝土內(nèi)部曲線較平滑，而混凝土表面曲線明顯粗糙。表明：實(shí)際工程中，混凝土表面直接受到環(huán)境溫度波動(dòng)的影響。

由表3～4 可知，斷面1 最大內(nèi)外溫差值29.04℃，大于斷面2 最大內(nèi)外溫差值21.51℃。實(shí)測(cè)斷面1 最大內(nèi)外溫差值28.4℃，大于斷面2 最大內(nèi)外溫差值22.5℃。表明：在施工環(huán)境溫度為30℃時(shí)，混凝土最大內(nèi)外溫差值相比施工環(huán)境溫度為15℃時(shí)的小。

4 結(jié)果分析

實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)與模型變化規(guī)律一致且結(jié)果比較吻合。由斷面1數(shù)據(jù)可見(jiàn)，混凝表面實(shí)測(cè)最大溫度值與模型最大溫度值相差4.13℃。其原因?yàn)椋孩俦灸Ｐ臀纯紤]混凝土養(yǎng)護(hù)的影響，而實(shí)際工程采用覆蓋物進(jìn)行配合養(yǎng)護(hù)，混凝土表面全部覆蓋嚴(yán)密，并保持覆蓋物內(nèi)有凝結(jié)水。②本模型未考慮混凝土模的作用，而實(shí)際工程中底板拐角部分采用導(dǎo)熱系數(shù)為163.29 kJ/（m·h·K）的鋼板作為模板。③本模型中未考慮環(huán)境溫度的波動(dòng)。④實(shí)際工程中，溫度傳感器埋設(shè)的位置與模型對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)有一定誤差。⑤本模型未考慮底板底面接觸的封底混凝土影響。⑥本模型未考慮底板中部與表面的混凝土入模時(shí)差，實(shí)際工程中混凝土中部與表面澆筑時(shí)間相差3 h。

無(wú)論模型結(jié)果或?qū)崪y(cè)溫度，混凝土水化熱引起的溫度值在環(huán)境溫度為15℃時(shí)往往比環(huán)境溫度為30℃時(shí)的小?；炷磷畲鬁囟戎蹬c環(huán)境溫度的關(guān)系見(jiàn)表5。

表5 混凝土最大溫度值與環(huán)境溫度的關(guān)系Table 5 Relationship between the maximum temperature of concrete and the ambient temperature ℃

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際量測(cè)出來(lái)的溫度譜與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)論為：

1）環(huán)境溫度每增加15℃，混凝土中心溫度至少增加3.48℃。因此，選擇合適的環(huán)境溫度下施工，可以有效控制大體積混凝土水化熱溫差。

2）混凝土內(nèi)外溫差隨著施工環(huán)境溫度的降低而增大。環(huán)境溫度每降低15℃，混凝土內(nèi)外溫差值增加至少4.9℃。因此，在施工環(huán)境溫度過(guò)低情況下，需要考慮采取有效保溫措施，以防出現(xiàn)溫度裂縫。

3）施工環(huán)境溫度對(duì)大體積混凝土表面溫度的影響很大。在施工環(huán)境溫度容易出現(xiàn)突變情況下，需考慮選擇水化熱低水泥。