基于大體積混凝土溫度場(chǎng)自控溫的模擬計(jì)算

陳元浩

（重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑過程中，會(huì)因膠凝材料水化反應(yīng)引起溫度變化和收縮變化，進(jìn)而發(fā)展成為對(duì)自身有害的溫度裂縫[1]。為防止溫度裂縫的產(chǎn)生，需要控制溫度的均勻變化，減小溫度應(yīng)力，本文采用冷卻措施與相變材料聯(lián)合控溫，為類似工程溫度裂縫控制提供參考。

1 工程概況

重慶市郭家沱長(zhǎng)江大橋主橋采用單孔懸吊雙塔三跨連續(xù)鋼桁梁懸索橋，錨碇采用重力式錨碇，錨體及基礎(chǔ)采用原槽澆筑。錨碇結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)64.8m，主要由錨體、散索鞍、前錨室、后錨室、壓重塊及擴(kuò)大基礎(chǔ)構(gòu)成，其中散索鞍長(zhǎng)20m，寬27m，高20.8m，共分為11層，前10層每層高2m，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。施工于9月進(jìn)行，平均氣溫為25℃，分層分塊進(jìn)行澆筑，表面采用10cm蓄水養(yǎng)護(hù)，側(cè)面采用5mm鋼板作側(cè)模板。

2 原材料及配合比

2.1 相變材料選擇

相變材料選擇固-液相變材料，應(yīng)無毒、無過冷、無腐蝕性、性態(tài)穩(wěn)定[2-3]；相變材料的相變焓不低于200 kJ/kg；相變溫度根據(jù)大體積混凝土澆筑體擬控制的中心最高溫度確定，擬控制的中心最高溫度宜較相變溫度高3～5℃，以保證相變的發(fā)生。綜合考慮本次模擬計(jì)算采用石蠟作為相變材料，石蠟的熱物理參數(shù)如表1所示。

表1 相變材料熱物理參數(shù)

2.2 大體積混凝土配合比

錨定C40混凝土配合比如表2所示。

表2 錨定C40混凝土配合比

2.3 大體積混凝土熱力學(xué)參數(shù)

通過冷卻措施將澆筑溫度控制為25℃，其余熱力學(xué)參數(shù)的計(jì)算，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等，參照《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》（第三版）[4]。熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 混凝土熱工性能計(jì)算結(jié)果

2.4 大體積混凝土控溫要求

《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50496—2018）規(guī)定[5]：（1）混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于50℃；（2）混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25℃；（3）混凝土澆筑體降溫速率不宜大于2.0℃/d；（4）拆除保溫覆蓋時(shí)混凝土澆筑體表面與大氣溫差不應(yīng)大于20℃。

3 相變控溫模擬計(jì)算

3.1 大體積混凝土絕熱溫升

根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，膠凝材料水化熱取290.4kJ/kg，絕熱溫升按式（1）計(jì)算：

式中：T（t）為齡期t時(shí)混凝土的絕熱溫升，℃；W為膠凝材料用量，kg/m3；Q為膠凝材料水化熱，kJ/kg；C為混凝土比熱容，kJ/（kg·℃）；ρ為混凝土密度，kg/m3；m為與水泥品種、用量和入模溫度等有關(guān)的單方膠凝材料對(duì)應(yīng)系數(shù)；t為混凝土齡期，d。

3.2 大體積混凝土中心溫度

根據(jù)《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》（第三版）[4]，中心溫度按式（2）計(jì)算：

式中：Tmax為大體積混凝土中心最高溫度，℃；T0為大體積混凝土澆筑溫度，℃；ζ為不同澆筑塊厚度的降溫系數(shù)。

3.3 大體積混凝土表面溫度

根據(jù)《大體積混凝土溫度應(yīng)力實(shí)用計(jì)算方法及控裂工程實(shí)例》[6]，表面溫度按式（3）、式（4）計(jì)算：

式中：Tb為混凝土表面溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；H為混凝土的計(jì)算厚度，m；h為實(shí)際澆筑厚度，m；h＇為混凝土虛厚度，m；△T為混凝土最高溫度與環(huán)境溫度之差，℃。

3.4 相變材料用量

根據(jù)相變潛熱及溫度控制要求、擬控制大體積混凝土澆筑體中心最高溫度，來計(jì)算相變材料用量。相變材料用量按式（5）計(jì)算[7]：

式中：Mp為相變材料的質(zhì)量，kg；Tmax為未加相變材料混凝土澆筑體中心最高計(jì)算溫度，℃；T＇max為加入相變材料混凝土澆筑體中心最高計(jì)算溫度，℃；c1為固態(tài)相變材料比熱，kJ/（kg·℃）；T為相變材料的相變溫度，℃；q為相變材料的相變潛熱，kJ/kg；c＇1為液態(tài)相變材料的比熱，kJ/（kg·℃）。

4 計(jì)算結(jié)果與討論

4.1 相變材料用量計(jì)算結(jié)果

由式 （1）—（4）計(jì)算，該C40大體積混凝土絕熱溫升為46.29℃，中心最高溫度為51.39℃，表面最高溫度為42.99℃，中心最大降溫速率為1.54℃/d。

由式（5）計(jì)算，擬控制大體積混凝土中心最高溫度降低2℃、3℃和4℃，相變材料所需用量分別為14.54kg、22.00kg、29.59kg，體積用量分別為0.0159m3、0.0240m3、0.0323m3，分別占每立方大體積混凝土體積的1.59%、2.40%和3.23%。

4.2 相變控溫大體積混凝土溫度場(chǎng)

加入相變材料的大體積混凝土溫度場(chǎng)如圖1所示。

圖1 相變控溫大體積混凝土溫度場(chǎng)

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)擬控制大體積混凝土中心最高溫度降低3℃時(shí)，大體積混凝土表面溫度為40.94℃，內(nèi)外溫差為7.45℃，表面與環(huán)境溫差為15.94℃，最大中心降溫速率為1.37℃/d，與未摻加相變材料相比，最大中心降溫速率降低幅度為11.04%。

4.3 相變材料布置

設(shè)澆筑體尺寸為1m×1m×1m，擬控制大體積混凝土中心最高溫度降低3℃，經(jīng)計(jì)算，相變材料用量為22.00kg，液態(tài)相變材料體積為28.6L。若采用內(nèi)徑為4cm的鋁管封裝，封裝填充率為95%，則總的封裝管長(zhǎng)度為23.9m。澆筑體混凝土保護(hù)層厚度按5cm計(jì)算，則每根封裝管長(zhǎng)度為90cm，封裝管最少需要27根。

封裝管布置采用正交雙向布置，分5層，每層布置6根，則層與層間的間距為22.5cm，同一層中封裝管的間距為18cm；封裝管端頭距澆筑體邊緣5cm；上面層和下面層中澆筑體頂面和底面距5cm。

5 結(jié)論

采用冷卻措施與相變材料聯(lián)合控溫，有利于降低大體積混凝土中心溫度，減緩降溫速率。通過正交雙向布置相變材料，有利于大體積混凝土溫度的均勻變化，從而減小溫度開裂的風(fēng)險(xiǎn)。