養(yǎng)護(hù)方式對(duì)夏季大體積混凝土施工溫度場(chǎng)的影響研究

王 俊, 郭 鑫, 邱文會(huì), 孔亞美

(1.河南省建筑固廢生態(tài)高質(zhì)化利用工程技術(shù)研究中心,河南 許昌 461000; 2.許昌學(xué)院土木 工程學(xué)院,河南 許昌 461000;3.中建七局建筑裝飾工程有限公司, 河南 鄭州 450003; 4.河南金諾混凝土有限公司, 河南 許昌 461000)

近年來,我國(guó)基建規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大,大體積混凝土應(yīng)用更為廣泛.大體積混凝土在澆筑后產(chǎn)生大量的水化熱,混凝土的上、下表面溫度與大氣或地基接觸使其熱量較易散發(fā),而混凝土內(nèi)部熱量卻得到有效儲(chǔ)存,造成混凝土里表溫差過大,出現(xiàn)超過混凝土自身抗拉能力的溫度應(yīng)力而引發(fā)有害裂縫,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)可靠性能[1,2].養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土澆筑后熱量散發(fā)路徑影響極大,炎熱天氣條件下大體積混凝土施工時(shí),混凝土入模溫度較高,導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的峰值溫度過高,加大了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中溫度應(yīng)力裂縫出現(xiàn)的可能[3-5].

結(jié)合炎熱天氣條件下施工的某2 m厚筏板基礎(chǔ)工程案例,采用MIDAS-FEA軟件,分析了筏板基礎(chǔ)的溫度場(chǎng),并與工程現(xiàn)場(chǎng)的溫度監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了采用該軟件分析大體積混凝土澆筑后溫度場(chǎng)的可行性.進(jìn)一步采用該軟件分析了不同養(yǎng)護(hù)條件下,筏板基礎(chǔ)內(nèi)部不同區(qū)域的溫度變化及不同區(qū)域間的溫差時(shí)程規(guī)律,得出了有益結(jié)論,可供大體積混凝土施工時(shí)參考.

1 工程背景

中原地區(qū)某醫(yī)院高層病房樓主樓鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ),基礎(chǔ)尺寸為119×34×2 m,沿縱向設(shè)置了三道后澆帶,混凝土量分別為2 100 m3、2 987.6 m3、2 100 m3.施工時(shí)間為夏季,日均氣溫達(dá)30 ℃左右,最高溫度達(dá)36 ℃[6].

選取筏板基礎(chǔ)Ⅱ段為研究對(duì)象,施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫孔布置如圖1所示,每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)沿筏板高度方向4個(gè)位置測(cè)溫,具體做法如圖2所示.筏板基礎(chǔ)采用設(shè)計(jì)齡期28 d強(qiáng)度的C40P6防水混凝土,配合比如表1所示.施工時(shí)對(duì)混凝土出機(jī)溫度和入模溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控,本次混凝土澆筑時(shí)測(cè)定34組入模溫度數(shù)據(jù),最高值達(dá)32 ℃,最低值為28.5 ℃,平均值約為29.6 ℃.

圖1 Ⅱ段測(cè)溫孔布置平面圖

圖2 溫度監(jiān)測(cè)孔沿筏板高度布置圖

表1 C40P6混凝土配合比/kg·m-3

2 MIDAS-FEA軟件分析大體積混凝土溫度場(chǎng)的可行性分析

2.1 分析思路

圖3 有限元模型

在MIDAS-FEA軟件對(duì)大體積混凝土筏板基礎(chǔ)運(yùn)行求解分析,獲取大體積混凝土溫度場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)[7,8].模擬本工程筏板基礎(chǔ)一次性澆筑完成,定義了一個(gè)水化熱施工階段,將地基、筏板基礎(chǔ)、對(duì)流邊界及熱源函數(shù)等一次性激活.取筏板基礎(chǔ)1/4建模分析,為了更準(zhǔn)確地反映底板的約束情況及水化熱傳播的過程,在筏板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)底部設(shè)置了厚度為5 m的地基,小長(zhǎng)方體模擬的是筏板基礎(chǔ),大長(zhǎng)方體模擬的是地基,有限元模型如圖3所示.

有限元分析時(shí)地基底部所有節(jié)點(diǎn)設(shè)置為20 ℃的常溫,混凝土絕熱溫升值為熱源函數(shù),本案例的混凝土絕熱溫升值為60.3 ℃;上部對(duì)流邊界條件按蓄水12 cm養(yǎng)護(hù),對(duì)流系數(shù)為4.35 W/(m2·℃);混凝土入模溫度設(shè)定為30 ℃,設(shè)定環(huán)境溫度30 ℃.

2.2 有限元分析結(jié)果與工程監(jiān)測(cè)值對(duì)照分析

選取圖1中的4個(gè)測(cè)點(diǎn)在圖2所示的a、b、c、d四個(gè)不同高度處溫度值,與采用MIDAS-FEA分析獲取測(cè)點(diǎn)8相應(yīng)位置的溫度值進(jìn)行對(duì)比,如圖4所示.

從圖4(a)中看出,實(shí)測(cè)溫度時(shí)程曲線與有限元值對(duì)照分析表明,兩者峰值溫度接近,分別為58.5 ℃、60.8 ℃,但實(shí)測(cè)峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間較有限元分析值早20 h,且實(shí)測(cè)降溫速率較快,這主要與表面蓄水養(yǎng)護(hù)的條件和環(huán)境溫度變化有關(guān).

從圖4(b)、(c)可知,筏板基礎(chǔ)中部區(qū)域不同測(cè)點(diǎn)的溫度時(shí)程曲線基本接近.有限元分析值比施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)溫度值略低,分別為76. 8℃、79 ℃,但絕熱溫升均沒有超過50 ℃,滿足大體積混凝土規(guī)范規(guī)定[9],實(shí)測(cè)值和有限元值溫度時(shí)程曲線規(guī)律比較近似.

圖4(d)表明筏板基礎(chǔ)底部區(qū)域,有限元分析值比施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值略高,但均符合規(guī)范要求[9].實(shí)測(cè)的峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間較有限元分析結(jié)果明顯早,且實(shí)測(cè)的降溫速率快,降溫階段有限元值均比實(shí)測(cè)值高.

綜上所述,有限元分析的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)基本可以反映大體積混凝土澆筑后溫度場(chǎng)變化規(guī)律.考慮施工現(xiàn)場(chǎng)入模溫度、蓄水效果、環(huán)境溫度等因素與有限元軟件設(shè)定恒定狀況的差異引起的偏差,采用MIDAS-FEA軟件分析大體積混凝土溫度場(chǎng)是可行的.

圖4 監(jiān)測(cè)值與有限元分析值的溫度時(shí)程曲線對(duì)比

3 不同養(yǎng)護(hù)條件下大體積混凝土夏季施工溫度場(chǎng)有限元分析

3.1 分析思路

以工程案例為研究對(duì)象,采用MIDAS-FEA軟件,分析筏板基礎(chǔ)自澆筑混凝土后360 h內(nèi),在不同對(duì)流邊界條件下的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù),有限元模型同圖3.不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)應(yīng)軟件庫的對(duì)流邊界條件及對(duì)流系數(shù)[8]如表2所示.

提取筏板基礎(chǔ)中間區(qū)域某處的距上、下表面5 cm[9],以及中心處的溫度時(shí)程曲線如圖5所示.分析不同對(duì)流邊界條件下結(jié)構(gòu)的上、中、下幾個(gè)區(qū)域代表性節(jié)點(diǎn)峰值溫度、峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間、降溫速率,討論不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)筏板基礎(chǔ)中上及中下里表溫差值時(shí)程規(guī)律及其對(duì)溫度應(yīng)力的影響.

表2 不同邊界條件下對(duì)流系數(shù)

3.2 分析結(jié)果討論

3.2.1 代表性區(qū)域節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分析

獲取不同邊界條件下大體積混凝土筏板基礎(chǔ)內(nèi)部不同區(qū)域代表性節(jié)點(diǎn)的溫度時(shí)程曲線,如圖5所示.

圖5(a)表明,自然灑水養(yǎng)護(hù)、蓄水12 cm、薄膜+麻袋濕水覆蓋等不同對(duì)流邊界條件下,峰值溫度分別為41.4 ℃、56.6 ℃、60.5 ℃.自然灑水養(yǎng)護(hù)較其他兩種對(duì)流邊界條件峰值溫度分別降低15.2 ℃、19.1 ℃,明顯降低上部區(qū)域的溫度峰值.蓄水深度對(duì)溫度場(chǎng)影響較大,蓄水4 cm、8 cm、12 cm時(shí),峰值溫度分別是45.3 ℃、52.9 ℃、57 ℃,達(dá)到峰值溫度的時(shí)間分別在澆注混凝土后50 h、72 h、72 h,降溫速率基本接近.

對(duì)上部區(qū)域,不同對(duì)流邊界條件對(duì)混凝土表面熱量散發(fā)效果影響明顯,對(duì)峰值溫度影響較大,峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間差亦較大,灑水自然養(yǎng)護(hù)工況下出現(xiàn)峰值在混凝土澆筑后50 h,而薄膜+麻袋濕水覆蓋是在混凝土澆筑后72 h.不同對(duì)流邊界條件下筏板基礎(chǔ)的降溫速率總體比較接近.

圖5 不同對(duì)流邊界條件下筏板基礎(chǔ)不同區(qū)域溫度時(shí)程曲線

圖5(b)中,自然灑水養(yǎng)護(hù)、蓄水12 cm、薄膜+麻袋濕水覆蓋等三種工況下,峰值溫度分別為76.5 ℃、77.3 ℃、77.8 ℃,較入模溫度增加值均不超過50 ℃,滿足規(guī)范要求.自然灑水養(yǎng)護(hù)較其他兩種對(duì)流邊界條件峰值溫度分別降低4.9 ℃、5.4 ℃.自然灑水養(yǎng)護(hù)峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間在澆筑完成后60 h,其他三種工況峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間基本一致,均在澆筑完成后72 h.

蓄水深度對(duì)中部區(qū)域溫度場(chǎng)影響不大,蓄水4 cm、8 cm、12 cm時(shí),峰值溫度分別是76.7 ℃、77.3 ℃、77.5 ℃,達(dá)到峰值溫度的時(shí)間基本一致,降溫速率基本接近.

對(duì)筏板基礎(chǔ)沿高度的中部區(qū)域,自然灑水養(yǎng)護(hù)與其他工況一樣,對(duì)筏板基礎(chǔ)中部區(qū)域溫度場(chǎng)影響不大.

圖5(c)表明,對(duì)流邊界條件下對(duì)筏板基礎(chǔ)下部區(qū)域溫度場(chǎng)影響不大,幾種工況的峰值溫度均為59 ℃左右,不同工況下出現(xiàn)峰值溫度的時(shí)間基本一致,均符合規(guī)范要求.究其因主要是下表面水化熱量主要以向地基傳遞為主,散熱途徑基本一致.

3.2.2 里表溫差及其對(duì)溫度應(yīng)力的影響分析

大體積混凝土的溫度應(yīng)力包括兩項(xiàng),一是混凝土受到周邊基礎(chǔ)等形成的外約束拉應(yīng)力,二是混凝土自約束拉應(yīng)力.以混凝土自約束拉應(yīng)力為例,分析不同養(yǎng)護(hù)條件對(duì)大體積混凝土不同區(qū)域溫度差以及對(duì)混凝土自約束拉應(yīng)力的影響.

混凝土自約束拉應(yīng)力的計(jì)算可按下式計(jì)算.

式中,α為混凝土線膨脹系數(shù),取為l×10-5.

ΔTli(t)為齡期t時(shí),第i計(jì)算區(qū)段混凝土澆筑體里表溫差的增量(℃).

Hi(t,τ)為混凝土松弛系數(shù),取1.

Ei(t)為齡期t時(shí)混凝土的彈性模量.

公式表明,溫差因素是影響自約束拉應(yīng)力的主要因素.結(jié)合有限元分析的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù),對(duì)大體積混凝土中心區(qū)域和上、下表面區(qū)域間的溫差時(shí)程曲線進(jìn)行分析,進(jìn)而可探究對(duì)流邊界條件對(duì)溫度應(yīng)力的影響.養(yǎng)護(hù)方式對(duì)筏板基礎(chǔ)量表溫差分析如圖6所示.

圖6 養(yǎng)護(hù)方式對(duì)筏板基礎(chǔ)里表溫差分析

由圖6(a)可知,養(yǎng)護(hù)方式對(duì)中、上里表溫差影響極為明顯,自然灑水養(yǎng)護(hù)、蓄水12 cm、薄膜+麻袋濕水覆蓋三種工況下,中上里表溫差分別為33.4 ℃、21.6 ℃、18.6 ℃,溫差的比值分別是1∶0.65∶0.56.蓄水深度對(duì)中上溫差影響亦較大,蓄水4 cm、8 cm、12 cm,中上里表溫差分別是31.8 ℃、24.4 ℃、21.6 ℃,溫差比值分別是1∶0.77∶0.70,由式(1)可知,不同養(yǎng)護(hù)方式對(duì)溫度應(yīng)力影響顯著.

由圖6(b)可知,養(yǎng)護(hù)方式對(duì)中、下里表溫差有一定影響,自然灑水養(yǎng)護(hù)、蓄水12 cm、薄膜+麻袋濕水覆蓋等不同對(duì)流邊界條件下,中下里表溫差分別為20.5 ℃、21.2 ℃、21.7 ℃,溫差的比值分別是1、1.03、1.06,幾種工況下的中下里表溫差基本一致.蓄水深度對(duì)中下溫差基本不影響,蓄水4 cm、8 cm、12 cm,中上里表溫差分別是20.7 ℃、21.2 ℃、21.7 ℃.溫差比值分別是1、1.02、1.05.

將區(qū)段累計(jì)溫差因素進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,可清晰看出養(yǎng)護(hù)方式對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)中、上區(qū)域溫度應(yīng)力影響極大,但對(duì)中、下區(qū)域溫度應(yīng)力影響不大.根據(jù)大體積混凝土施工規(guī)范要求,混凝土澆筑體里表溫差不宜超過25 ℃,從以上數(shù)據(jù)分析看出,采用自然灑水養(yǎng)護(hù)、蓄水4 cm情況時(shí),里表溫差均不符合要求.在具體工程中,選用何種養(yǎng)護(hù)方式,要結(jié)合工程實(shí)際情況綜合考慮.

4 結(jié)語

(1)MIDAS-FEA軟件分析大體積混凝土?xí)r,與工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相比,峰值溫度接近,降溫速率更趨平緩,出現(xiàn)峰值溫度的時(shí)間延后,但總體可以反映大體積混凝土溫度場(chǎng)變化規(guī)律.

(2)養(yǎng)護(hù)方式對(duì)筏板基礎(chǔ)上部區(qū)域的峰值溫度、峰值溫度出現(xiàn)時(shí)間及降溫速率均有影響,對(duì)峰值溫度影響極大,但對(duì)中部區(qū)域和下部區(qū)域的溫度場(chǎng)指標(biāo)影響不大.

(3)養(yǎng)護(hù)方式對(duì)大體積混凝土不同區(qū)域得溫度差影響極大,進(jìn)而對(duì)溫度應(yīng)力也有明顯影響;蓄水深度大和“薄膜+麻袋濕水覆蓋”養(yǎng)護(hù)對(duì)降低溫度差和溫度應(yīng)力是有利的.