拉各斯航站樓獨立基礎(chǔ)大體積水化熱控制研究

李茂達

摘要：基于拉各斯航站樓項目，通過數(shù)值模擬手段建立大體積獨立基礎(chǔ)模型，分析混凝土澆筑溫度、養(yǎng)護條件以及粉煤灰摻量對其溫度場的影響。研究結(jié)果表明，為了有效控制基礎(chǔ)混凝土中心溫度，粉煤灰摻量范圍應(yīng)為30%～50%。通過設(shè)置XPS板保溫措施能夠有效降低混凝土表面拉應(yīng)力和內(nèi)外溫差，避免產(chǎn)生溫差裂縫。提高澆筑溫度會明顯增大基礎(chǔ)混凝土中心溫度，但在澆筑溫度超過25℃后，基礎(chǔ)溫度受澆筑溫度提高的影響較小。不同養(yǎng)護條件下的前期中心升溫速度基本一致，且各養(yǎng)護條件的中心溫度最大值相差較小，但當(dāng)溫度下降時不同養(yǎng)護條件下的溫降速度差別較大。

關(guān)鍵詞：大體積基礎(chǔ)；水化熱；數(shù)值模擬；澆筑溫度；溫差裂縫

0? ?引言

在混凝土施工過程中，因為水泥水化反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱量，使得混凝土內(nèi)部溫度迅速提高，進而引發(fā)一系列問題，如裂縫、強度降低等，因此對基礎(chǔ)大體積混凝土水化熱的有效控制顯得尤為重要，這也是當(dāng)前眾多學(xué)者研究的熱點[1-2]。

付婷婷等[3]以某商業(yè)筏板基礎(chǔ)工程為例，計算了工程中大體積混凝土的溫度，并提出了相應(yīng)的養(yǎng)護方案。胡桂海[4]借助有限元軟件，通過數(shù)值模擬的方式對大體積混凝土澆筑施工過程里的溫度變化進行了模擬，并提出大體積混凝土溫度控制方案。陳聰?shù)萚5]結(jié)合工程特點，提出了相應(yīng)的大體積混凝土溫度裂縫控制方案。

本文基于尼日利亞拉各斯航站樓項目，通過數(shù)值模擬手段建立大體積獨立基礎(chǔ)模型，分析了混凝土的澆筑溫度、養(yǎng)護條件以及粉煤灰摻量對其溫度場的影響。

1? ?項目概況

拉各斯機場航站樓項目建筑面積49000m2左右，建筑高度為28.325m，共4層，其中一層主要用于行李處理、辦公室、設(shè)備間；二層主要用于進港、行李提取、海關(guān)、銀行等；三層主要用于售票、值機、離港、免稅店；四層主要為酒店。

獨立基礎(chǔ)為航站樓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為其主體結(jié)構(gòu)形式，鋼結(jié)構(gòu)為其屋蓋結(jié)構(gòu)形式。地基場地類別Ⅲ類，基礎(chǔ)設(shè)計等級乙級，厚度為50mm。對于其獨立基礎(chǔ)的施工，難點在于大體積混凝土澆筑質(zhì)量和裂縫控制，基礎(chǔ)所用混凝土強度等級為C25。

2? ?基礎(chǔ)澆筑過程的模擬

2.1? ?參數(shù)選擇

結(jié)合拉各斯當(dāng)?shù)貧鉁貋磉x擇基礎(chǔ)大體積混凝土溫度場數(shù)值模擬的各項材料參數(shù)，具體見表1?？諝夂突炷翆α飨禂?shù)取49.347W/（m2·K），鋼模板對流系數(shù)取48.187W/（m2·K），空氣與地基對流系數(shù)取52.944W/（m2·K）。

2.2? ?建立基礎(chǔ)模型

工程中所用大體積柱下獨立基礎(chǔ)大小為8m×8m×3m。根據(jù)上述相關(guān)參數(shù)建立有限元模型，并且設(shè)置厚度為1m的土基來對基礎(chǔ)底部的傳熱過程進行模擬。模型共有10480個單元和12630個節(jié)點，模型下部為地基，上部為基礎(chǔ)。

3? ?影響溫度場和溫度應(yīng)力因素分析

導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的主要原因是溫度應(yīng)力作用在混凝土表面，使其產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于自身的極限抗拉強度，從而出現(xiàn)裂縫?；炷恋臐仓囟取B(yǎng)護條件、混凝土配合比等都會對其溫度場變化造成影響。與此同時，混凝土是否會形成溫度裂縫，主要通過其表面拉應(yīng)力、內(nèi)表溫差和中心溫度峰值來進行判斷。

所以根據(jù)已建立的有限元模型，將基礎(chǔ)頂部中心部位的拉應(yīng)力、內(nèi)表溫差以及基礎(chǔ)中心溫度，作為指標來分析混凝土澆筑溫度、養(yǎng)護條件、混凝土配合比對大體積基礎(chǔ)的影響。

3.1? ?粉煤灰摻量的影響

不采取保溫措施，并設(shè)置澆筑溫度為20℃，參考配合比對模擬參數(shù)進行調(diào)整，分別模擬30%、40%、50%、60%這4種粉煤灰摻量下混凝土基礎(chǔ)的溫度場變化趨勢，各粉煤灰摻量下基礎(chǔ)中心溫度變化趨勢、內(nèi)表溫差變化趨勢和表面拉應(yīng)力變化趨勢分別如圖1、圖2和圖3所示。

綜合分析圖1至圖3能夠看出，基礎(chǔ)中心最高溫度在粉煤灰摻量為30%時的值為67℃，當(dāng)粉煤灰摻量增大到60%時，基礎(chǔ)中心最高溫度減小到55.54℃。內(nèi)表溫差在粉煤灰摻量為30%時的值為39.14℃，當(dāng)粉煤灰摻量增大到60%時，內(nèi)表溫差減小到28.93℃。表面最大拉應(yīng)力在粉煤灰摻量為30%時的值為4.75MPa，當(dāng)粉煤灰摻量增大到60%時，表面最大拉應(yīng)力減小到3.47MPa。據(jù)此能夠看出隨著粉煤灰摻量的增加，3項指標均呈現(xiàn)為逐漸降低的趨勢。

同時能夠發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)中心溫度在粉煤灰摻量范圍處于30%～50%之間時變化較為明顯，而溫度變化幅度在粉煤灰摻量超過50%時逐漸減小，所以為了有效控制基礎(chǔ)混凝土中心溫度，粉煤灰摻量范圍應(yīng)為30%～50%。在理論上，主要由于粉煤灰的火山灰反應(yīng)較遲鈍，在初始水化反應(yīng)階段釋放出的熱量較少，所以在混凝土中加入粉煤灰能夠顯著減小混凝土的水化熱，避免混凝土表面產(chǎn)生溫度裂縫。

3.2? ?混凝土養(yǎng)護條件的影響

在澆筑溫度為20℃、粉煤灰含量為30%時，分別對進行3cmXPS板保溫、2cm土工布保溫和裸露養(yǎng)護3種保溫措施下基礎(chǔ)溫度場的變化趨勢進行模擬，模擬時通過改變對流系數(shù)來滿足不同的保溫工況。在各保溫條件下，基礎(chǔ)中心溫度變化趨勢、內(nèi)表溫差變化趨勢和表面拉應(yīng)力變化趨勢分別如圖4、圖5和圖6所示。

綜合分析圖5至圖7能夠看出，3種養(yǎng)護條件下的前期中心升溫曲線基本重合，中心溫度最大值范圍為67.43～69.29℃，三者相差較小。但當(dāng)溫度下降時，3種養(yǎng)護條件下的溫降速度差別較大，降溫速度最大的是表面裸露養(yǎng)護條件，達到1.85℃/h；降溫速度最小的是XPS板保溫，達到1.05℃/h。

同時能夠看出，表面拉應(yīng)力和內(nèi)表溫差變化較為明顯，5.09MPa和39.86℃分別為裸露養(yǎng)護時的最大拉應(yīng)力和最大內(nèi)表溫差。與其相比，XPS板保溫和土工布保溫時的表面最大拉應(yīng)力分別減小2.37MPa和2.01MPa，最大內(nèi)表溫差分別減小19.62℃和15.12℃，但裸露養(yǎng)護下基礎(chǔ)的內(nèi)表溫差在澆筑時間超過180h后，反而小于另外兩種保溫條件下的值。

由此能夠得出，通過設(shè)置合理的外保溫措施，能夠在一定程度上減小基礎(chǔ)混凝土表面拉應(yīng)力和內(nèi)外溫差，有助于控制混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。但要注意的是，要對保溫時間進行合理地控制，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差將要到達臨界值時撤去外保溫措施，提高基礎(chǔ)內(nèi)外溫度的降低速度。

3.3? ?混凝土澆筑溫度的影響

不進行外保溫措施，將混凝土粉煤灰含量設(shè)置為30%時，對模型的初始溫度進行調(diào)整，分別對澆筑溫度在35℃、30℃、25℃、20℃和15℃時基礎(chǔ)的溫度場變化趨勢進行模擬，各溫度下基礎(chǔ)中心溫度變化趨勢、內(nèi)表溫差變化趨勢和表面拉應(yīng)力變化趨勢分別如圖7、圖8和圖9所示。

綜合分析圖7至圖9，能夠看出，當(dāng)提高澆筑溫度時，基礎(chǔ)中心溫度、內(nèi)表溫差和表面拉應(yīng)力均有所提高，基礎(chǔ)中心最高溫度在澆筑溫度為15℃時的值為59.32℃，在澆筑溫度提高至25℃時為66.09℃，增大了6.77℃；而中心最高溫度在澆筑溫度從25℃升增大至35℃時僅提高了2.12℃。

這表明澆筑溫度的增大，會在一定程度上提高混凝土中心溫度。但在澆筑溫度超過25℃后，基礎(chǔ)溫度受澆筑溫度提高的影響較小，并且基礎(chǔ)前期溫度增大速度會隨著澆筑溫度的增大而增大。

觀察基礎(chǔ)內(nèi)表溫差變化趨勢和表面拉應(yīng)力變化趨勢，發(fā)現(xiàn)同樣存在此現(xiàn)象。在澆筑溫度15℃提高到35℃時，內(nèi)表溫差和中心溫度最大值提前了40h，表面拉應(yīng)力最大值增大了0.32MPa，內(nèi)表溫差最大值從30.79℃增大至38.61℃。

通過上述分析可知，在高溫度地區(qū)，為了有效控制基礎(chǔ)混凝土中心溫度，粉煤灰摻量應(yīng)設(shè)置在30%～50%之間。同時可通過設(shè)置XPS板保溫措施，來降低基礎(chǔ)混凝土表面拉應(yīng)力和內(nèi)外溫差，避免產(chǎn)生溫差裂縫，但要注意合理控制保溫時間。

4? ?結(jié)束語

本文以拉各斯航站樓項目為研究對象，通過有限元軟件建立大體積獨立基礎(chǔ)模型，分析了不同因素對其中心溫度、內(nèi)表溫差、表面拉應(yīng)力的影響，主要得出以下結(jié)論：

基礎(chǔ)中心溫度在粉煤灰摻量范圍處于30%～50%之間時變化較為明顯，而溫度變化幅度在粉煤灰摻量超過50%時逐漸減小，所以為了有效控制基礎(chǔ)混凝土中心溫度，粉煤灰摻量范圍應(yīng)為30%～50%。

通過設(shè)置XPS板保溫措施能夠在一定程度上減小基礎(chǔ)混凝土表面拉應(yīng)力和內(nèi)外溫差，有助于控制混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。但要注意的是，要對保溫時間進行合理地控制，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差將要到達臨界值時，應(yīng)撤去外保溫措施，提高基礎(chǔ)內(nèi)外溫度的降低速度。

當(dāng)提高澆筑溫度時，基礎(chǔ)中心溫度、內(nèi)表溫差和表面拉應(yīng)力均有所提高，但在澆筑溫度超過25℃后，基礎(chǔ)溫度受澆筑溫度提高的影響較小。

參考文獻

[1] 查進，葛新民，曾艷，等.野三河大橋主墩底座高強大體積混凝土防裂施工技術(shù)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2007（6）：1006-1009.

[2] 俞亞南，張巍，申永剛.大體積承臺混凝土早期表面開裂控制措施[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2010，44（8）：1621-1628.

[3] 付婷婷，江鋒，姚成.筏板基礎(chǔ)大體積混凝土的溫度計算及養(yǎng)護措施[J].石材，2023，389（7）：93-95.

[4] 胡桂海.大體積混凝土承臺溫控設(shè)計與現(xiàn)場應(yīng)用效果研究[J]科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（17）：159-162.

[5] 陳聰，孫冬，楊春峰，等.低溫條件下大體積混凝土溫控與防裂措施[J].水泥工程，2023，.214（3）：91-94.