大體積混凝土溫度場分析與施工控制

葉鴻斌

(中鐵二局機械筑路工程有限公司，四川 成都 610031)

我國對大體積混凝土的定義為:混凝土結構物實體最小尺寸等于或大于1 m，或預計會因水化熱引起混凝土內外溫差過大而導致裂縫的混凝土。美國則規定為任何現澆混凝土，只要有可能產生溫度影響的混凝土均稱為大體積混凝土。大體積混凝土溫度場分析是大體積混凝土施工的基礎工作，做好理論溫度場分析，將能正確指導現場施工的溫度控制。

1 大體積混凝土裂縫產生機理

大體積混凝土的主要特點是結構厚實，混凝土體積大，工程條件比較復雜，施工技術要求高。由于其表面系數比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內部溫升比較快，導致混凝土內外溫差較大，使混凝土產生溫度裂縫，形成結構的初始損傷。

大體積混凝土施工階段所產生的溫度裂縫，一方面是由于內外溫差而產生的;另一方面是混凝土結構的外部約束和混凝土各質點間的約束，阻止混凝土收縮變形，混凝土抗壓強度較大，但抗拉能力卻很小，所以溫度應力一旦超過混凝土能承受的抗拉強度，即會出現裂縫。

大體積混凝土內出現的裂縫按深度的不同，分為表面裂縫、貫穿裂縫及深層裂縫三種。混凝土澆筑初期，因內部溫度升高發生膨脹，但混凝土表面的溫度下降較快，相對應變較小，從而使混凝土表面產生拉應力，表面裂縫產生機理如圖1所示。混凝土在溫度下降時會發生收縮，但受到與其接觸的地基或者已澆筑混凝土等的約束而產生拉力，從而使混凝土內部產生貫通裂縫，貫通裂縫產生機理如圖2所示。大體積混凝土由于體積較大，在施工中往往采用分層澆筑，先期澆筑的混凝土與后澆筑混凝土結合處，易產生深層裂縫。

圖1 表面裂縫(放熱時)

圖2 貫通裂縫(冷卻時)

2 工程背景及配合比設計

某高速公路橋梁橋墩承臺，結構尺寸為15.4 m×24.6 m×4.5 m，混凝土強度等級為C30，澆筑量為1830 m3。在混凝土澆筑前，根據施工環境及設計施工要求，進行多組不同摻量的試配級配，選擇最優的配合比——水泥∶水∶黃砂∶碎石∶外加劑∶粉煤灰=328∶184∶678∶1071∶8.72∶1.08(單位:kg/m3)，混凝土采用泵送施工。

3 溫度監控措施

為保證施工質量，掌握溫控信息，及時調整和改進溫控措施，建立圖3所示溫度監控流程。

圖3 溫度監控流程

4 理論分析

4.1 建立有限元模型

根據工程實際，考慮到結構的對稱性，為節約計算時間，取結構1/4建立有限元實體模型。模型包括2 m厚的地基和承臺兩個部分。為保證計算精度，將模型劃分為1916個單元，2485個節點。實體模型如圖4所示。模型的參數對計算結果有一定影響，參考文獻3和文獻4，并結合現場實際，本模型的材料參數取值見表1。

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圖4 結構1/4模型

模型的邊界條件為:1/4對稱面為絕熱邊界;承臺與空氣接觸面取溫度為20℃;地基位于土層中，溫度基本不隨氣溫變化，按固定溫度邊界條件處理，固定溫度取21℃。

模型按無管冷和有管冷進行有限元數值分析。

4.2 有限元分析結果

無管冷模型和有管冷模型的有限元數值分析結果如圖5和圖6所示。

圖5 無管冷結構溫度場分布(℃)

5 承臺施工溫度控制

5.1 溫度控制措施

由于體積大，施工過程中，采用如下溫控與防裂措施。

圖6 有管冷結構溫度場分布(℃)

(1)承臺分兩次澆筑，第一次澆筑下部2.4 m部分，第二次澆筑上部2.1 m部分;

(2)布置三層冷卻水管，從混凝土初凝后開始通水，以降低混凝土水化熱;

(3)混凝土初凝后及時澆水養護，并在混凝土表面覆蓋一層塑料薄膜，外面再覆蓋地毯，以降低混凝土內外溫差;

(4)根據溫度傳感器測溫結果控制水管開關，必要時啟用增壓泵，提高水流速度，確保混凝土內外溫差小于25℃;

(5)混凝土內布置防裂鋼筋;

(6)采用寰宇奪標一線通測溫系統進行溫度實時監控。

5.2 溫控結果

測點1(第一次澆筑2.4 m承臺中心位置)和測點2(第二次澆筑2.1 m承臺中心位置)的溫度監控曲線如圖7和圖8所示。

圖7 測點1溫度時程曲線

從圖7和圖8可以看出，有管冷模型相比于無管冷模型，最高溫度前者比后者低7℃，有水管冷降溫效果顯著。混凝土在澆筑時長3 d內，溫度升高較快，在70 h左右即達到最高溫度。之后緩慢下降，10 d內部溫度仍高于50℃，此時應根據混凝土表面溫度值是否滿足內外溫差低于25℃，決定是否繼續向冷卻水管通水。測點實測溫度時程曲線和模型計算曲線有較高的吻合度，表明該方法有良好的精度，可以作為大體積混凝土溫度場的分析手段。

6 結論

圖8 測點2溫度時程曲線

(1)本文分別考慮有冷卻水管和 無冷卻水管作用，建立實體有限元模型，對大體積混凝土承臺進行施工期水化熱溫度場分析，通過分析比較，結果表明設置冷卻水管降溫效果顯著。

(2)通過有限元程序計算結果與現場實測值比較，兩者吻合較好，因此該方法可作為指導大體積混凝土設計和施工的一種方法，從而更好地控制大體積混凝土的溫度場。

［1］GB 50204－2002混凝土結構工程施工質量驗收規范［S］

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