大體積混凝土溫度應力研究

鄧福康，陳小芳

（宿州學院 管理工程學院，安徽 宿州 234000）

大體積混凝土溫度應力研究

鄧福康，陳小芳

（宿州學院 管理工程學院，安徽 宿州 234000）

闡述了大體積混凝土溫度應力的類型以及形成過程，并對大體積混凝土溫度應力的影響因素進行了理論分析，通過工程實例所測數(shù)據(jù)分析了大體積混凝土溫度應力的變化規(guī)律.結果表明：溫度變化大致可分為溫度快速增長、溫度快速下降以及溫度緩慢下降三個階段，鋼筋應力變化可分為壓應力快速增長和壓應力緩慢減小直至部分鋼筋受拉兩個階段，混凝土內(nèi)部的鋼筋應力曲線與溫度呈負相關性變化.

大體積混凝土；溫度應力；鋼筋應力

大體積混凝土是一次澆筑量大于1000m3或混凝土結構實體最小幾何尺寸等于或大于1m，且混凝土中膠凝材料水化熱會導致溫度變化和收縮而產(chǎn)生有害裂縫的混凝土[1].而溫度應力是指由于溫度升降變化而引起的應力.在大體積混凝土施工時，由于混凝土澆筑數(shù)量大，水泥中的膠凝材料，特別是其中的鋁酸三鈣，釋放熱量大且快，導致混凝土內(nèi)部溫度急劇上升并產(chǎn)生破壞性的溫度應力.因此，本文通過對某大體積混凝土基礎的現(xiàn)場溫度監(jiān)測，研究其溫度和應力的變化規(guī)律，為相應的防治措施提供理論依據(jù).

1 大體積混凝土溫度應力

混凝土水化熱大量釋放的所產(chǎn)生的溫度應力可以分為兩大類：(1)自約束應力：當混凝土處于靜定狀態(tài)，且內(nèi)部各單元體的溫度呈非線性分布，由于應變差而產(chǎn)生的應力；(2)外約束應力：不論混凝土內(nèi)部各單元體的溫度呈線性還是非線性分布，由于混凝土的自由變形受到約束而產(chǎn)生的應力.

混凝土溫度應力發(fā)展分三個階段：

1.1 早期

從開始澆筑到水化熱釋放完畢，大概30天.此階段，溫度快速上升，表現(xiàn)出兩個特性：一是膠凝材料水化產(chǎn)生大量的熱；二是混凝土逐漸凝結，彈性模量劇烈變化，由于這個原因，在早期階段，混凝土內(nèi)形成殘余應力.

1.2 中期

從水化熱釋放完畢到混凝土冷卻至穩(wěn)定溫度時止，此階段，溫度較快下降，產(chǎn)生的溫度應力與早期形成的殘余應力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大.

1.3 晚期

從混凝土冷卻至穩(wěn)定溫度開始的整個壽命期，溫度應力主要由于混凝土結構外界溫度變化而產(chǎn)生，并與前兩階段的殘余應力疊加.

2 大體積混凝土溫度應力的影響因素

2.1 彈性模量

從混凝土水化反應開始，即出現(xiàn)溫度應力和彈性模量，兩者呈正比例變化關系.且隨著溫度場的變化，彈性模量時刻發(fā)生變化.因此，在計算溫度應力的時候，需考慮彈性模量和溫度場的關系和變化.在澆筑早期階段，混凝土呈塑性狀態(tài)，彈性模量較小，由于溫度升高產(chǎn)生的溫度應力能夠得到及時釋放，相應的溫度應力也較小.隨著混凝土的逐步凝固硬化，彈性模量快速增加，溫度場產(chǎn)生的溫度應力也快速增加.因此，在對大體積混凝土溫度應力計算時，混凝土彈性模量的變化，是應重點考慮的因素.

2.2 徐變

除了溫度場產(chǎn)生的變形，在長期荷載作用下，混凝土會產(chǎn)生跟荷載大小無關的長期的變形，稱為混凝土徐變.徐變有利于抵消一部分溫度應力產(chǎn)生的變形，有利于溫度應力裂縫的控制.所以，大體積混凝土施加荷載后，再研究和計算溫度應力時，則應充分考慮到非線性變形的徐變對溫度應力的抵消作用.

2.3 水分場

大體積混凝土內(nèi)部溫度場與水分遷移相互作用、相互影響，水的比熱容大，其遷移對溫度場產(chǎn)生很大影響.考慮兩場的交叉耦合機制，為混凝土失水收縮提供重要的理論依據(jù)，且在大體積混凝土溫度應力研究方面，提供了另外一個角度的理論研究.大體積混凝土的應變和溫度應力的一部分存在形式是收縮應力，由收縮變形引起，水分場作為影響大體積混凝土溫度應力的因素，應受到充分重視.

3 某大體積混凝土工程實測數(shù)據(jù)分析

依托某大體積混凝土工程，借助鋼筋計、溫度探頭、溫度采集系統(tǒng)等軟硬件設備，收集現(xiàn)場大體積混凝土不同部位溫度場和溫度應力數(shù)據(jù)變化，可時刻監(jiān)視大體積混凝土的降溫措施的效果及產(chǎn)生裂縫的情況，進而保證工程的安全施工.通過監(jiān)測元件的測試及數(shù)據(jù)采集，分析得出大體積混凝土內(nèi)部溫度及應力的發(fā)展規(guī)律，如下圖1所示：

由圖1可知，測點溫度變化大致可分為三個階段[3]：溫度快速增長階段—溫度快速下降階段—溫度緩慢下降階段.每階段的具體分析如下：

圖1 測點溫度隨時間變化曲線

3.1 溫度快速增長階段

大體積混凝土澆筑后，由于水泥中膠凝材料的化學反應而放出大量的熱，在第1~2d后，導致整個混凝土產(chǎn)生足以使混凝土本身溫度升高到80度左右.由于外界環(huán)境的影響，表層混凝土的熱量快速傳遞給大氣，表層的溫度上升很小；內(nèi)部的熱量較難傳遞給外界，內(nèi)部的溫度上升的很高.因此，此階段，大體積混凝土內(nèi)外部產(chǎn)生過高的溫差，會導致混凝土產(chǎn)生大量有害的裂縫.所以，大體積混凝土澆筑早期，必須采取各種手段，降低混凝土的內(nèi)外溫差，防止有害裂縫的產(chǎn)生[4].

3.2 溫度快速下降階段

進入這個階段，混凝土水化熱基本釋放完畢，由于內(nèi)外部的熱量交換，混凝土內(nèi)部溫度快速下降，逐步趨于環(huán)境溫度，溫度應力快速增加.此外，混凝土的彈性模量增加較快，當溫度應力達到混凝土的極限抗壓強度時，內(nèi)部容易出現(xiàn)裂縫，嚴重的情況下，甚至出現(xiàn)貫穿裂縫.這個階段，應該采取外保溫措施，防止內(nèi)部溫度過快下降.

3.3 溫度緩慢下降階段

進入最后一個階段，水泥水化反應結束，且水化熱釋放完畢，混凝土結構與外界仍然存在溫差，熱交換導致混凝土溫度緩慢下降，產(chǎn)生的應力與前兩階段殘余應力疊加.

自混凝土澆筑后，混凝土內(nèi)部的鋼筋應力曲線與溫度呈負相關變化，鋼筋應力值隨時間變化表現(xiàn)為先減小后增大的過程，具體如下圖2所示.鋼筋應力變化可分為兩個階段[5]：

（1）壓應力快速增長階段：混凝土屬于一種熱惰性材料，水化熱產(chǎn)生的熱量不容易散失，導致整個混凝土結構膨脹，其中，鋼筋的線膨脹系數(shù)與混凝土的近似相等.但是，鋼筋的彈性模量是混凝土的7~15倍.由于混凝土邊界的約束作用，鋼筋壓應力增大，如圖2所示：伴隨混凝土溫度的急劇下降，鋼筋壓應力反急劇增大，溫度降到最低時，鋼筋壓應力達到最大值.

（2）壓應力逐步消失直至部分鋼筋出現(xiàn)拉應力.隨著水化熱基本釋放完畢和外圍熱量的進一步散去，整個結構的外圍溫度開始下降，混凝土結構出現(xiàn)收縮變形.另外由于混凝土的散熱而產(chǎn)生收縮，伴隨著水分的蒸發(fā)和混凝土的繼續(xù)硬化，促使混凝土快速硬化收縮.但是，由于混凝土受到外圍約束，不可避免產(chǎn)生有破壞性的拉應力，只要將拉應力控制在一定范圍內(nèi)，就達到了目的.

圖2 鋼筋應力隨時間變化曲線

4 結言

4.1 通過現(xiàn)場對大體積混凝土溫度和應力的實測，結合大體積溫度場的變化規(guī)律，得出大體積混凝土溫度應力的變化分為三個階段：初期急劇上升階段、中期急劇下降和后期緩慢下降階段.

4.2 大體積混凝土一旦澆筑，就面臨著高水化熱的極大影響，表現(xiàn)為溫度迅速上升，大概一天左右，最高溫度就可達到80℃左右，混凝土內(nèi)外溫差很大，必須采取溫度裂縫控制措施;

4.3 由圖2鋼筋應力隨時間變化曲線可知，大體積混凝土鋼筋應力曲線與溫度呈負相關性.隨著時間的推移，鋼筋應力值的變化表現(xiàn)為開口向上的拋物線變化趨勢.鋼筋應力變化可分為兩個階段：第一階段為快速增長階段的壓應力，第二階段為緩慢下降的壓應力，直到一些鋼筋出現(xiàn)拉應力.

〔1〕大體積混凝土施工規(guī)范.GB 50496-2009.

〔2〕朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].中國電力出版社，1998.4-5.

〔3〕王衍森，等.特厚沖積層中凍結井外壁溫度實測研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2006,35(4):468-472.

〔4〕彭立海，等.大體積混凝土溫控與防裂[M].鄭州：黃河水利出版社，2005.

〔5〕王衍森，等.特厚沖積層中凍結井外壁鋼筋應力的實測研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2007,36(3):287-291.

TU755

A

1673-260X（2012）05-0050-03

宿州學院碩士基金項目（2010yss09）