大體積混凝土利用冷水管降溫相關參數的確定

張宏祥，李長平

(東北林業大學土木工程學院，哈爾濱150040)

在大體積混凝土承臺施工過程中，由于膠凝材料的水化熱作用放熱，且大體積混凝土自身又具有一定的保溫性能，因此其內部溫升幅度較快，表層的溫升幅度較慢，進而形成了較大的內外溫差［1-2］。如果溫差產生的表面拉應力，超過此時的混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土表面產生裂縫［3-5］，從而影響橋梁結構安全及正常的使用，所以大體積混凝土需進行特殊的水化熱設計研究。

本文以琿春大橋工程中主橋大體積混凝土承臺為研究對象，對大體積混凝土管冷技術的相關參數進行優化設計，控制混凝土內外溫差，防止大體積混凝土產生裂縫。實踐證明，合理地優化管冷技術的相關參數，可以更好地對大體積混凝土冷卻降溫，用時也減少能源的浪費。

1 項目簡介

1．1 項目概況

琿春大橋位于琿春市區，跨越琿春河，連接琿春市區與經濟合作區，橋梁全長1 778 m，主橋為獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋結構。主橋布置39．9 m+89．1 m+151 m獨塔雙索面混凝土斜拉橋，主橋長280 m，主跨跨越孤島，琿春大橋主橋左幅6#承臺尺寸為39．7 m×19．3 m×5 m，承臺澆筑體積約為4 000 m3，屬于大體積混凝土。

1．2 冷水管布置

左幅6#承臺為降低水化熱，在承臺內部設置了降溫水管，降溫水管采用內徑44 mm的鋼管，上下共設置三層，每層間距1．2 m，平面布置15根管，間距2 m，每根管之間采用彎頭連接。每層設置1個進水口，2個出水口，如圖1和圖2所示。

圖1 左幅6#承臺冷水管布置立面圖Fig．1 Vertical view of cold water pipe layout in the left of 6#pile caps

圖2 左幅6#承臺冷卻水管布置平面圖Fig．2 Cold water pipe plane in the left of 6#pile caps

1．3 混凝土配合比及材料的選擇

本工程承臺由C35混凝土澆筑，每立方米混凝土材料用量為:水泥275 kg、水130 kg、砂685 kg、碎石1 065 kg、粉煤灰45 kg、礦粉95 kg、減水劑9．13 kg。水泥選用廟嶺北方水泥有限公司生產的P·O 42．5水泥，碎石選用琿春市英安關門碎石廠生產的碎石，粉煤灰選用琿春電廠生產的I級粉煤灰，砂選用琿春紅旗河的砂，減水劑選用琿春鴻森建材有限公司生產的hsd-798聚羧酸高效泵送減水劑。

2 熱源函數

根據本工程所選用的混凝土配合比，模型計算分析所選用的熱原函數如下［6-8］:

式中:Q(τ)為在齡期τ時積累的水化熱kJ/kg;Q0為τ→∞時，對于P·O42．5水泥的最終水化熱，Q0=330 kJ/kg;e為齡期，d;g為對于P·O42．5水泥，取g=0．69;h為對于P·O42．5水泥，取h=0．56;

式中:w為水泥用量，取w=275 kg;c為混凝土比熱，取c=0．953 kJ/kg·℃;ρ為混泥土密度，取ρ=2304．13 kg/m3;F為混合料用量，取F=45kg;Qτ為水泥水化熱;k為折減系數，對于粉煤灰，可取 k=0．25。

3 有限元分析

3．1 有限元模型

MIDAS/FEA是具有土木專業特點的非線性分析軟件，本工程利用該軟件水化熱參數分析的功能，建立有限元模型分析大體積混凝土冷水管降溫的相關參數，由于承臺具有對稱性，故可取承臺的1/4進行建模和分析［9-10］;琿春大橋主橋左幅6#承臺共劃分為29 309個節點，28 110個單元。模型中通過節點連接建立管道，管冷效應通過荷載來模擬，1/4模型如圖3所示。

圖3 左幅6#承臺有限元模型圖Fig．3 The finite element model of the left of 6#pile caps

外界大氣溫度實測曲線如圖4所示。

圖4 外界大氣溫度實測圖Fig．4 The measured atmospheric temperature

3．2 材料熱特性

承臺:比熱C為0．953 kJ/(kg·℃)，密度ρ為2 304．13 kg/m3，導熱系數 λ 為 9．43 kJ/(m·h·℃)，模板放熱系數β為12．56，彈性模量為3．15×107kN/m2，熱膨脹系數為1．0×105，泊松比為0．20。

基礎:比熱C為0．84 kJ/(kg·℃)，密度ρ為1 800．00 kg/m3，導熱系數 λ 為 7．12 kJ/(m·h·℃)，外表面放熱系數β為50．24，彈性模量為1．0 ×106kN/m2，熱膨脹系數為 1．0 ×105，泊松比為0．18。

4 計算結果分析

4．1 管冷承臺水化熱與承臺水化熱對比分析

通過FEA模型對承臺設置冷水管(冷卻水管選用內徑44 mm的鋼管，進水溫度控制為16．4℃、進水流量控制為9．0 m3/h)與未設冷水管的承臺進行對比分析，如圖5所示，未設置冷水管時溫度—時間曲線的峰值出現在140 h前后，最高溫度71．5℃，此時混凝土表面出現裂縫，最大縫寬δ=0．50 mm，設置冷水管后溫度—時間曲線的峰值前移且下降，最高值64．12℃出現在100h前后。此時混凝土表面出現裂縫，最大縫寬δ=0．08 mm。通水時間根據實測內外溫差而定，當內外溫差小25℃時即可停止通水［11-12］。

圖5 設置冷水管與未設置冷水管的模型分析結果對比圖Fig．5 Comparison of the model analysis results with cold water pipe and without cold water pipe

4．2 參數分析

4．2．1 進水溫度分析

進水溫度越低，水吸收混凝土熱量的效果越好，降溫速率就快，但冷水管與周圍混凝土的溫差就越大，溫差大產生的應力就大，這樣冷水管周圍混凝土極易產生裂縫。

本次 FEA模擬4、10、16、22℃四種進水溫度。連續通水150 h(冷卻水管選用內徑44 mm的鋼管，進水流量控制為9．0 m3/h)。

表1 不同進水溫度下模型分析結果Tab．1 The model analysis results under different inlet water temperature

由表1可知，隨進水溫度的升高，承臺內最高溫度有所提升，達到最高溫度的時間也略有延遲?？紤]現場實際情況施工中承臺內部溫度在40℃以下時，控制進水溫度在10℃左右;承臺內部溫度在40～50℃時，控制進水溫度在15℃左右，承臺內部溫度在50℃以上時，控制進水溫度在20℃左右，通過這樣的調整對大體積混凝土的冷卻達到了預期的效果。

4．2．2 進水流量分析

過水面積一定的時候，當單位時間內通過的水流量增大時，所吸收混凝土水化熱釋放的熱量就越多，降溫效果就越好。

本次 FEA 模擬進水流量分別為 7．0、8．0、9．0、10．0、11．0 m3/h(冷卻水管選用內徑 44 mm的鋼管，進水溫度設定為16．4℃)。

表2 不同進水流量下模型分析結果Tab．2 The model analysis results under different water flow rate

由表2可知，隨進水管流量的增加承臺核心點的最高溫在逐漸遞減，遞減的溫度梯度也在逐漸減小;隨進水管流量的增加承臺達到做高溫的時間在逐漸前移，但流量達到11．0 m3/h時達到最高溫度的時間仍是99 h相對9．0 m3/h時提升并不明顯?？紤]工程實際情況，承臺內部溫度在40℃以下時，進水流量可控制在9．0 m3/h，承臺內部溫度超過40℃時，可將進水流量增加至10．0 m3/h，通過這樣的調整對大體積混凝土的冷卻達到了預期的效果，不同進水流量下模型分析結果見表2。

4．2．3 進水管直徑分析

流量、進水溫度一定時，當過水面積增大時，所吸收混凝土水化熱釋放的熱量就越多，降溫效果就越明顯。

本次FEA模擬冷水管直徑分別為2．5、3．5、4．4、5．5、6．5 cm(進水流量設定為 9．0 m3/h，進水溫度設定為16．4℃)，不同冷水管直徑下模型分析結果見表3。

表3 不同冷水管直徑下模型分析結果Tab．3 The model analysis results under different cold water pipe diameter

由表3可知，承臺核心點的最高溫度隨冷水管直徑的增加而逐漸降低，冷水管直徑由3．5 cm增加到4．5 cm，相對于由2．5 cm增加到3．5 cm冷卻效果降低了50%;冷水管直徑由3．5 cm增加到4．5 cm，相對于由4．5 cm增加到5．5 cm冷卻效果降低了66．7%。將冷卻效果與經濟效益綜合考慮，本工程選用內徑44 mm的冷水管。

4．3 FEA分析值與現場實測值對比

琿春大橋左幅6#承臺的冷卻水管選用內徑44 mm的鋼管，流量控制為9．0 m3/h，水流入溫度為16．4℃左右，承臺核心點理論值與實測對比結果如圖6所示。

圖6 理論曲線與實測曲線對比圖Fig．6 Comparison of the theoretical curve and measured curve

從圖6中可以看出，溫度最大值出現在99 h，此時理論值與實測差值也是最大為1．4℃，100～330 h之間理論值略大于實測值，330 h之后理論值略小于實測值，根據現場實際情況分析出現這一現象與外界氣溫有關，100～330 h期間外界溫度較平穩，330 h后開始降溫。理論值與實測值雖有小范圍的波動，但實測曲線與理論曲線基本相符，實踐證明本工程管冷所取參數是合理的。

5 結論

(1)基于實際工程的FEA數值分析結果是可以應用于實際的，對大體積混凝土的施工具有指導意義。

(2)較低的進水溫度對于降低承臺溫度十分有利，但考慮內外溫差過大產生的應力會使混凝土產生裂縫，以本工程為例:施工中承臺內部溫度在40℃以下時，控制進水溫度在10℃左右;承臺內部溫度在40～50℃時，控制進水溫度在15℃左右，承臺內部溫度在50℃以上時，控制進水溫度在20℃左右，這樣既有利與承臺的降溫，也不會因內外溫差過得產生的拉應力使混凝土開裂。

(3)進水流量可根據實測溫度數據進行調控，以本工程為例:承臺內部溫度在40℃以下時，進水流量可控制在9．0 m3/h，承臺內部溫度超過40℃時，可將進水流量增加至9．0 m3/h，這樣可以更好的對大體積混凝土進行冷卻。

(4)冷水管直徑由2．5 cm增加到4．5 cm冷卻效果較好;冷水管直徑由4．5 cm增加到5．5 cm，冷卻效果變得不明顯，當由5．5 cm增加到6．5 cm時冷卻效果更弱，將冷卻效果、經濟效益、施工難易程度等綜合考慮，本工程選用內徑44 mm的冷水管。

大體積混凝土管冷技術的相關參數是相互制約的，施工時要根據實際情況均衡利弊，時時監控、時時進行調整。

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