潮白河特大橋承臺大體積混凝土水化熱分析

韓磊

潮白河特大橋承臺大體積混凝土水化熱分析

韓磊

（中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001）

溫度控制是大體積混凝土施工控制中不可忽略的重要因素。如果水化熱現象嚴重，控制措施不力，內外溫差過大容易造成混凝土開裂。水化熱導致的溫度不均是混凝土開裂的重要原因之一。以京沈客專京冀段潮白河特大橋主橋承臺大體積混凝土施工為例，用混凝土絕熱溫升公式進行計算，并以此建立三維有限元模型，將理論數據與實測數據比較分析，得出水化熱溫度場分析計算、溫度測控及防裂等應注意的問題。

大體積混凝土；水化熱；絕熱溫升；三維有限元模型

1 工程概況

京沈客專京冀段潮白河特大橋結構形式為65 m+ 85 m+178 m+93 m的非對稱雙塔雙索面預應力混凝土矮塔斜拉橋，是世界上首座高鐵非對稱矮塔斜拉橋，如圖1所示。該橋主墩承臺采用二級長方體鋼筋混凝土結構，一級結構尺寸為29.7 m×21.2 m×4 m，混凝土方量為2 519 m3；二級結構尺寸為23.2 m×13 m×2.5 m，混凝土方量為754 m3。一級承臺屬大體積混凝土結構，為確保其施工質量，須對承臺混凝土施工水化熱進行分析和有效控制。

圖1 潮白河矮塔斜拉橋立面圖（單位：cm）

2 混凝土絕熱溫升和數學模型

2.1 混凝土絕熱溫升

混凝土絕熱溫升是進行大體積混凝土水化熱分析的主要參考因素，混凝土絕熱溫升以“熱源函數”的形式輸入程序，而其參數的正確試驗和選取是計算的關鍵。測定混凝土絕熱溫升的方法有兩種，一種為直接法，即用絕熱溫升設備直接測定；另一種為間接法，根據水泥最終水化熱和水化過程曲線來計算。由于絕熱溫升試驗所需的儀器設備昂貴，專業性強，導致大部分施工現場都不具備做絕熱溫升試驗。此時，混凝土絕熱溫升曲線主要靠選用擬合公式獲得。

混凝土的絕熱溫升指混凝土由于膠凝材料的水化放熱，使得溫度逐步上升并最終達到穩定的過程，因此絕熱溫升的速率和最終溫值是反應混凝土絕熱溫升過程的主要參數。影響混凝土膠凝材料水化反應及其放熱特性的因素很多，如膠凝材料的品種、組成及用量、水膠比、反應起始溫度、外加劑品種等。

混凝土溫度場的計算，基于如下三維瞬態熱傳導方程：

式（1）中：為時間，h；為導熱系數，kJ/（m·h·℃）；為比熱，kJ/（kg·℃）；為混凝土容重，kg/m3；為混凝土的絕熱溫升，℃。

2.2 數學模型

目前，常用的絕熱溫升計算公式有以下幾種：

（）=0（1－－at） （2）

（3）

式（2）（3）（4）中：為混凝土絕熱溫升；為齡期；0為混凝土最終絕熱溫升；a、b、c為常數。

3 三種絕熱溫升模型計算公式的比較

3.1 與已有數據的擬合

利用已有的工程試驗成果指導本文模型水化熱絕熱溫公式的選取。確定的參數值如下。

公式（2）：10 ℃∶a=0.318，25 ℃∶a=0.384。

公式（3）：a=0.69，b=0.56。

公式（4）：a=0.039 5，b=0.777 2，c=0.415。

公式（2）為GB 50496—2009《大體積混凝土施工規范》中的公式，公式（3）和（4）為朱伯芳根據大量的試驗數據提出來的公式，其中公式（4）考慮了溫度對混凝土水泥水化反應放熱速率的影響。三個公式以相同的最終絕熱溫進行對比。

試驗數據曲線擬合如圖2所示。

從圖2可以看出，不同公式的計算值早期相差大，后期相差較小。10 ℃時，公式（2）和（4）在前三天，其溫升的上升速率與實測數據接近，三天過后，公式（2）的溫升上升要比公式（4）和實測數據快；公式（3）的早期溫上升要比公式（4）快，且比其他公式的計算值高出5 ℃。25 ℃時，公式（2）在早期溫升上升較其他公式及實測數據慢，公式（3）的溫升走勢與公式（4）及實測數據接近。

注：橫軸單位為d，縱軸單位為℃。

3.2 本模型選擇的數據

由于公式（4）需要使用大量的試驗數據，確定出不同配合比的混凝土在各種澆筑溫度下計算水化熱絕熱溫升的參數a、b、c，而目前為止，這方面的研究特別少，研究成果中也沒對此類公式進行詳細的說明，從而限制了公式（4）在工程中的應用。本文根據GB 50496—2009《大體積混凝土施工規范》中提供的公式來計算混凝土的最終絕熱溫升，分別求出公式（2）和（3）的絕熱溫升曲線。實際澆筑溫度已達到30 ℃。溫熱溫升計算公式選取的參數如下。

公式（2）：30 ℃∶a=0.406。

公式（3）：a=0.69，b=0.56。

3.3 承臺混凝土絕熱溫升曲線

混凝土的物理性能如表1所示。

表1 承臺混凝土成份熱性能表單位體積原材料用量（單位：kg/m）

水泥砂石子粉煤灰水合計 質量30672311301311562 446 質量百分比/（%）12.5129.5646.205.366.38100 λi4.5911.114.190.92.16 Ci0.540.750.760.7984.187

用加權平均方法計算混凝土的導熱系數和比熱，可以得到：c=10.6 kJ/（m·h·℃），c=0.995 kJ/（kg·℃），c= 0.004 357 m2/h。

注：橫軸單位為h，縱軸單位為℃。

從圖3可以得出，早期溫升上升，公式（2）比公式（3）快；后期溫升上升，公式（2）和公式（3）趨于一致。

4 主橋承臺實測溫度與FEA軟件模擬情況對比分析

混凝土的最終絕熱溫升使用GB 50496—2009《大體積混凝土施工規范》中的公式，分別求出公式（2）和（3）的絕熱溫升曲線，在此基礎上采用midas FEA對承臺澆筑進行三維有限元模擬并進行水化熱分析。

4.1 模型參數

承臺施工前，已澆筑了3.5 m厚的封底混凝土，建承臺模型的同時也建立了封底混凝土的模型，不考慮其熱源效應。承臺采用C40混凝土，封底混凝土采用C20混凝土，材料和主要熱特性如表2所示。

表2 材料和熱特性數據

承臺混凝土C40封底混凝土C20 比熱/（kJ·kg-1·℃-1）0.990.91 容重/（kN·m-3）2524 熱傳導率/（kJ·m-1·hr-1·℃-1）10.610.5 對流系數/（kJ·m-1·hr-1·℃-1）頂面50（裸露于空氣） 側面9（等效對流系數） 28天抗壓強度/MPa4035 強度發展系數/ACIa=4.5，b=0.95 28天彈性模量/MPa 3.25×1043.15×104 熱膨脹系數1×10-51×10-5 泊松比0.20.2 水泥用量/（kg·m-3）306 熱源函數系數自定義 空氣溫度根據實測數據定義 水溫/℃假設為25

混凝土澆筑時空氣溫度的實測結果如圖4所示。

4.2 模型邊界的選取

在邊界條件處理時，封底混凝土受承臺混凝土傳熱的影響，溫度也會變化。

注：橫軸單位為h，縱軸單位為℃。

為減小計算誤差，將封底混凝土考慮并計入有限元模型，此時可視為第一類邊界條件。混凝土表面與空氣接觸，混凝土側面外圍用1.2 m厚的混凝土直接作模板。此時，可按第三類邊界條件計算。

4.3 各種絕熱溫升模型條件的理論計算與實測結果的對比

部分實測數據與midas FEA軟件的量論計算數據對比分別如圖5、圖6所示。

注：公式（2）對應的熱源函數；橫軸單位為h，縱軸單位為℃。

注：公式（3）對應的熱源函數；橫軸單位為h，縱軸單位為℃。

從圖5、圖6中可以得出，理論計算的最大混凝土水化熱溫升值與實測的相差較大，這說明最終絕熱溫升值的計算值偏低，即參考水工混凝土使用的中熱或低熱425號水泥，其水化熱偏低；實測數據的早期溫升值比理論數據要大，這說明目前使的P.O42.5號水泥不同于原來的425號水泥，其成分與細度已有了很大變化，造成現在的425號水泥早期的水化放熱速率要大于原來的425號水泥，從而導致混凝土早期溫升速率增大。

5 溫控措施

5.1 混凝土配合比設計及原材料選擇

為使大體積混凝土具有良好的抗侵蝕性、體積穩定性和抗裂性能，混凝土配制應遵循如下原則：選用低水化熱和含堿性量低的水泥；在滿足混凝土強度要求的基礎上降低單方混凝土中膠凝材料及硅酸鹽水泥的用量；使用性能優良的高效減水劑，盡量降低拌和水用量。

5.2 施工控制

混凝土施工應嚴格按照《客運專線鐵路橋涵工程施工技術指南》及《客貨共線鐵路橋涵工程施工技術指南》執行。為提高混凝土的均勻性和抗裂能力，確保大體積混凝土施工質量，必須對每一環節的施工進行控制：混凝土拌制前，請計量部門計量標定各種衡器，稱料誤差符合規范要求，嚴格按確定的配合比拌制；混凝土水平分層澆筑，澆筑厚度不大于30 cm，混凝土澆筑連續不間斷進行，如必須間斷，間斷時間不能大于已澆混凝土的初凝時間；如果超過應按施工縫處理；混凝土澆筑要密實，澆筑混凝土要力求均勻、密實，減小混凝土的開裂傾向；避免塑性裂縫，混凝土處于塑性狀態時，適時予以拍打、二次抹面，促其閉合，恢復整體性，借以消除塑性裂縫及泌水毛孔等缺陷，提高混凝土質量。在干熱或有風天氣，進行覆蓋保濕或及時噴霧、噴水，避免混凝土蒸發脫水。

6 結論

通過以上分析可得出水化熱溫控計算方面應注意以下幾點：混凝土絕熱溫升擬合公式及其參數取值不具有普通適用性，與混凝土絕熱溫升試驗測定的數值相比，可能有很大差異，因此，混凝土的絕熱溫升需通過試驗實測獲得；當只能用擬合公式預測混凝土的絕熱溫升時，需要考慮膠凝材料的規格、組成及起始溫度等條件對絕熱溫升速率和絕熱溫升值的各種影響，必要時需對公式參數進行調整；現在的水泥與原來水泥相比，在成分、細度方面發生了很大的變化，導致混凝土的最終絕熱溫升值、早期溫升速率的都有很大的提高；現行標準與研究成果中，高入模溫度下最終絕熱溫升公式（公式（4））中參數的選取，具體研究成果較少，限制了其在工程中的應用；原材料選擇和施工工藝方面嚴格按計算結果及規范執行。

［1］朱伯芳.考慮溫度影響的混凝土絕熱溫升表達式［J］.水力發電學報，2003（2）：69-73.

［2］仲曉林，林松濤，彭宣常，等.GB 50496—2009大體積混凝土施工規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［3］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［4］危鼎.混凝土絕熱溫升計算問題的探討［J］.商品混凝土，2009（1）：67-70.

U445.57

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.003

2095－6835（2020）12－0009－03

韓磊（1979—），男，碩士研究生，高級工程師，科技管理科主任，主要從事橋梁施工工藝及混凝土技術的研究工作。

〔編輯：嚴麗琴〕