大體積承臺水化熱效應分析與溫控措施

吳 鵬

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著我國基建快速發展，采用大體積混凝土的工程越來越多。大體積混凝土結構尺寸大、導熱性差、一次澆筑量多，水化熱反應會釋放大量熱量，使結構內外溫差產生溫度應力，當溫度應力超過混凝土容許拉應力時就會產生溫度裂縫及一系列更嚴重的問題，進而影響結構的安全性、耐久性。因此研究大體積混凝土溫度場分布及溫控措施具有重要意義。文獻[1]～[3]采用有限元方法建模，研究了其結構內部溫度分布規律并提出相應溫控措施。文獻[4]研究了在太陽輻射、風速等因素影響下，單箱預應力箱梁的溫度應力及溫度分布。文獻[5]考慮各種隨機因素，給出了大體積混凝土結構溫度場的隨機有限元算法。文獻[6]以某橋零號塊作為研究對象，通過預埋溫度傳感器，深入研究了結構內部的溫度變化，對混凝土的導溫系數提出了相應修正。文獻[7]采用單向溫度荷載計算方法，研究了溫度應力計算方法。

本文研究大體積混凝土水化熱的溫度場分布規律，并據此制定了一系列溫控和保溫措施。

1 工程背景及有限元分析

1.1 工程背景

某高鐵三線斜拉橋主墩采用八邊形承臺，長38.8 m，寬18.6 m，高7.5 m，下部采用群樁基礎，承臺混凝土采用C40砼。承臺分3次澆筑，第1次澆筑厚度為3m，第2次為1.5 m，第3次為3m，承臺澆筑間隙為7 d。為了得到施工過程中真實的溫度變化，在承臺中布置了108個溫度傳感器，溫度傳感器布置如圖1(根據承臺的對稱性選取結構的1/4示意)。

澆筑完成后，升溫過程中每隔2 h記錄1次，達到峰值后4 h記錄1次，在混凝土溫度變化趨于穩定后，每天記錄2次。

圖1 承臺1/4測點布置圖(單位： cm)

續圖1 承臺1/4測點布置圖(單位： cm)

1.2 有限元模擬

采用MIDAS/Civil進行仿真模擬，根據承臺的對稱性選取結構的1/4進行有限元計算，模型共建立節點2 299個，單元1 800個(見圖2)。

圖2 承臺1/4網格劃分圖

冷卻管采用直徑40 mm鋼管，流速取30 L /min，水溫取15 ℃，冷卻管沿厚度方向分8層布置。混凝土對流系數取13.94 W/(m2·K)，導溫系數按配合比取0.068 m2/h，導熱系數取9.6 kW /(m·K)，比熱容取0.97 kJ/(kg·K)。混凝土配合比為m水∶m水泥+粉煤灰∶m砂∶m碎石∶m外加劑=152∶438∶744∶1 116∶4.38。環境溫度取20 ℃，平均風速按6 m/s考慮。

2 結果分析

2.1 理論結果

承臺溫度場分布如圖3所示，各個斷面溫度場隨時間變化曲線如圖4所示。

通過分析圖3、圖4可知:

1)測點7位于承臺中心處，在整個水化熱過程中溫度最高，最高溫度達55 ℃，峰值后由于大體積混凝土散熱性差，溫度下降速率慢。1、12、7測點因靠近承臺表面，散熱性好，峰值溫度較中心點低，在達到峰值后迅速降溫并達到穩定。

2)承臺整個水化熱過程中總體溫度變化呈現先急劇上升后緩慢下降趨勢，且降溫持續時間比升溫階段長很多。開始時水化熱反應所產生的熱量大于冷卻管的冷卻和散熱效果，故溫度持續上升，經2～3 d的時間溫度達到峰值，隨后在冷卻管的持續作用下，溫度開始下降逐步達到穩定。

a) 第1次澆筑混凝土

b) 第2次澆筑混凝土

c) 第3次澆筑混凝土

3)承臺表面至內部一定范圍內的溫度變化較大，內部溫度雖高但比較均勻，因此表面區域存在開裂的可能性較大。

2.2 監控結果

各斷面實測監控溫度曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，實測溫度曲線與計算所得的結果基本相符，都經歷了先上升后下降的階段,只是峰值到達時間、下降段速率有所差異。實測曲線的下降速率較快，主要因為： ①通水過程中入水溫度、通水速度都是變化的，而計算時假定這2種因素是穩定的;②在實際施工過程中，混凝土澆筑為逐步進行，水化熱反應隨著混凝土澆筑逐漸產生，而計算時認為某層混凝土為一次性澆筑；③混凝土的入倉溫度受外界環境(氣溫、風速等)影響并非恒定值，導致了實測峰值溫度較計算值有所差別。

a) A斷面

b) B斷面

c) C斷面

d) D斷面

e) E斷面

a) A斷面

b) B斷面

c) C斷面

d) D斷面

e) E斷面

由此可見，利用Midas/Civil所建立的模型能夠較好地模擬工程的實際情況，所產生的誤差是可以接受的。

3 溫控措施

大體積承臺在澆筑過程中若不采取溫控措施極易產生開裂，造成開裂的原因十分復雜，需要從材料選擇、級配設計、攪拌、澆筑、通水冷卻、保溫保濕等多方面進行控制，主要措施有：

1)使用低熱水泥。為了降低水泥水化熱過程中的放熱量，應選擇水化熱較低的水泥品種。承臺設計混凝土標號為C40，該承臺采用了P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其水化熱低、后期強度大，依照對樣品的試驗，符合溫控標準。

2)優化級配設計。在滿足水泥強度的前提下，盡量減少水泥用量可有效降低溫升。如采用級配較好的集料，其骨料空隙率比較小，可相對減少所需水泥。綜合考慮各方面因素，該承臺所采用的碎石粒徑為4.75～31.5 mm，河砂細度模數為2.75。

3)埋設冷卻管。冷卻管通水冷卻是降低混凝土內部溫度的主要措施，根據承臺內部的溫度分布規律，共布置8層管徑φ40 mm薄壁鋼管，各層水平間距為1.0 m，相鄰兩側水管垂直交錯布置。通水前對冷卻管進行壓水試驗，防止滲水現象。當混凝土澆筑到冷卻管標高時開始通水，通水流量大于30 L/min，并對所有通水管統一控制；達到溫度峰值后，控制通水量，澆筑全部完成后應采用同標的砂漿或水泥漿封堵冷卻管。

4)加強澆筑后養護。澆筑完成后外界氣溫驟變會引起混凝內外溫差，產生溫度應力，所產生的表面裂縫往往會向內部發展，因此澆筑完成后的養護工作同樣重要，養護應從濕度和溫度2方面進行，承臺可覆蓋土工布并同時在承臺頂面采取蓄水保溫的措施，達到保溫保濕目的。

4 結語

通過某高鐵三線斜拉橋主墩承臺施工，對承臺進行數值模擬，將模擬值與實測值進行對比分析，并采取相應溫控措施，得出如下主要結論：

1)計算值和實測值皆顯示，承臺內部溫度隨時間變化先升高，到達峰值后開始緩慢下降，承臺內最高溫度出現在74 h，最高溫度達到52 ℃左右，承臺表面溫度也符合相同溫度變化規律。

2)溫度變化過程中，由于內部溫度上升速率較表面更快，所以內部混凝土出現壓應力，而表面出現拉應力，當拉應力超過容許值后會導致表面開裂。

3)承臺澆筑過程中的降溫措施和澆筑后的養護工作非常必要，采取合理的保溫保濕措施，可以有效控制承臺表面因溫度過低而產生的開裂問題。