體育場大體積混凝土溫度場分析及監(jiān)控

毛振龍， 吳源華， 張際斌， 梁云東

（1.中鋁國際天津建設有限公司，天津 300308；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088）

0 引言

混凝土在澆筑完成后會產生大量水化熱，由于承臺尺寸較大，內部熱量無法均勻向周圍環(huán)境散發(fā)，且混凝土為熱的不良導體，外側散熱較快溫度較低，內側散熱較慢溫度較高，在其內部會產生一個不均勻的溫度場，外側與內側混凝土相互約束，從而產生溫度應力[1]。當溫度應力超過混凝土相應齡期的極限抗拉強度時，混凝土將會開裂，而由于裂縫的存在，將導致大體積混凝土的承載能力、防水性能及耐久性能降低，影響結構安全。

目前大體積混凝土的溫控措施有多種[2，3]，如在保證混凝土強度的前提下，減少水泥用量；降低混凝土的入模溫度和環(huán)境溫度；跳倉法施工和冷卻水管降溫法等。采用冷卻水管降溫是針對體量較為集中的大體積混凝土塊體的主要溫控防裂措施之一，它能減小混凝土的里表溫差，有效削減混凝土最高溫升值，降低混凝土開裂風險。但是采用冷卻水降溫的方法還有許多待完善的地方：如現(xiàn)場常用的通水溫控系統(tǒng)相對粗放，精度較低，冷卻水的流量、進出口水溫的準確性不高，采集間隔時間長，數(shù)據(jù)采集受人為主觀因素影響較大，缺乏精細化管理等[4-6]。文中以呂梁新城體育中心項目體育場工程的承臺為研究對象，利用Midas/FEA有限元軟件進行施工仿真分析，在關鍵部位布設溫度和應變傳感器，實時反映混凝土的當前溫度和應變狀態(tài)，在混凝土澆筑和澆筑后養(yǎng)護（惡劣天氣）過程中指導保溫保濕養(yǎng)護工作。

1 工程概況

呂梁市新城體育中心項目體育場拱腳基礎承臺混凝土強度等級為C40，抗?jié)B等級為P6，平面尺寸25.2m×25.2m，承臺高10m，其中一步臺高2.235m，二步臺高7.765m。監(jiān)控的大體積混凝土為基礎承臺二步臺見圖1。

圖1 體育場屋蓋軸測圖

基礎承臺二步臺冷卻水管采用導熱性能良好的鋼管，鋼管管徑為φ48×3.5mm。沿厚度方向總共布設4 層，高度分別為 1.2、3.1、4.8、6.6m，每層冷卻管平面呈弓字形布設，最外排的冷卻管與混凝土邊緣的距離為1.5m，管間距為1.5m；每層冷卻水管設置2個單獨回路，冷卻水從承臺中間流入，承臺側面流出見圖2。

圖2 冷卻水管布設圖

2 混凝土應變溫度監(jiān)控方法

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡傳輸?shù)皆贫耍O(jiān)控人員從云端下載數(shù)據(jù)，進行實時查看和分析數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場調控。溫度和應變設置預警值和行動值，在混凝土養(yǎng)護過程中，一旦溫度或應變出現(xiàn)監(jiān)控值超過預警值，則密切關注數(shù)據(jù)變化發(fā)展情況，超過行動值時則現(xiàn)場根據(jù)情況立即采取應對調控措施。

2.2 承臺傳感器布設

溫度測量傳感器選用HCT-100型鉑電阻溫度傳感器，該傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好的特點，其測試范圍在-20～150℃，測試精度為0.3℃。

在承臺平面內以1/4結構對稱為原則進行溫度測位布設，沿長度和寬度方向每間隔4.2m設置一個測位點，總共7個測位點。每個測位上沿高度方向布設7個溫度測點，以承臺底部為0點，其標高分別為0.1、1.2、3.1、3.9、4.8、6.6、7.7m。冷卻水管附近溫度傳感器布設見表1。

表1 冷卻水管附近溫度傳感器列表cm

大體積混凝土的溫度應力監(jiān)測選擇YJ-4200M型振弦傳感器，其應變測試范圍為±2000με，測試精度為0.5με，正常工作溫度環(huán)境范圍：-20～200℃。應變傳感器沿長度和寬度方向布設：每條邊的1/4、1/2、3/4以及結構平面中心位置，沿承臺高度方向布設：底部（標高0.1m）、中間層（標高3.9m）,頂部（標高 7.7m）和冷卻水管附近布設傳感器。

3 水化熱溫度場計算

3.1 熱傳導方程[7]

假定混凝土為均勻的、各向同性的固體，將熱流量用泰勒級數(shù)展開并取前兩項。由熱量的平衡原理可知，從環(huán)境輸入的凈熱量與內部釋放水化熱之和必須等混凝土溫度升高所吸收的熱量，得到如下熱傳導方程：

式中，T為溫度；a為導溫系數(shù)；x、y和z為空間坐標軸的3個方向；θ為混凝土的絕熱溫升；τ為時間。

熱傳導方程（1）建立了物體的溫度與時間、空間的關系，但方程的解有無窮多個，為了確定所需的溫度場，還必須知道初始條件（混凝土表面與周圍介質之間溫度相互作用條件）和邊界條件（混凝土表面與周圍介質之間溫度相互作用的規(guī)律）。在大多數(shù)情況下，初始瞬時溫度分布可以看作是一個常數(shù)，即當τ=0時：

當混凝土表面溫度T是時間的已知函數(shù)時，混凝土與水接觸時，表面溫度等于已知的水溫，滿足第一類邊界條件；當混凝土表面溫度T是時間的已知函數(shù)時，若表面是絕熱的，則滿足第二類邊界條件；當混凝土表面與空氣接觸時，若經(jīng)過混凝土表面的熱流量與混凝土表面溫度T和氣溫Ta之差成正比，則滿足第三類邊界條件：

式中，β為表面放熱系數(shù)；n為表面外法線方向；Ta為環(huán)境溫度。

3.2 混凝土絕熱溫升

在溫度場計算中，將水泥水化熱完全轉化為絕熱溫升時的溫升值，作為有限元計算程序中混凝土節(jié)點的熱源。

式中，θ（t）為混凝土絕熱溫升值；θ0為最大溫升值；m為水化反應系數(shù)；t為混凝土齡期。文中根據(jù)試驗測得絕熱溫升值為49.2℃，系數(shù)m值根據(jù)不同的混凝土入模溫度取值不一樣（入模溫度30℃，m取值為1.422）。

3.3 管冷熱交換方程

混凝土中預先埋設冷卻水管，利用水管里的冷卻水與水管表面之間的溫差進行熱交換，通過熱傳導來降低混凝土的溫度。冷卻水和水管道之間的熱流量qconv滿足以下方程[8]：

式中，hp為管道的對流系數(shù)；As為管道的表面積；Ts，j為管道表面溫度；Ts，o為冷卻水溫度；Tm，j為管道入水口水溫；Tm，o為管道出水口水溫。

3.4 參數(shù)取值

3.4.1 混凝土配合比

單方混凝土原材料用量：水泥271kg，礦粉104kg，粉煤灰42kg，水 171kg，砂石1852kg，外加劑9.6kg。

3.4.2 彈性模量

混凝土各齡期彈性模量進行如下推算：

式中，β為混凝土中摻合料對彈性模量修正系數(shù)；φ為系數(shù)；E0為混凝土在標準養(yǎng)護條件下齡期為28d時的彈性模量。

3.4.3 混凝土熱力學及冷卻水管參數(shù)

混凝土熱力學特性參數(shù)取值如下：密度2450kg/m3，比熱容50kJ·g/（kN·℃-1），導熱系數(shù)10.44kJ/（m·hr·℃-1），熱膨脹系數(shù)1×10-5/℃，泊松比0.2。

冷卻水管特性參數(shù)取值：水管直徑50mm，壁厚1.5mm，對流系數(shù)371.667W/（m2·℃），比熱426.241kJ·g/（kN·℃-1）,流量5m3/hr，入口溫度30℃。

3.4.4 環(huán)境溫度

現(xiàn)場搭設養(yǎng)護防風防雨大棚保證混凝土在養(yǎng)護期間處于一個可控的溫度和濕度環(huán)境，棚內環(huán)境平均溫度取為30℃，按照正弦規(guī)律分配每日各時刻溫度值，晝夜溫度波動幅度為±10℃見圖3。

圖3 環(huán)境溫度變化

3.5 邊界條件

混凝土表面向保溫介質傳熱的總傳熱系數(shù)（不考慮保溫層的熱容量），可按式（7）計算：

式中，βs為總傳熱系數(shù)，W/m2·K；Rs為保溫層總熱阻，m2·K/W。

式中，δi為第 i層保溫材料厚度，m；λi為第 i層保溫材料的導熱系數(shù)，W/（m·K）；βμ為固體在空氣中的熱傳導系數(shù)，W/（m2·K）。

根據(jù)混凝土保溫方案，混凝土上表面覆蓋2層30mm的礦棉被進行保溫養(yǎng)護，計算βs值為2.37W/（m2·K）；混凝土側面帶模養(yǎng)護，模板外覆蓋2層30mm礦棉被進行保溫養(yǎng)護，計算βs值為2.05W/（m2·K）。

根據(jù)工程情況，為考慮混凝土一步臺、墊層和基巖散熱條件以及基巖和墊層對混凝土約束條件，有限元模型采用混凝土、墊層與基巖共同建模，基巖厚度取為5m，基巖5m以下約束空間三方向位移見圖4。混凝土側模與空氣的對流系數(shù)8.676kJ/（m2·h·℃），混凝土頂面保溫層與空氣的對流系數(shù)4.435kJ/（m2·h·℃），基巖5m以下處溫度取為恒溫20℃。

圖4 混凝土承臺1/4三維有限元對稱模型

4 計算模型及監(jiān)測結果對比

4.1 模型分析結果

在進行水管冷卻分析時，假設混凝土各向同性，因搭棚故不考慮太陽輻射對混凝土溫度場的影響。采用有限元軟件Midas/FEA，建立承臺空間模型，承臺尺寸為25.2m（長）×25.2m（寬）×7.765m（高）。考慮分層澆筑施工過程，根據(jù)對稱性原則，取整體模型的1/4進行計算。

如圖5所示，由于篇幅限制，選擇部分時間的溫度云圖顯示，選擇時間為 0.25、3、7、28d，圖中括號為混凝土內部最高溫度值。根據(jù)上述計算結果，承臺內部最高溫度為77.2℃（入模溫度30℃），溫升峰值47.2℃，峰值出現(xiàn)時間在開始澆筑后的72h。

圖5 水化熱溫度計算

如圖6所示，可以看出6#測位的最大值發(fā)生在6-4的位置，即該測位的中心位置，最大溫度值為74.38℃，底層的6-1溫度最低，頂層的6-7溫度次之，該位置里表溫差最大值為20.4℃。

圖6 6#測位水化熱溫度計算值

如圖7所示，冷卻水管出水口溫度要比入水口溫度高，其差值為正值，水溫沿著水管流向溫度增高，水管可以帶走一部分熱量；從圖形上看溫差值最大的發(fā)生在72h，其數(shù)值為4.19℃。72h時正是混凝土內部溫度最高時，冷卻水管的入水口溫度恒為30℃，側面說明溫差越大，帶走的熱量就會越多。

圖7 單層冷卻水管出水口溫度與入水口溫度之差計算值

如圖8可以看出，同時刻內，冷卻水管周圍50cm范圍內混凝土溫差最大值為35.01℃，超出規(guī)范的規(guī)定，因此需要在通冷卻水時嚴格控制入水口的溫度。

圖8 冷卻水管周圍溫度分布計算值

如圖 9 所示，選擇時間為 0.25、3、7、28d 的應力結果，應力為水平方向SYY方向，括號內部為最大應力值。觀察應力計算結果時，在冷卻水管周圍有部分應力超過了混凝土的抗拉應力，因此在現(xiàn)場需注意冷卻水的溫度，以避免混凝土開裂。

圖9 承臺混凝土水化熱應力計算

如圖10所示，冷卻水管周圍混凝土的應力水平部分時間超過了其允許應力水平（澆筑完成后7d內），代表混凝土的開裂風險極大，導致風險的原因就是冷卻水的入口溫度，實際開展溫控工作時，可通過升高入水溫度降低開裂風險。

圖10 冷卻水管周圍混凝土應力與允許應力計算

4.2 實測監(jiān)控結果

承臺混凝土采用薄層連續(xù)澆筑，每層厚度控制在400mm以內。混凝土用量約為5000m3，澆筑時采用2個混凝土泵車，歷時50h澆筑完成。在混凝土收面過程中，覆蓋一層塑料薄膜，以保證混凝土中水化反應用水。養(yǎng)護過程中隔天觀察表面養(yǎng)護水的散失情況，如有散失較快混凝土表面發(fā)白位置，則進行局部或整體表面補水作業(yè)，根據(jù)混凝土溫度選擇補給用水的溫度，避免對混凝土造成“冷激”。承臺頂面覆蓋2層1cm厚的棉被，側面覆蓋2層1cm厚的棉被，外框設置防風、防雨棚，用于主動控制承臺降溫速率，預防惡劣天氣突然降溫導致混凝土開裂。溫度和應變監(jiān)測從混凝土澆筑前開始，齡期為40d時結束，數(shù)據(jù)采集頻率為10min/次。

因項目作業(yè)面小，各層澆筑時間較長，如圖11所示，先澆筑的底層混凝土最早達到最高溫度，隨后各層混凝土依次達到最高溫度，且最高溫度的間隔時間正好是混凝土的入模時間差。從數(shù)值上看，中間測點位置的入模溫度29.6℃，該測點最高溫度79.3℃，實測溫升值49.7℃，到達溫升峰值時間為72.2h。

圖11 6#測位溫度監(jiān)測曲線

如圖12所示冷卻水管周圍溫度場分布，根據(jù)距離冷卻水管近遠，溫度由低到高，呈梯度分布。

圖12 冷卻水管周圍溫度分布實測

由表1可知，傳感器-1與冷卻水管是緊貼著的，可以認為傳感器-1的溫度值與冷卻水的溫度值相同。由表2可以看出，混凝土澆筑完成后36h時，傳感器-1與傳感器-6的溫差最大，最大值為23.9℃，隨著養(yǎng)護時間的推移，溫差值逐步減小，到760h后溫差值減小到0.8℃。

表2 冷卻水管周圍實測溫度值

如圖13所示，混凝土在澆筑前期，由于混凝土的水化熱、外約束條件和施工荷載綜合在一起，應力狀態(tài)較為復雜，應力波動幅度和頻率比較大。隨著時間軸往后推移，在養(yǎng)護階段，混凝土的應力隨晝夜溫度變化呈規(guī)律性波動。4個測點的最終狀態(tài)為受壓，混凝土不會開裂，這與混凝土拆除模版后觀察的結果一致。

圖13 混凝土S1～S4測點應力測試曲線

4.3 理論計算與實測結果對比分析

如圖14所示，矩形框線為冷卻水入口處溫度實測曲線，通過實時控制，入口水溫與混凝土內部最高溫度相差在25℃以內。時程曲線與混凝土的熱釋放曲線相似。在混凝土入模后，強度未形成前，混凝土呈塑性狀態(tài)，可適當降低入口處冷卻水的溫度以帶走更多熱量。

圖14 入水口溫度實測值與理論值對比

如圖15所示，承臺混凝土表面的實測溫度比理論溫度要高一些，說明現(xiàn)場的保溫方法和措施比較合適。由圖中實測曲線可以看出，在澆筑完成后的200h，通過動態(tài)調整保溫措施，表面降溫速率得到有效控制。在澆筑完成240h～650h時，實測值與理論值稍有偏差，是因為呂梁當?shù)貢円箿夭畋容^大，雨水較多，通過減少保溫使得降溫速率變快的措施實現(xiàn)比較困難。在此期間，保溫措施一直延續(xù)前期的，未做改動。

圖15 混凝土表面溫度理論與實測對比

從圖16中的數(shù)據(jù)可以看出，承臺最高溫度理論計算值是77.2℃，絕熱溫升值為47.2℃，歷時72h；而承臺最高溫度實測值為79.3℃，絕熱溫升值為49.7℃，歷時72.2h。實測最高溫度值比理論計算值高2.1℃，絕熱溫升值超過理論值。混凝土中心溫度實測值比理論值大，分析其原因有三個：第一，受現(xiàn)場條件約束，混凝土澆筑速度較慢，在中間層混凝土澆筑時，底層混凝土已進入快速放熱階段（從實測數(shù)據(jù)上看，中心層澆筑時，底層混凝土的溫度值為53.2℃），底層混凝土的熱量傳遞給中心層的混凝土；第二，澆筑時間正值夏季，結構的澆筑持續(xù)時間比較長，周圍環(huán)境（太陽直射）傳遞熱量到鋼筋和混凝土上，此部分熱量計算時未做考慮；第三，冷卻水的溫度理論取值和實際情況有差別，理論取值造成的溫差較大，帶走的熱量比較多，冷卻水的作用更明顯。

圖16 混凝土中心溫度理論與實測對比

如圖17所示，冷卻水管附近的理論計算應力曲線，由于未考慮動態(tài)調整入水口水溫，因此在養(yǎng)護過程中由于冷卻水作用產生了最大4.76MPa的拉應力，即混凝土存在開裂風險。而在實際溫控實施過程中，如圖中實測曲線，調控了入口處水溫，冷卻水管周圍混凝土應力狀態(tài)由拉應力轉變?yōu)閴簯Γ_保了混凝土在整個養(yǎng)護過程中不因采用了冷卻水管降溫措施而導致開裂。

圖17 冷卻水管周圍應力實測值與理論值對比

5 承臺水化熱溫控措施

由于環(huán)境溫度較高（澆筑時期為8月份），控制混凝土水化熱的各個環(huán)節(jié)十分必要，確保承臺的施工質量。呂梁新建體育場的承臺采取以下水化熱溫控措施。

5.1 優(yōu)化混凝土配合比

承臺分一步、二步澆筑，水泥摻入粉煤灰、礦渣粉，減少水泥用量，達到降低施工過程水化熱的效果。經(jīng)過多次試驗和優(yōu)化研究，確定了混凝土配合比，以保證在滿足混凝土強度等級和工作性要求的前提下，降低水泥用量。

5.2 控制混凝土的入模溫度

為了降低混凝土的最高溫升值，采用了控制承臺混凝土入模溫度的方法。通過控制原材料的溫度來控制混凝土的入模溫度是比較可行的辦法，如加冰塊降低混凝土攪拌用水的溫度，控制水的溫度在4℃左右；用遮陽布覆蓋石子、砂子，降低原材料由于太陽直射而引起的溫度升高；用灑水車對水泥罐進行降溫等措施。

5.3 冷卻水降溫措施

承臺通過布置4層冷卻水管來降低其內部的溫度。混凝土覆蓋冷卻水管后，開始通冷卻水，在混凝土強度形成前，入口處水的溫度很低，讓冷卻水在前期帶走更多熱量，在混凝土強度形成后，實時動態(tài)控制入口處冷卻水的水溫與混凝土內部最高溫度之差小于25℃，冷卻水的流速通過流量計控制在0.6～1.0m/s之間。以監(jiān)控溫度和應變數(shù)據(jù)為依據(jù)，現(xiàn)場指導保溫保濕養(yǎng)護工作，確保混凝土施工質量。

5.4 其他保溫保濕措施

在承臺混凝土澆筑之前，將保溫防風棚搭設完成，其目的用于主動控制承臺的降溫速率。在混凝土收面過程中，覆蓋一層塑料薄膜，以保證混凝土中水化反應用水充足，在養(yǎng)護過程中隔天觀察表面養(yǎng)護水的蒸發(fā)情況，如遇到蒸發(fā)過快的時候，根據(jù)混凝土內部溫度，決定補給用水的溫度。根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)控數(shù)據(jù)，指導現(xiàn)場減少或增加覆蓋保溫層的厚度，使得降溫速率在有效控制范圍內。

6 結語

利用有限元軟件midas/FEA對呂梁市新建體育場承臺大體積混凝土的溫度場進行了分析，在關鍵部位布設溫度和應變傳感器，實時反映混凝土的當前溫度和應變，在平時養(yǎng)護和惡劣天氣里指導了保溫養(yǎng)護工作。通過現(xiàn)場檢測結果表明，冷卻水能夠有效地控制大體積混凝土在施工過程中的溫度及溫度應力。具體結論如下：

（1） 制定針對大體積混凝土施工和養(yǎng)護的工藝流程，在澆筑前充分做好技術交底工作，嚴格按照溫控措施的要求進行，以監(jiān)測數(shù)據(jù)為控制措施的依據(jù)；相同性質位置養(yǎng)護措施要保證一致，以使溫控數(shù)據(jù)具有代表性，同時根據(jù)監(jiān)控結果及時調整養(yǎng)護措施。

（2） 在高溫高濕環(huán)境下，對承臺采取保溫保濕養(yǎng)護（第一層塑料薄膜、第二層土工布、第三層塑料薄膜，此三層為保濕鎖水養(yǎng)護措施），動態(tài)調整2層保溫措施。澆筑完成后的14d內，隔天噴灑養(yǎng)護用水，養(yǎng)護用水的溫度與混凝土內部最高溫度差值小于25℃，可以將混凝土降溫階段的溫差和降溫速率控制在合理范圍內。

（3） 冷卻水管降溫效果明顯，制定冷卻降溫水罐巡視制度，及時控制進、出水口的溫度，以及進水口溫度與混凝土內部最高溫差不大于25℃，同時滿足里表溫差和降溫速率符合規(guī)范要求，可以有效帶走熱量。

（4） 在控制溫度指標滿足現(xiàn)行規(guī)范要求下，冷卻水管周圍的混凝土發(fā)生裂縫的概率很低。