錨塞體大體積混凝土溫控影響因素分析

馬霈源 龐 彬 顧聽聽

(寧波交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司 寧波 315121)

由于混凝土導(dǎo)熱性差，大量水化熱聚積在混凝土內(nèi)部無(wú)法散發(fā)，使結(jié)構(gòu)的里、表形成較大溫差，進(jìn)而產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力使混凝土結(jié)構(gòu)表面處在受拉狀態(tài)，該狀態(tài)下結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂縫，破壞整體穩(wěn)定性[1-3]。因此對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)的影響因素進(jìn)行研究是十分必要的。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大體積混凝土已經(jīng)進(jìn)行了深入研究，孫維剛等[4]以某懸索橋散索鞍基礎(chǔ)澆筑過程的溫控實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出混凝土水化溫升的簡(jiǎn)化計(jì)算模型。蔡文俊等[5]對(duì)橋梁承臺(tái)的大體積混凝土澆筑進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到高溫直曬下承臺(tái)混凝土的最大溫升和冷卻水管對(duì)流交換系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。魯正剛等[6]同樣對(duì)大體積混凝土承臺(tái)進(jìn)行數(shù)值模型分析并將其與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得到大體積混凝土承臺(tái)澆筑后的內(nèi)部溫度場(chǎng)分布變化規(guī)律。上述研究成果均對(duì)大體積混凝土澆筑后的溫度場(chǎng)進(jìn)行多維度的說(shuō)明，但對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)的影響因素缺乏系統(tǒng)性的分析。

本文依托伍家崗長(zhǎng)江大橋隧道錨工程，對(duì)錨塞體大體積混凝土不同入模溫度、混凝土配合比、冷管參數(shù)變化等工況下錨塞體溫度場(chǎng)分布規(guī)律以及里、表溫差進(jìn)行探究，以期從混凝土材料選擇、入模溫度控制和施工技術(shù)等方面對(duì)錨塞體現(xiàn)場(chǎng)溫控提供參考。

1 工程概況

伍家崗長(zhǎng)江大橋位于湖北省宜昌市，主跨為1 160 m的正交異性鋼箱梁懸索橋，南側(cè)采用重力式錨碇，北側(cè)采用隧道錨式錨碇。大橋北側(cè)隧道式錨碇結(jié)構(gòu)由2個(gè)洞室組成，左、右洞錨塞體的總澆筑量達(dá)16 494 m3，單個(gè)隧道錨內(nèi)的錨塞體長(zhǎng)45 m，為前小后大的楔形，前錨面尺寸為9.04 m×11.44 m，后錨面尺寸為16 m×20 m，總澆筑量為8 247 m3。單個(gè)錨塞體分層澆筑示意見圖1。

圖1 隧道錨錨塞體分層澆筑示意圖

對(duì)大體積混凝土而言，單層混凝土澆筑厚度將會(huì)直接影響到混凝土內(nèi)的熱量累積情況，單層混凝土澆筑量較小則其散熱較快，熱量累積較小，能有效控制溫度應(yīng)力，但將直接加大施工難度，影響工期，參考相關(guān)文獻(xiàn)[7-9]可知：?jiǎn)螌訚仓穸刃∮? m時(shí)，隨著厚度的增加，溫度峰值和最大里表溫差將直線上升，而厚度在4 m以上時(shí)，隨厚度增加混凝土內(nèi)溫峰值及最大里表溫差升高速率明顯下降，因此綜合考慮厚度及單次澆筑方量，伍家崗長(zhǎng)江大橋隧道錨將選擇以3 m為基準(zhǔn)進(jìn)行單層混凝土澆筑。

如圖1所示，單個(gè)錨塞體水平分成12層，除第 1 層高為6 m及第12層高為 4.554 m 外，其他層高均為3 m。分層后，最大澆筑方量為第4層，約為1 025 m3。除第1層與第12層外，各層形狀相似，厚度相同，且所處環(huán)境較為一致，因此本文以最大澆筑方量的第4層混凝土為基礎(chǔ)展開研究。

2 數(shù)值模型建立

以伍家崗長(zhǎng)江大橋北岸隧道錨實(shí)際工程為基礎(chǔ)，假設(shè)混凝土單元在所有時(shí)間各節(jié)點(diǎn)的放熱速率相等，且同一層的混凝土的初始溫度一致。因此，在midas Civil中建立錨塞體模型，見圖2。

圖2 伍家崗長(zhǎng)江大橋隧道錨錨塞體數(shù)值模型示意圖

錨塞體混凝土為C35，比熱容取值為0.966 kJ/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為2.556 W/(m·℃),實(shí)際情況取施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度為20 ℃，對(duì)于邊界條件由于錨塞體澆筑環(huán)境的特殊性，單層澆筑時(shí)處于半封閉條件下，頂面混凝土與空氣交換熱量屬于第三類邊界條件，而底面與上一層澆筑的混凝土接觸，四周與巖土接觸，屬于第四類邊界條件。因此取混凝土表面的對(duì)流系數(shù)為18.4 kJ/(m2·h·℃)。

將第4層錨塞體溫度場(chǎng)數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖3。

圖3 錨塞體第四層實(shí)測(cè)溫度與計(jì)算溫度曲線對(duì)比

由圖3可見，計(jì)算溫度曲線和實(shí)測(cè)溫度曲線的線形大致符合，有限元計(jì)算值中心最高溫度為51.5 ℃，監(jiān)測(cè)的中心最高溫度為53.4 ℃，中心最高溫度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差為3.6%，表面最高溫度的相對(duì)誤差為5.3%，相對(duì)誤差較小在允許范圍內(nèi)，基于以上分析計(jì)算結(jié)果，可認(rèn)為所建立數(shù)值模型準(zhǔn)確，下文將以該模型為基礎(chǔ)展開多維度分析。

3 冷卻管參數(shù)影響

根據(jù)錨塞體大體積混凝土溫控方案，第2層至第11層單層澆筑厚度3 m，共計(jì)厚度30 m，單層布設(shè)2層冷卻水管，每層設(shè)置2個(gè)進(jìn)水口、2個(gè)出水口，下層冷卻水管距澆筑底面0.75 m，頂層冷卻水管距離澆筑頂面0.75 m。第4層混凝土水管布置示意圖見圖4。

圖4 錨塞體第4層水管布置示意圖

3.1 冷卻水流量的影響

為研究錨塞體內(nèi)埋設(shè)的冷管中的水流量對(duì)錨塞體溫度場(chǎng)的影響，在保持其他條件不變的情況下，分別調(diào)整冷卻水流量為1.6、1.8、2.0、2.2和2.4 m3/h，經(jīng)有限元計(jì)算得到結(jié)果見圖5。

圖5 冷卻水不同流量溫度曲線變化

冷卻水流量的變化對(duì)邊緣處的混凝土影響較小，不同流量的變化對(duì)表面和底面的最高溫度幾乎沒有影響。相比于邊緣溫度，混凝土中心溫度受流量變化的影響較大，隨著冷卻水流量增大，中心最高溫度和里、表最大溫差均有降低。對(duì)于具體數(shù)值而言，冷卻水的流量增加0.2 m3/h，中心最高溫度便降低0.7～0.2 ℃，最大溫差也降低0.7～0.2 ℃。當(dāng)冷卻水流量大于2 m3/h后，冷卻水流量對(duì)中心最高溫度和最大溫差的削弱作用逐漸減小。

3.2 冷卻水入水溫度的影響

在保持其他條件不變的情況下，分別調(diào)整冷卻水入水溫度為12、14、16、18、20 ℃。經(jīng)過有限元計(jì)算，綜合對(duì)比分析結(jié)果見表1。

表1 冷卻水不同入水溫度計(jì)算結(jié)果比較

由表1可知，冷卻水入水溫度的變化對(duì)中心混凝土影響較大，對(duì)邊緣混凝土影響小，入水溫度每降低2 ℃，中心最高溫度降低0.7 ℃，而混凝土表面溫度與底面溫度變化較小。且隨著冷卻水入水溫度的降低，溫峰值和最大里、表溫差均明顯變減小，中心溫度的溫峰出現(xiàn)時(shí)間也提前了。說(shuō)明降低冷卻水的入水溫度能有效地控制混凝土中心溫度及里、表溫差。但如果冷卻水的溫度太低，會(huì)使得混凝土中冷卻管周圍區(qū)域出現(xiàn)較大的溫度差，從而在冷卻管周圍的混凝土中產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。這種情況可能會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，因此需要工程實(shí)際情況適當(dāng)降低冷卻水入水溫度。

3.3 冷卻水管通水時(shí)長(zhǎng)的影響

為了研究不同的通水時(shí)長(zhǎng)對(duì)錨塞體溫度場(chǎng)的影響。對(duì)比分析在第5、6、7、8、10天時(shí)停止通水后錨塞體的溫度變化。在其他條件不變的情況下，通過數(shù)值計(jì)算，得到結(jié)果見圖6。

圖6 不同通水時(shí)長(zhǎng)溫度變化曲線

由圖6可知，在第5天停止通水后，錨塞體的里、表溫差迅速增大，在第8天溫峰值二次達(dá)到最高值13.5 ℃，超過之前的最大值12.8 ℃。當(dāng)在第6、7 d停止通水時(shí)，雖然二次溫差極值未超過第一次溫差極值，但在停水之后，里、表溫差一樣會(huì)迅速增加，這對(duì)混凝土表面是極為不利的。當(dāng)冷卻管在第8天停止通水時(shí)，里、表溫差已基本上不再上升。通過上述分析可知，在實(shí)際工程中若冷卻管的通水時(shí)長(zhǎng)過短會(huì)引起里、表溫差再一次上升，甚至?xí)^之前溫差極值，導(dǎo)致里、表溫差長(zhǎng)時(shí)間處于較高狀態(tài)。混凝土在長(zhǎng)時(shí)間較大的溫度應(yīng)力作用下極有可能產(chǎn)生裂縫。故在施工過程中要時(shí)刻注意水泵的運(yùn)行情況，準(zhǔn)備好應(yīng)急電源與應(yīng)急水泵，防止因停電或設(shè)備故障等意外出現(xiàn)冷卻管停止通水。

4 混凝土配合比及入模溫度影響

4.1 混凝土配合比影響

混凝土升溫主要來(lái)源于水泥水化過程中產(chǎn)生的熱量，研究混凝土的配合比對(duì)控制水化熱有著重要作用。在其他條件保持不變的情況下，通過改變每立方米混凝土的配合比，保持膠凝材料380 kg總量不變情況下，調(diào)整水泥和粉煤灰的比例，分別調(diào)整水泥用量為245、285、325、365 kg進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，其中水泥245 kg、粉煤灰135 kg為實(shí)際工程中混凝土配合比。通過有限元計(jì)算得混凝土不同配合比對(duì)錨塞體溫度場(chǎng)的影響見表2。

表2 混凝土不同配合比計(jì)算結(jié)果分析

由表2可知，當(dāng)每立方米混凝土中水泥用量從245 kg增加到285 kg，即膠凝材料中水泥占比從64%提升到75%，中心最高溫度提升了2.5 ℃，里、表最大溫差提升了1.0 ℃。當(dāng)每立方米混凝土中水泥用量從325 kg增加到365 kg，即膠凝材料中水泥占比從86%提升到96%，中心最高溫度提升了2.4 ℃，里、表最大溫差提升了1.1 ℃。同時(shí)可知，中心最高溫度與里、表最大溫差值及水泥用量呈線性關(guān)系，膠凝材料中的水泥占比每增加10%，中心最高溫度就提升2.4 ℃，里、表最大溫差就提升1 ℃。因此實(shí)際工程中在滿足混凝土強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡可能地使用粉煤灰或者礦渣粉等水化熱量少的膠凝材料替代水泥，以此減少水泥的用量達(dá)到控制溫度的效果。

4.2 混凝土入模溫度影響

同樣在其他條件不變的情況下，改變錨塞體澆筑時(shí)的混凝土入模溫度，分別取12、16、20、24、28 ℃進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，其中20 ℃為實(shí)際工程中混凝土入模溫度。經(jīng)有限元計(jì)算，得到結(jié)果見圖7。

圖7 混凝土不同入模溫度對(duì)比變化曲線

由圖7可知，當(dāng)入模溫度升高時(shí)，混凝土各處的溫度均上升明顯。中心溫度上升幅度最高，入模溫度每升高4 ℃中心最高溫度便上升2.3～2.5 ℃。由于表面的空氣對(duì)流，升高混凝土的入模溫度對(duì)表面溫度影響相對(duì)于中心溫度較小，入模溫度每升高4 ℃表面最高溫度就上升1.3～1.5 ℃。由于入模溫度的變化對(duì)混凝土中心和表面溫度影響程度不一樣，使得里表溫差隨著入模溫度的提高而變大。從時(shí)間方面，入模溫度每升高4 ℃溫峰出現(xiàn)時(shí)間就會(huì)提前2 h。因混凝土在初凝階段抗拉強(qiáng)度較小，溫峰時(shí)間提前會(huì)使混凝土的抗拉強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。因此，入模溫度的上升對(duì)溫峰值、里表溫差和溫峰出現(xiàn)時(shí)刻有很大的影響，溫峰值的提升及溫峰時(shí)間的提前都對(duì)混凝土極為不利。

通過有限元計(jì)算不同入模溫度發(fā)現(xiàn)，入模溫度的上升對(duì)溫峰值、里表溫差和溫峰出現(xiàn)時(shí)刻有很大的影響。溫峰值的提升及溫峰時(shí)刻的提前都是對(duì)混凝土極為不利的，在實(shí)際工程中控制混凝土的入模溫度是溫控的重要手段。

5 結(jié)論

本文以伍家崗長(zhǎng)江大橋北岸隧道錨為工程背景，通過控制變量法分別分析混凝土配合比、混凝土入模溫度、冷卻管參數(shù)(冷卻水流量、冷卻水入水溫度和冷卻管通水時(shí)長(zhǎng))和環(huán)境溫度等參數(shù)的變化對(duì)錨塞體溫度分布規(guī)律、中心最高溫度、里表最大溫差的影響。不同工況分析得到的主要結(jié)論有：

1) 在工程混凝土配合比(水泥245 kg，粉煤灰135 kg)的基礎(chǔ)上，膠凝材料中的水泥占比每增加10%(40 kg)，中心最高溫度提升2.4 ℃，里、表最大溫差提高1 ℃左右，說(shuō)明水泥用量對(duì)錨塞體溫度場(chǎng)影響極大，為了控制溫峰值，在保證工程質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量多使用水泥替代品，如粉煤灰和礦渣粉。

2) 混凝土入模溫度每升高4 ℃，中心最高溫度就上升2.3～2.5 ℃，里、表最大溫差提高1 ℃，溫峰出現(xiàn)時(shí)間提前2 h。因早期混凝土強(qiáng)度低，溫峰出現(xiàn)時(shí)間的提前會(huì)使混凝土的抗拉強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮，故在夏季施工時(shí)要注意控制入模溫度。

3) 冷卻管流量在到達(dá)一定數(shù)值之后再增大冷卻管流量，溫控效果已不明顯且增加了施工成本；冷卻水入水溫度的降低雖然能有效地降低溫峰值和里表最大溫差，但水溫過低容易使水管附近混凝土產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。因此，具體的冷卻管流量和入水溫度均要綜合多方面情況考慮。

4) 在秋冬季施工時(shí)環(huán)境溫度變化較大，容易出現(xiàn)突然降溫的情況。因此，在錨塞體澆筑后要注意表面的保溫、保濕，防止溫度驟降引起里、表溫差的二次回升。