錨塊大體積混凝土分層分塊水化熱控制研究

唐江龍,羅淋耀

(廣西北投公路建設投資集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

大體積混凝土溫度裂縫分為三種,分別是表面裂縫、內部裂縫、貫穿裂縫[1],內部和貫穿裂縫會嚴重影響大體積混凝土的使用避免大體積,在大體積混凝土實際施工過程中,應嚴格執行對混凝土進行養護措施,避免混凝土發生影響結構安全裂縫。目前有關大體積混凝土的溫度裂縫控制以及大體積混凝土溫度場應力場分析的研究成果豐富,本文以巫山桂花大橋重力式錨塊結構為研究對象,分析錨塊大體積混凝土分層分塊溫度場應力,總結不同厚度混凝土結構溫度場的變化規律,以及分析澆筑厚度與最大溫升的關系,并針對性地提出相應的溫度控制措施,以期為同類型混凝土分層分塊提供理論和現實依據。

1 工程概況

桂花大橋主線長1 540 m,其中,桂花大橋主跨550 m,雙塔懸索橋型。桂花大橋兩岸錨碇為重力式錨碇,每幅錨碇的結構平面尺寸為42 m×38 m,高度為33 m。白泉岸錨碇與七星岸錨碇混凝土澆筑方量分別約為 21 217 m3和22 924 m3,屬于大體積混凝土。橋型立面示意圖見圖1,錨塊分層圖見圖2。

圖2 錨塊分層圖

2 錨塊大體積混凝土參數取值

錨塊大體積混凝土物理熱學性能相關參數見表1。

錨塊混凝土上表面為熱傳導的第三類邊界條件,其等效散熱系數取50.23 kJ/m2·h·℃ ,錨塊內部空間表面放熱系數取21 kJ/m2·h·℃,水冷管對流系數為1 442 kJ/m2·h·℃,環境溫度按式F(t)=5×sin(2×π/24×(t+24))+20計算,混凝土材料計算參數見表1。

3 錨塊分層分塊水化熱研究

Midas FEA 有限元分析模型選取巫山桂花大橋錨塊,選取從澆筑第一層到第5層高7 m左右澆筑塊,并將該澆筑塊劃分為1～7 m的7塊混凝土板進行計算分析,澆筑塊模型如下頁圖3所示。

3.1 不同厚度混凝土結構的水化熱溫度分析

為了研究厚度不同的混凝土水化熱溫升變化規律,選取各分塊層中心測點的溫度值進行分析。從圖4和圖5可以看出,1～7 m厚的混凝土對應的最高溫度分別為34.87 ℃、47.67 ℃、55.87 ℃、61.67 ℃、65.65 ℃、67.80 ℃、68.72 ℃,表明混凝土厚度越大,混凝土最高溫度也越高,里表溫差也越大。當厚度>4 m時,再增加澆筑混凝土厚度,其內部的溫升和最高溫度變化幅度越小,且在現場施工和養護過程中混凝土的水化熱也很難控制。因此在大體積混凝土施工過程中,應合理地選擇混凝土分層厚度,以降低混凝土水化熱影響。

(a)厚度為1 m

(b)厚度為2 m

(c)厚度為3 m

(d)厚度為4 m

(e)厚度為5 m

(f)厚度為6 m

(g)厚度為7 m

(a)厚度為1 m

(b)厚度為2 m

(c)厚度為3 m

(d)厚度為4 m

(e)厚度為5 m

(g)厚度為7 m

各厚度結構中心點溫度曲線圖見圖6,各厚度結構混凝土的最大溫度值與發生時間見表2,厚度變化的溫度變化規律見表3。

圖6 各厚度混凝土中心點溫度曲線圖

表2 各厚度結構的最大溫度值與發生時間對應表

表3 隨厚度變化的溫度變化規律表

從圖6、表2、表3看出,1～7 m不同厚度的混凝土中心層溫度變化曲線層次分明,1～7 m厚度混凝土內部高溫出現的時間分別為12 h、20 h、28 h、32 h、40 h、44 h,表明隨著厚度增大,溫度峰值出現的時刻也會推遲,且內部高溫的持續時間變長,厚度越大的混凝土升溫越快,而降溫卻越來越慢,內部溫度變化幅度也趨于平穩。說明混凝土分層澆筑對大體積混凝土最高溫度的控制有良好的效果,施工過程中選用薄層混凝土[2],施工中溫度更好控制。

綜上所述,混凝土分層澆筑對大體積混凝土最高溫度的控制有良好的效果,驗證了施工中采取合理的分層厚度能有效控制大體積混凝土水化熱,大體積混凝土施工過程中需結合實際情況選用合適厚度的混凝土,以便在施工和養護過程中能更好地控制混凝土水化熱,避免混凝土因里表溫差過大造成開裂。因此厚度大、水泥含量高的混凝土,除了采取冷水水管養護,還需對澆方量大的混凝土進行分層分塊,削減混凝土絕熱升溫,降低里表溫差。

3.2 澆筑厚度與最大溫升的關系

從圖7和圖8可以看出,混凝土通冷卻水比不通冷卻水,其溫度峰值明顯降低,說明冷卻水能夠有效削減混凝土溫度峰值和控制水化熱發展。且混凝土在不通冷水與通冷卻水情況下,溫度沿著厚度變化也會存在差異,如不通冷卻水一次澆筑厚度為6～7 m時,才會接近臨界點溫峰值,這時溫度為68.72 ℃;而通冷水情況下,一次澆筑厚度達到 4～5 m時,接近溫峰值52.68 ℃,相比不通冷卻水,混凝土溫度峰值下降了16.04 ℃左右,且達到相同溫度峰值,通冷卻水比不通冷卻水的澆筑厚度下降2 m左右。

圖7 無冷卻水情況下各層溫升曲線圖

圖8 通冷卻水情況下各層溫升曲線圖

4 結語

本文在國內外研究基礎上,以巫山桂花大橋重力式錨塊結構為研究對象,仿真分析錨塊大體積混凝土分層分塊溫度場應力場,總結不同厚度混凝土結構溫度場的變化規律,以及分析澆筑厚度與最大溫升的關系,為了避免大體積混凝土水化熱不容易控制,提出了對于厚度大、水泥含量高的混凝土,除了采取冷水水管養護,還需對澆方量大的混凝土進行分層分塊,以達到削減混凝土絕熱升溫、降低里表溫差目的。