嚴寒區(qū)域大體積混凝土低溫施工溫控研究

李小東LI Xiao-dong

（安徽送變電工程有限公司，合肥 230000）

0 引言

大體積混凝土是一種體積最小不超過1 米，由于水泥基體水化而發(fā)生溫差變形、開裂的大型混凝土。由于水泥水化的作用，將其分為表層裂縫、內部裂縫和貫通裂縫三種類型。但因其熱導率低，且截面較大，導致其在水化反應中散發(fā)的熱量較多，難以經表層對流散熱，內部溫差逐步增加，導致內部溫度拉伸應力持續(xù)增加，當其超過其最大抗拉強度時就會出現(xiàn)表層裂紋。在寒冷條件下，大面積澆筑混凝土不但會加大其內外表面溫度，還會加速其冷卻速度，從而加劇其產生內、外裂紋及貫通裂紋的危險。如果控制不好則會導致混凝土耐久性下降，進而對其力學行為產生不利影響。為此，開展寒冷地區(qū)大體積混凝土的溫度控制與控制方法研究是一項十分必要的工作。目前，對于大體積混凝土在較低溫度條件下的溫度控制，已有較多的理論與技術積累。但其形成原因很多，如水泥水化熱、澆筑溫度、環(huán)境溫度和保溫措施等，都會對其產生很大的影響，因此，對于特定的工程還需要進行深入的研究和分析，從而制定出最優(yōu)的溫度控制措施。

1 水化熱控制

1.1 絕熱升溫

水泥水化熱是影響大體積混凝土溫度應力場的重要原因，其水化后的熱能在混凝土中不斷累積，導致其溫升迅速增加，從而有效地防止其開裂。黑龍江省佳木斯松花江大橋主墩零號塊的設計強度為C55，按照GB50496-2018《大體積混凝土施工規(guī)范》中規(guī)定的方法，對3 種水泥摻量的混合比例進行熱力學分析，得出各種混合比例下的保溫溫度增值（詳見表1）。研究表明，水泥基材料摻量越多，其溫度增值越高，到達最高溫度的速度越快[1]。

1.2 混凝土強度發(fā)展

由溫差引起的內部膨脹與收縮，內外限制使得內部應力得不到有效釋放，從而在表層形成了拉伸應力。根據(jù)GB/T50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》對C55 混凝土進行強度測試，獲得3 天、7 天、14 天、28 天、56天的抗壓強度，以及相應的拉伸強度和彈性模量，得到相應的數(shù)據(jù)。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得出不同齡期的混凝土在不同齡期下的不同應力狀態(tài)下的力學性能。

從表2 可以看出，在60 天齡期，其最大抗壓強度和最大抗拉強度分別達到61.5MPa 和4.39MPa，而早期的最大抗壓強度是很低的。從圖1 可以看出，在60 天齡期，其彈性模數(shù)是由大至小變化的，最高達35600MPa[2]。而混凝土的抗拉強度是決定其斷裂的關鍵因素，而其彈模又與其熱膨脹引起的溫度應力有關，因此，早期的混凝土因其自身的強度不足，難以消除對其造成的不利影響。在工程準備期進行混凝土的機械特性測試，可以為大體積混凝土的熱力計算與模擬研究，獲得更符合工程需要的溫度應力場，從而獲得相應的控制溫度。

圖1 混凝土彈性模量時程曲線

表2 C55 混凝土力學性能測試結果

1.3 入模溫度

通過對5℃，10℃，15℃，20℃4 種澆注溫度下的保溫升溫和熱導率的變化規(guī)律，得到不同澆注溫度下的保溫效果。根據(jù)表3 可以看出，澆注溫度對混凝土的最高溫升影響不大，但對其熱導率有很大的作用，因此，澆注溫度對其升溫速度有很大的影響[3]。GB50496-2018 規(guī)定，澆注溫度應在5-30℃之間，但由于冬天的澆注溫度過高，因此應將澆注溫度控制在5℃以下。

表3 不同入模溫度下混凝土絕熱溫升值及導熱系數(shù)

2 無保溫措施熱力耦合分析

2.1 網格剖分、邊界條件及荷載

零號塊為上段20 米，下段16 米，高7 米，厚度3 米，分層進行澆注。在考慮大氣對流作用、底部約束作用、溫度荷載和重力荷載作用的基礎上，將結構劃分為3360 個單元、4305 個節(jié)點（如表4）。

表4 混凝土熱工參數(shù)

2.2 溫度場分析

通過對零號段混凝土在72 小時內的混凝土進行模擬計算，得出混凝土在72 小時內的最大溫差。零號塊內部的高溫高達最高值，由于空氣對流作用，表層熱能急劇下降，產生了明顯的溫差。結果顯示，在砼澆筑初期，由于水泥水化的作用，其釋放出的熱能要比向表層傳遞的熱能多，并在其內部逐步累積。通過模擬計算，得出混凝土結構中各個階段的最高、最低處的溫度，并給出相應的溫度歷程。

從圖2 以看出，在澆注完以后，其內部的溫度呈現(xiàn)出快速上升和緩慢下降的趨勢。零號區(qū)塊的混凝土在72 小時內的最大溫 升速度分別為62.95°C、19.26°C/d 和41.65°C/d；低溫期的溫度變化幅度分別為-2.14℃/天和-5.19℃/天；混凝土表面溫度90 小時內最大值為66.76℃；雖然溫度沒有超出規(guī)定的50 度，但是其冷卻速度、內表面的溫度差已經遠遠超出設計的規(guī)定[4]。

圖2 零號塊無保溫措施內表溫度時程曲線

2.3 應力場分析

通過對應力場的解析，得到最大時間內的應力分布曲線，零件中的亮紅部分受拉，而藍光部分受壓。韓國的混凝土規(guī)程采用拉伸強度對溫度應力的比值，也就是開裂率來表示裂紋的存在與否。在裂紋比超過1.5 的情況下無裂紋產生；當裂隙比為1.2~1.5 時可防止裂隙的產生；當裂隙率為0.7-1.2 時，可防止不利裂紋的產生。以混凝土的最大內溫和最大外應力作為參考點，并給出了相應的裂紋率時間歷程圖（如圖3、圖4）。

圖3 零號塊無保溫措施應力時程曲線

圖4 零號塊無保溫措施裂縫比率時程曲線

從圖3 和圖4 可以看出，零號塊的表面在混凝土的強度和彈性模數(shù)的變化中始終受到拉伸；早期的混凝土是受壓的，但隨著氣溫的下降，其受拉的程度也隨之增加。在砼澆筑60 小時內，砼的最大抗拉強度達6.01MPa，遠遠超過砼的容許抗拉強度。當混凝土在500 小時以后，混凝土中的拉伸強度不斷增加，最高達6.93MPa，遠遠超過混凝土的容許抗拉強度[5]。

3 保溫措施后熱力耦合分析

為了改善空心磚的抗裂性能，應采用適當?shù)母魺岱椒ǎ赏饨鐪囟韧蝗蛔兓鸬臏夭睿瑥亩_到設計要求。根據(jù)GB50496-2018，熱導率為0.05W/（m·K），通過1000 小時模擬比較，檢驗所采用的隔熱方法的可行性。

3.1 溫度場分析

由內溫差的最高值及表層點畫出采用隔熱處理后的零點的內表溫度歷程。從圖5 可以看出，在澆注完以后其內部的溫度呈現(xiàn)出快速上升和緩慢下降的趨勢；試驗結果表明，混凝土表面溫度低于設計值50 度，冷卻速度及內表面溫度均在設計范圍之內。

3.2 應力場分析

在此基礎上，用最大的內溫和最大的面應力分別畫出零號段采用隔熱處理前后的應力時域圖，并給出相應的裂紋率時間歷程。從圖6 和圖7 可以看出，在砼灌注72 小時內，砼的最大抗拉強度是1.49MPa，遠遠低于容許抗拉強度；在48 小時內，混凝土的最大開裂率為1.72，在混凝土比超過1.5 的情況下，基本不會產生開裂。

圖6 零號塊采取保溫措施后應力時程曲線

圖7 零號塊采取保溫措施后裂縫比率時程曲線

3.3 保溫措施對比分析

圖8 是采用隔熱處理前、后零號塊混凝土柱內溫最高值的比較曲線。從圖8 可以看出，采用隔熱處理后的最高溫升比沒有隔熱的高1.15℃，出現(xiàn)的持續(xù)時間延遲8 小時，上升過程中的平均上升速度下降3.50℃/天，最高上升速度增加0.04℃/天，下降速度下降1.33℃/天，最高上升速度增加4.32℃/天[6]。

圖8 零號塊溫度時程對比

大體積混凝土的澆筑時間都是在溫度最低的時候進行的，通過對其進行溫度調控、采用各種保溫技術等，可以有效地防止內部和外部溫差過大，減緩溫度下降速率，防止溫度裂紋的產生。