大體積混凝土溫度場(chǎng)分析及控溫措施

1、大體積混凝土溫度場(chǎng)分析及控溫措施重慶華建鐵路工程公司重慶400000摘要：近年來，大體積混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用日漸廣泛。但由于大體積混凝土 結(jié)構(gòu)自身的特性導(dǎo)致其出現(xiàn)裂縫的可能性相對(duì)于普通混凝土結(jié)構(gòu)要大，而混凝土 內(nèi)部溫度場(chǎng)乂是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)牛的重要因素，因此通過對(duì)大體積混凝土溫度場(chǎng)理論 和有限元分析兩方面進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)踐中的溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)值，總結(jié)出大體 積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)及內(nèi)外溫差的變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)提出了可行的控溫措 施，以期為同類型工程的大體積混凝土溫度控制以及裂縫控制值實(shí)踐提供了參考。關(guān)鍵詞：大體積混凝土；控溫措施；溫度場(chǎng)；溫度場(chǎng)理論；有限元分析； 溫度控制1大體積混凝土溫度場(chǎng)及控溫措施的研

2、究意義近年來，應(yīng)用于建筑工程上的大體積混凝土結(jié)構(gòu)越來越多，該類結(jié)構(gòu) 由于產(chǎn)牛的水化熱和混凝土與空氣的熱對(duì)流作用使混凝土內(nèi)部與表面產(chǎn)牛溫差， 形成隨齡期變化的溫度場(chǎng)。大體積混凝土在硬結(jié)過程中，因水泥水化影響下， 其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)牛大量水化熱，導(dǎo)致其內(nèi)部溫度升高。因混凝土本身導(dǎo)熱性較差，且 體積較大，散熱性不足，導(dǎo)致在混凝土內(nèi)部其溫度較高。在溫度影響下，大體 積混凝土內(nèi)部溫度增加出現(xiàn)膨脹，表面溫度較低，其膨脹率較小，則會(huì)在其內(nèi)部 出現(xiàn)壓應(yīng)力，在其表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土表面拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng) 度時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)混凝土裂縫。因此大體積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)及控溫措施的研究 對(duì)于混凝土裂縫控制有著十分重要的意

3、義。2大體積混凝土溫度場(chǎng)理論分析2.1大體積混凝土溫度場(chǎng)大體積混凝土溫度場(chǎng)指的是在某一時(shí)間內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部與表面各點(diǎn) 所表現(xiàn)出的溫度狀態(tài)。在大體積混凝土施工中，因混 凝土內(nèi)部水化熱較大，且 導(dǎo)熱性不足，則容易引起混凝土內(nèi)外溫差較大，導(dǎo)致其溫度裂縫產(chǎn)牛。進(jìn)行混 凝土溫度場(chǎng)研究，需要進(jìn) 行混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算，即求解熱傳導(dǎo)方程。取一微單 元dxdydz作為研究對(duì)象。2.2初始條件及邊界條件在熱傳導(dǎo)方程中，主要表現(xiàn)的是混凝土溫度、吋間與空間三者的關(guān)系， 能夠滿足熱傳導(dǎo)的解是無限的，為此應(yīng)確定其初始條件及邊界條件以確定溫度場(chǎng)。 其中初始條件為在初始階段瞬時(shí)的問題內(nèi)部的溫度分布所呈現(xiàn)的規(guī)律，邊界條件 為混凝

4、土周圍介質(zhì)與混凝土表面之間溫度相互作用所表現(xiàn)的規(guī)律。大體積混凝土 的邊界條件一般屬于第三類邊界條件，即當(dāng)與空氣接觸吋，混凝土表面熱流量 與表面溫度tb和大氣溫度ta之差成正比，w：式中，n為混凝土結(jié)構(gòu)表面法線方向，β為放熱系數(shù)。初始條件為混凝土的入模溫度。2.3混凝土的水化熱q(τ)水泥水化熱q(τ)屬于混凝土齡期的函數(shù)，其表達(dá)公式為：q(τ)=qo(l-e-mτ),式中q(τ)代表的是τ齡期吋混凝土累計(jì)水化熱，τ為齡期，m為常數(shù)，其取得因水泥品種及澆筑溫度不同而不

5、同。2.4絕熱溫升計(jì)算在設(shè)定混凝土結(jié)構(gòu)四周沒有散熱及熱損失的基礎(chǔ)上，其水化熱全部轉(zhuǎn)化 為溫度值，考慮外加劑摻量因素，則有：式中：w代表的是每立方混凝土中的水泥用量，c代表的是混凝土的比 熱，ρ代表的是混凝土密度，k為折減系數(shù)，f為混凝土料用量，q(τ)為 水泥水化熱。2.5混凝土內(nèi)部最高溫度：在進(jìn)行混凝土中心最高溫度tmax計(jì)算時(shí)，可以應(yīng)用如下公式：tmax=t+θmax*ε (τ)式中t代表的是混凝土澆筑時(shí)的溫度，θmax代表的是最高絕緣溫升，ε (&

6、;tau;)代表的是在τ齡期時(shí)混凝土降溫系統(tǒng)。2.6混凝土表面溫度：式中：tb(τ)代表在τ齡期時(shí)混凝土表面溫度，tτ代表的是在 τ齡期i寸人氣溫度，δtτ代表在τ齡期吋混凝土最高溫度與外界 氣溫之間的差值，h為混凝土計(jì)算厚度，h為混凝土實(shí)際澆筑厚度。3溫度場(chǎng)的有限元分析本次仿真分析使用成都市二環(huán)路高架橋橋墩的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析, 分層澆筑的澆筑形狀及實(shí)際溫度測(cè)試的點(diǎn)位分布。本次midas分析選用的單元為1/8體積的澆筑混凝土，長寬高各取1/2, 在對(duì)稱面上取對(duì)

7、稱約束。經(jīng)midas分析后的不同齡期下混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)。midas模擬分析的不同齡期下大體積混凝土中心溫度、表面溫度和內(nèi)外 溫差的溫度值。通過大體積混凝土內(nèi)部溫度測(cè)試所得到的不同齡期下大體積混凝土中 心溫度、表面溫度和內(nèi)外溫差的實(shí)測(cè)值。表實(shí)測(cè)的不同齡期下混凝土各個(gè)位置的溫度各位置溫度(°c)齡期loh3oh60hlooh130h160h200h中心溫度41.248.25251. 24844.3表面溫度34.937.436.533.332.629.9內(nèi)外溫差6.310.815.517.915.414.4由圖表可以得到，大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度在100h時(shí)達(dá)到峰值，表 面溫度在60h時(shí)達(dá)

8、到峰值，其內(nèi)外溫差在130h時(shí)達(dá)到接近20°c的峰值，其內(nèi)外 溫差大于普通混凝土結(jié)構(gòu)。4控溫措施由仿真分析及實(shí)測(cè)值得分析可以得到，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差大 于普通混凝土結(jié)構(gòu)，又由于內(nèi)外溫差是導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的重要因素，因此降 低內(nèi)外溫差是溫度控制的核心。(1) 在能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的條件下，盡量選用低標(biāo)號(hào)的混凝土，以此減少 水泥的用量，降低水化熱，達(dá)到降低內(nèi)外溫差的目的。(2) 條件許可下，可選用低水化熱的礦渣硅酸鹽水泥，同吋為了減少水 泥用量，施工中可加入適量的粉煤灰以改善混凝土和易性、降低內(nèi)部溫度峰值、 減小收縮。(3) 應(yīng)優(yōu)先選用熱膨脹系數(shù)小的粗細(xì)骨料，并注意骨料的連續(xù)級(jí)配(

9、盡量 用粒徑大的骨料)。因?yàn)椴捎眠B續(xù)級(jí)配的骨料，可以提高骨料在混凝土中的所占 體積，既提高了混凝土的密實(shí)性，也可以節(jié)約水泥，同吋降低了水化熱和減少用 水量。而口石塊本身也具有吸收發(fā)熱量的功能，能使水化熱進(jìn)一步降低，同時(shí)混 凝土的收縮和泌水也隨之減少。(4) 在施工過程中，應(yīng)注意盡量避免在低溫季節(jié)施工、降低混凝土的入 模溫度、采用分層澆筑法和預(yù)埋水管通水冷卻，這些措施都能有效地達(dá)到降低內(nèi) 外溫差的目的3。(5) 混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值后，混凝土表面在降溫階段最容易岀現(xiàn)裂 縫，加強(qiáng)表面的保溫醫(yī)熱養(yǎng)護(hù)，可以減緩氣溫驟降的沖擊，減小表面的降溫速度 和溫度梯度，以達(dá)到降低內(nèi)外溫差的目的。5總結(jié)本文通過有限元軟件和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)不同齡期下大體積混凝土的中心溫 度、表面溫度、內(nèi)外溫差進(jìn)行了分析，論證了大體積混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差高于 普通混凝土結(jié)構(gòu)。又通過大體積混凝土溫度場(chǎng)的理論分析，展示了內(nèi)外溫差與水 化熱、絕熱溫升、表面降溫速度和溫度梯度等因素的關(guān)系，提出了以達(dá)到降低水 化熱、降低絕熱溫升、減小表面降溫速度和溫度梯度等目的的控溫措施，以達(dá)到 降低內(nèi)外溫差從而控制大體積混凝土裂縫的目的。參考文獻(xiàn)張衍龍，張