對于混凝土的溫度性能分析

大體積混凝土溫度場分析聶鳳玲（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學院）摘要：本文以某大廈筏基為背景，利用大型通用有限元軟件ANSYS對其分層澆筑施工過程溫度變化進行模擬，得到溫度變化曲線；針對該實際工程提出了一些降低大體積混凝土內(nèi)部溫度的措施，在實際工程中取得了較好的效果關(guān)鍵詞：大體積混凝土、溫度裂縫、措施隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，各種大型建筑的頻繁建設(shè)不斷涌現(xiàn)，如大型橋梁、大型水壩等，給人們的日常生活帶來了許多方便，因此，這些大型建筑建設(shè)質(zhì)量的優(yōu)劣就顯得相當重要。由于大型建筑的結(jié)構(gòu)特殊，施工技術(shù)難度大，卻較易引發(fā)許多影響使用安全的質(zhì)量隱患，如施工裂縫、受力變形等，特別是大體積混凝土結(jié)構(gòu)物，施工裂縫問題尤為突出。因此，解決大型建筑存在的施工問題成了質(zhì)量控制的當務(wù)之急。下面，讓我們一起來探討大體積混凝土施工裂縫的質(zhì)量控制。何謂大體積混凝土？有關(guān)規(guī)范、學著均作了明確的規(guī)定，基本一致認為：結(jié)構(gòu)物最小斷面尺寸達到80cm以上、由水化熱所引起的混凝土內(nèi)最高溫度與外界環(huán)境氣溫之差超過25P時的混凝土，均稱為大體積混凝土。大體積混凝土較其他一般鋼筋砼相比，有著以下特征：結(jié)構(gòu)較為笨重厚實、施工技術(shù)要求高、混凝土量大等特點。由于其獨特的施工特性，使其在建設(shè)和使用的過程中，均會出現(xiàn)不同程度的施工裂縫，嚴重地影響著工程質(zhì)量的使用。那么，究竟這些施工裂縫是如何產(chǎn)生的？結(jié)合一些工程經(jīng)驗，根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因?qū)Υ篌w積混凝土裂縫的類型作了如下歸類：溫差裂縫、收縮裂縫以及安定性裂縫。其中，溫度裂縫是大體積混凝土結(jié)構(gòu)物中較為普遍的一種，也是最為常見的一種裂縫。筆者以某大廈基礎(chǔ)筏板為背景，利用ANSYS對其澆筑過程混凝土內(nèi)部溫度進行模擬計算，找出大體積混凝土澆筑過程中混凝土內(nèi)部溫度變化規(guī)律。工程背景某建筑物為綜合性建筑，地上35層，地下2層，建筑面積約21000平方米左右，建筑總高度152.30m（室外地坪至機房頂平面），主要使用功能為銀行營業(yè)大廳及辦公用房。本工程采用框剪-鋼混結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑設(shè)計基準期為100年。基礎(chǔ)底板厚2600mm，混凝土強度為C50，抗?jié)B等級為S10，筏基按照分層澆筑。溫度裂縫溫度裂縫其主要產(chǎn)生原因為混凝土在凝結(jié)初期即水化反應(yīng)期間，水泥釋放出大量的水化熱，由于結(jié)構(gòu)本身體積大，累積在內(nèi)部的水化熱不易散發(fā)，致使內(nèi)部溫度在一定的時間內(nèi)不斷上升，而結(jié)構(gòu)表面的熱量則散發(fā)較快，因而造成結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大，在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉應(yīng)力時，便會在結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)溫度裂縫?；炷羶?nèi)部最高溫度是造成混凝土裂縫的關(guān)鍵因素?；炷羶?nèi)部最高絕熱升溫值為:WQ+WQF(1)T=—i~i2~七+5^(1)其中，Q1為水泥的水化熱，Q2為JEA的水化熱，W1為水泥用量，W2為JEA用量，C為混凝土比熱，P為混凝土密度，F(xiàn)A為混合材用量(粉煤灰的摻量)。進一步求得混凝土中心最高溫度［2］為：T=T+Tj(2)其中，Tj為混凝土澆筑時的溫度，取20r，e為不同澆筑厚度、不同齡期時的降溫系數(shù)。為了更好控制混凝土內(nèi)外溫差，需求出混凝土的絕熱升溫曲線?；炷恋慕^熱溫升曲線最好由實驗測定，在缺乏直接測定的資料時，也可根據(jù)水泥水化熱估算。本文中，筆者嘗試了利用實測值對經(jīng)驗公式參數(shù)進行修正，使得理論值與實測結(jié)果更加吻合?；炷两^熱升溫經(jīng)驗公式為：0(T)=Q(T)(W+KF)/Cp(3)式中：W為水泥用量，C為混凝土比熱，P混凝土密度，Q(t)為齡期水泥水化熱，K為折減系數(shù)，對于粉煤灰，可取0.25。水泥的水化熱是依賴于齡期，筆者分別用將水泥水化熱的指數(shù)式和復(fù)合指數(shù)式表達式代入⑵式，獲得兩組理論結(jié)果。在此基礎(chǔ)再根據(jù)現(xiàn)場的混凝土測溫記錄比較哪種方法更符合實際情況。其中指數(shù)式：Q(t)=Q(1-e-mT)(4)0復(fù)合指數(shù)式：Q(t)=Q(1-eaTtb)(5)0其中，Q(t)為在齡期T時積累水化熱，kJ/kg;Q0為t一8時的最終水化熱；T為齡期；m為常數(shù)，隨水泥品種、比表面及澆筑溫度不同而不同，根據(jù)某些實驗資料，常數(shù)m取值范圍在0.3?0.5之間；a、b為常數(shù)，根據(jù)文獻，a=0.36,b=0.74。根據(jù)實驗結(jié)果與經(jīng)驗公式對比可知，經(jīng)驗公式能夠求出混凝土最高積溫值，其中，指數(shù)式與實測結(jié)果更接近。但是經(jīng)驗公式存在的不足是:①沒有考慮實際工程中熱量散失情況。②由于受多種因素影響，目前尚未得到合理參數(shù)，導致溫度的計算峰值比實測結(jié)果有明顯滯后。針對上述不足，在實際工程中需要加強現(xiàn)場溫度監(jiān)控力度，特別注意溫度峰值出現(xiàn)的時間。為了控制混凝土中心與表面的溫差以及混凝土表面與環(huán)境溫度的溫差，需預(yù)測混凝土最高溫升時和各齡期在保溫材料覆蓋下的表面溫度。通常，表面最高溫度計算［5］為：T(T)=T+—(H-h')AT(T)(6)bqH2式中：Tb(T)為齡期t時混凝土的表面溫度；Tq為齡期t時大氣的平均溫度，取20。。；H為混凝土的計算厚度；h為混凝土的實際厚度；h為混凝土的虛厚度；△T(t)為齡期t時，混凝土內(nèi)部最高溫度與外界氣溫之差，京C)=T—Toh'=K?音(7)p式中：K為計算折減系數(shù)，取0.666;入為混凝土的導熱系數(shù)，取2.33;。為混凝土模板及保溫層的傳熱系數(shù)Q1p=b⑻人piq式中：Si為各種保溫材料的厚度(m);入i為各種保溫材料的導熱系數(shù)(W/m?k);Oq為空氣層傳熱系數(shù)，可取23W/m2-k;隨著混凝土齡期的發(fā)展，混凝土中心溫度不斷下降，兩個溫差將進一步減小。有效預(yù)測混凝土內(nèi)部溫度與深度的關(guān)系是建立優(yōu)化混凝土內(nèi)部降溫措施的前提條件，混凝土內(nèi)部溫度與深度關(guān)系計算［5］為：,、4T(T)=T+h~x(H—x)AT(T)(9)計算結(jié)果通過計算，可以得到每天混凝土內(nèi)部每天最高溫度，最后繪制得到的曲線如圖2所示。從圖中可以看出，溫度整體成上升趨勢，而且當混凝土層數(shù)澆筑的越多，上升的趨勢越快；在休息的這兩天溫度上升趨勢較慢。由計算可知，在整個施工過程中，混凝土內(nèi)部的溫度都較高，必須采取相應(yīng)的措施來降低內(nèi)部溫度。溫度變化曲線51015202530時間（天）O'o'ooO50511溫度變化曲線51015202530時間（天）O'o'ooO50511履氏攝依溫宜采用降低水泥用量的方法來降低混凝土內(nèi)部的水化溫度，使混凝土強度在形成初期的結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差的控制難度降低，在保證混凝土設(shè)計強度的情況下，應(yīng)盡可能地降低水泥用量。另外，對于水泥品種，應(yīng)優(yōu)先采用水化熱較低的礦渣水泥，并應(yīng)進行水化熱測定，水泥水化熱測定須按照現(xiàn)行國家行業(yè)標準的有關(guān)方法進行,要求所用水泥在澆筑成型后7天強度的水化熱不大于250tO/kg。對于粗骨料，宜采用改善的骨料級配，夏天溫度較高進行施工時，在拌制混凝土前宜澆水將碎石濕潤冷卻，以降低混凝土的澆筑溫度。在混凝土拌制過程中，摻加一定類型的外加劑，改善混凝土施工性能，可提高抗裂性能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時對配筋進行優(yōu)化在鋼筋混凝土中，在混凝土澆筑時，內(nèi)部過高的水化溫度，往往在混凝土內(nèi)部會產(chǎn)起較大的拉應(yīng)力。有時溫度應(yīng)力可超過其他外荷載所引起的應(yīng)力，根據(jù)溫度應(yīng)力變化規(guī)律，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時對結(jié)構(gòu)的配筋應(yīng)予以優(yōu)化。當所配的鋼筋直徑細而密時，對提高混凝土抗裂性有較好的效果。在施工工藝方面進行控制在氣溫較高澆筑混凝土時，應(yīng)嚴格控制分層澆筑厚度,以利用澆筑層面進行散熱。根據(jù)各地氣候、不同施工季節(jié)制定合理的拆模時間，及時對結(jié)構(gòu)表面進行覆蓋保溫避免表面發(fā)生急劇的溫度梯度，特別是施工中長期暴露的混凝土表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在寒冷季節(jié)應(yīng)采取保溫措施，防止表面裂縫。合理地對結(jié)構(gòu)進行分縫分塊；避免基礎(chǔ)過大起伏。結(jié)束語大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，由于水泥水化熱引起混凝土澆筑內(nèi)部溫度和溫度應(yīng)力劇烈變化，由此而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是導致混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。本文針對工程實例，對大體積混凝土澆筑時溫度變化進行了模擬計算，利用混凝土絕熱升溫公式準確求得混凝土最高溫度,使用混凝土內(nèi)部溫度與深度關(guān)系公式求得了內(nèi)部各點溫度分布，在此基礎(chǔ)上建立了一套有效的溫控措施,避免裂縫出現(xiàn)，保證了施工質(zhì)量。大體積混凝土澆筑后采取保溫覆蓋潮濕養(yǎng)護,對減小混凝土的內(nèi)外溫差和表面急劇熱擴散防止混凝土因溫差過大引起的溫度收縮應(yīng)力導致出現(xiàn)有害裂縫具有重要作用。同時，由于緩慢降溫，延長養(yǎng)護時間，可充分發(fā)揮混凝土的應(yīng)力松弛效應(yīng)，對提高混凝土的抗拉強度和極限拉伸能力也具有重要意義。參考文獻：朱伯芳.大體積混凝土的溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社,1999.現(xiàn)行建筑施工規(guī)范大全[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1994.邵世明.筏板基礎(chǔ)大體積混凝土溫度控制與現(xiàn)場監(jiān)測[J].淮南職業(yè)技術(shù)學院學報,2005,5(1):21-24.彭立海.大體積混凝土溫控與防裂[M].鄭州：黃河水利出版社,2005.葉琳昌.大體積混凝土施工[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1987.Massconcretetemperaturefieldanalysis

NieFengLing(Gansuconstructsprofessionaltechnicalinstitute,GansuLanzhou730030)Abstract:Thisarticletakesomebuildingraftfoundationasthebackground,uselarge-scalegeneralfiniteelementsoftwareANSYScarriesonthesimulationtoitslaminationconstructionconstructionprocesstemperaturechange,obta