嚴(yán)寒地區(qū)大體積混凝土低溫施工溫控研究

引言大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土[1]。由水泥水化產(chǎn)生的溫度裂縫主要分為表面裂縫、內(nèi)部裂縫和貫穿裂縫。由于混凝土導(dǎo)熱差以及構(gòu)件斷面尺寸大，水泥水化過程中釋放大量熱，很難通過表面對流散失，里表溫差逐漸加大，致使溫度拉應(yīng)力不斷增大，一旦超出混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生表面裂縫。低溫環(huán)境下進(jìn)行大體積混凝土施工不僅增大了構(gòu)件里表溫差，而且加快了混凝土的降溫速率，增加了內(nèi)部裂縫和貫穿裂縫出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。若采取溫控措施不當(dāng)，造成混凝土耐久性能降低，更甚影響結(jié)構(gòu)的受力特性。因此，嚴(yán)寒區(qū)域大體積混凝土低溫施工溫控防裂技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1933年美國在建造胡佛壩時(shí)，率先針對大體積混凝土溫控防裂措施做了系統(tǒng)研究。美國加州大學(xué)Wilson·E·L教授[2]首次提出了針對大體積混凝土的溫度場及應(yīng)力場分析的有限元方法，并將其用于Workshak的工程實(shí)踐。20世紀(jì)50年代，朱伯芳[3]對溫度應(yīng)力和溫度控制進(jìn)行了詳細(xì)分析，詳述了相應(yīng)的水化熱計(jì)算方法和諸多影響因素，同時(shí)提出了冬季施工的溫控措施。吳士祥[4]介紹了哈爾濱繞城高速公路西段松花江大橋主塔基礎(chǔ)大體積混凝土冬季施工防止溫度裂縫具體措施，并取得了良好的效果。唐明敏等[5]通過對零、壹號(hào)塊溫度應(yīng)力場仿真分析和現(xiàn)場監(jiān)測溫度的方式，明顯降低了混凝土溫度，得到了良好的工程實(shí)際應(yīng)用效果。金毅勐等[6]詳述了我國嚴(yán)寒地區(qū)在低溫環(huán)境下大體積混凝土施工的具體措施，并驗(yàn)證了優(yōu)化澆筑方法、新型養(yǎng)護(hù)材料等施工措施的應(yīng)用效果。孟慶榮等[7]為保證大體積混凝土在極端氣溫下施工，采用了蓄熱法和暖棚法施工養(yǎng)護(hù)措施，溫控效果達(dá)到預(yù)期。王煒正等[8]進(jìn)行了現(xiàn)場冬施縮尺物理模型試驗(yàn)，對有限元溫度場分析的可行性和指標(biāo)選擇的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，提出冬季施工大體積混凝土墩臺(tái)最佳施工控制技術(shù)。葉明焦等[9]通過設(shè)計(jì)抗凍混凝土配合比、控制澆筑速度，有效防止了混凝土裂縫的出現(xiàn)。傅寶華[10]對零號(hào)塊混凝土水化熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出了構(gòu)件內(nèi)部溫度場的分布規(guī)律。金書成等[11]通過模擬冬季施工外部環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力場，提出了控溫標(biāo)準(zhǔn)及施工建議。嚴(yán)小衛(wèi)等[12]在室外環(huán)境溫度-20～-5℃的條件下，采用不同保溫措施進(jìn)行了縮尺混凝土養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)，并給出了適用于極低溫條件的混凝土保溫措施。朱國軍等[13]通過對長江大橋承臺(tái)混凝土的溫度應(yīng)力場有限元模擬，現(xiàn)場采取骨料保溫、拌合水加熱、冷卻水管、保溫保濕養(yǎng)護(hù)、溫度場監(jiān)測的技術(shù)手段，控制混凝土內(nèi)外溫度差，達(dá)到了預(yù)期的溫控效果。隨著國內(nèi)外對低溫環(huán)境下大體積混凝土溫控措施研究的不斷深入，形成了廣泛理論和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。然而，造成大體積混凝土的因素眾多，低溫施工中水泥水化熱、入模溫度、環(huán)境溫度、保溫措施等均影響較大，針對具體工程仍需研究分析，確定最佳溫控防裂施工方案。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文以黑龍江省佳木斯松花江某特大橋主墩零號(hào)塊為研究對象，對其擬在冬季施工的溫度應(yīng)力場進(jìn)行有限元仿真模擬，探索嚴(yán)寒地區(qū)冬季施工大體積混凝土溫度應(yīng)力場發(fā)展規(guī)律和溫控防裂技術(shù)，為同類型工程施工提供借鑒。1、水化熱控制

1.1絕熱溫升水泥水化熱是大體積混凝土的溫度應(yīng)力場主要影響因素，水化產(chǎn)生的熱量聚集在混凝土內(nèi)部，溫度急劇增大，因此抑制絕熱溫升值就是控制溫度裂縫的關(guān)鍵。黑龍江省佳木斯松花江某特大橋主墩零號(hào)塊設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C55，參照GB50496—2018《大體積混凝土施工規(guī)范》，分別對相同水膠比不同膠凝材料用量的3組配合比進(jìn)行大體積混凝土熱工計(jì)算，得到不同配合比的混凝土絕熱溫升值，見表1，并繪制不同膠凝材料用量的混凝土溫升曲線，如圖1所示。由結(jié)果可知，隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的溫升值增大，達(dá)到溫升峰值的速率也隨之增大。表1

C55混凝土配合比及絕熱溫升值圖1

不同膠凝材料用量混凝土的溫升曲線1.2混凝土強(qiáng)度發(fā)展造成溫度裂縫的直接原因是溫度梯度導(dǎo)致內(nèi)脹外縮，自身和外部約束致使應(yīng)力無法釋放，在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力集中。為找到不同齡期的混凝土力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律，按照GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行C55混凝土力學(xué)試驗(yàn)，得到3d、7d、14d、28d、56d齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量，結(jié)果見表2。采用數(shù)值擬合方法計(jì)算細(xì)化齡期的混凝土強(qiáng)度和彈性模量，并繪制強(qiáng)度和彈性模量時(shí)程曲線，如圖2、圖3所示。表2

C55混凝土力學(xué)性能測試結(jié)果MPa圖2

混凝土強(qiáng)度發(fā)展時(shí)程曲線圖3

混凝土彈性模量時(shí)程曲線由圖2可知，混凝土強(qiáng)度在早齡期時(shí)較小，隨齡期的增加而增大，60d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度最大為61.5MPa，抗拉強(qiáng)度最大為4.39MPa。由圖3可知，混凝土彈性模量隨著齡期由小到大緩慢增長，60d齡期時(shí)最大為35600MPa。由于抗拉強(qiáng)度直接影響混凝土開裂臨界，彈性模量關(guān)系到混凝土熱膨脹產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大小，前期混凝土強(qiáng)度較低，很難抵消溫度應(yīng)力產(chǎn)生有害裂縫。施工籌備階段的混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)，可為大體積混凝土熱工計(jì)算和仿真分析提供較實(shí)際的溫度應(yīng)力場計(jì)算參數(shù)，進(jìn)而得到合理的溫控指標(biāo)。

1.3入模溫度為研究入模溫度對混凝土溫升的影響程度，分別對5℃、10℃、15℃、20℃共4個(gè)入模溫度的混凝土絕熱溫升及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。表3

不同入模溫度下混凝土絕熱溫升值及導(dǎo)熱系數(shù)由表3可知，入模溫度對混凝土溫升峰值影響較小，對混凝土導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，從而決定溫升速率的快慢。分析原因，入模溫度過高，水化速率加快，大量熱不易散失，引起里表溫差過大；入模溫度越低，越推遲溫升峰值的出現(xiàn)時(shí)間，更有利于大體積混凝土的溫度場控制。GB50496—2018中要求入模溫度宜控制在5~30℃，同時(shí)考慮冬季施工調(diào)高混凝土入模溫度成本較大，建議控制入模溫度為5℃。1.4保溫措施保溫養(yǎng)護(hù)措施可降低混凝土前期里表溫差和后期降溫速率，保溫養(yǎng)護(hù)不當(dāng)會(huì)引起表面裂縫，同時(shí)混凝土降溫階段溫度殘余應(yīng)力過大會(huì)造成內(nèi)部裂縫，內(nèi)外裂縫發(fā)展導(dǎo)致裂縫貫穿，嚴(yán)重危害混凝土的耐久性和強(qiáng)度。混凝土冬施采用蓄熱養(yǎng)護(hù)，施工現(xiàn)場做好阻擋冷氣流圍擋，澆筑過程中邊打邊覆蓋，防止新澆混凝土被冷擊。澆筑完畢，及時(shí)做好保溫處理，達(dá)到規(guī)定拆模強(qiáng)度時(shí)，立即用塑料薄膜封閉，覆蓋保溫材料，做到邊拆邊覆蓋。同時(shí)監(jiān)測混凝土里表及環(huán)境溫度，隨時(shí)調(diào)整保溫措施，直至結(jié)構(gòu)里表及保溫層內(nèi)外溫差均在20℃以內(nèi)，方可結(jié)束養(yǎng)護(hù)。2、無保溫措施熱力耦合分析

佳木斯地處我國嚴(yán)寒地區(qū)，多年平均氣溫2.9℃，最熱月份是6～8月，平均氣溫為26.0℃；最冷月份是1月份，平均氣溫為-27.2℃。本工程零號(hào)塊澆筑預(yù)計(jì)最晚11月份，該時(shí)段環(huán)境溫度日均最低氣溫-22℃。為應(yīng)對寒冷地區(qū)突發(fā)的溫度急劇下降，對大體積混凝土的冷擊帶來的內(nèi)表溫差和溫降速率過大造成的溫度裂縫危險(xiǎn)，對該工程零號(hào)塊采用Midas/FEA分析有限元模型，分析零號(hào)塊在水化熱的作用下1000h內(nèi)升溫以及拉應(yīng)力情況，評(píng)估零號(hào)塊的抗裂性。

2.1網(wǎng)格剖分、邊界條件及荷載零號(hào)塊為上部長20m，下部長16m，高7m，厚3m的鋼筋混凝土T型構(gòu)件，一次性分層澆筑，混凝土熱工參數(shù)見表4。計(jì)算時(shí)考慮大氣對流、底部約束、溫度荷載及自重荷載，共劃分網(wǎng)格3360個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)4305個(gè)。表4

混凝土熱工參數(shù)2.2溫度場分析經(jīng)分析，零號(hào)塊澆筑72h后溫度最高，導(dǎo)出溫度場如圖4、圖5所示。溫升峰值出現(xiàn)在零號(hào)塊中心處，表面熱量通過大氣對流迅速降低，形成鮮明的溫度梯度。表明混凝土澆筑前期，水泥水化產(chǎn)生大量的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土傳到表面對流散失量，在內(nèi)部逐漸積累。通過仿真分析得到內(nèi)部最高點(diǎn)和表面點(diǎn)各齡期溫度值，并繪制溫度時(shí)程曲線如圖6所示。圖4

零號(hào)塊無保溫措施72h溫度云圖圖5

零號(hào)塊無保溫措施72h溫度場剖面圖圖6

零號(hào)塊無保溫措施內(nèi)表溫度時(shí)程曲線由圖6可知，混凝土澆筑后，溫度呈迅速上升、緩慢降低的變化規(guī)律。在零號(hào)塊澆筑72h時(shí)內(nèi)部溫度最高為62.95℃，升溫階段平均速率為19.26℃/d，最大速率為41.65℃/d；降溫階段平均速率為-2.14℃/d，最大速率為-5.19℃/d；澆筑90h里表溫差最大66.76℃。雖溫升未超過規(guī)范要求的50℃，降溫速率和里表溫差已遠(yuǎn)超規(guī)范要求。

2.3應(yīng)力場分析經(jīng)應(yīng)力場分析，導(dǎo)出溫度應(yīng)力最大時(shí)段應(yīng)力場如圖7、圖8所示，可看出構(gòu)件紅色鮮艷區(qū)域受拉，藍(lán)色區(qū)域受壓。韓國混凝土規(guī)范中使用抗拉強(qiáng)度與發(fā)生的溫度應(yīng)力之比，即裂縫比率表征是否出現(xiàn)裂縫。裂縫比率大于1.5時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)裂縫；裂縫比率在1.2~1.5時(shí)，防范裂縫出現(xiàn)；裂縫比率在0.7~1.2時(shí)，防范有害裂縫出現(xiàn)。以內(nèi)部溫度最高點(diǎn)和表面應(yīng)力最大點(diǎn)為考點(diǎn)，繪制應(yīng)力時(shí)程曲線如圖9所示，裂縫比率時(shí)程曲線如圖10所示。圖7

零號(hào)塊無保溫措施60h應(yīng)力云圖圖8

零號(hào)塊無保溫措施60h應(yīng)力場剖面圖圖9

零號(hào)塊無保溫措施應(yīng)力時(shí)程曲線圖10

零號(hào)塊無保溫措施裂縫比率時(shí)程曲線由圖9、圖10可知，隨著混凝土強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展，零號(hào)塊表面一直處于受拉狀態(tài)；混凝土內(nèi)部前期處于受壓狀態(tài)，隨著溫度降低逐漸受拉。混凝土澆筑后，混凝土表面7h開始裂縫比率小于1，最小為0.36，表明澆筑前期里表溫差急劇增大，致使表面拉應(yīng)力迅速提高；500h混凝土內(nèi)部裂縫比率開始小于1，最小為0.60，可知混凝土內(nèi)部降溫過快，混凝土開始收縮，受外部約束作用使其內(nèi)部受拉，拉應(yīng)力超過自身允許拉應(yīng)力。混凝土澆筑完成后60h，表面拉應(yīng)力最大為6.01MPa，遠(yuǎn)大于允許拉應(yīng)力，此時(shí)表面紅色最易出現(xiàn)表面裂縫；澆筑500h后，拉應(yīng)力逐漸增大，最大為6.93MPa，遠(yuǎn)大于允許拉應(yīng)力，內(nèi)部裂縫開始出現(xiàn)，繼續(xù)發(fā)展產(chǎn)生貫穿裂縫。3、保溫措施后熱力耦合分析

為提高零號(hào)塊抗裂性，采取合理的保溫措施可以有效避免環(huán)境溫度突變造成的影響，使其溫度控制在合理范圍內(nèi)。在混凝土表面加設(shè)一布一膜土工布和兩層棉被，參照GB50496—2018，導(dǎo)熱系數(shù)取0.05W/（m·K），進(jìn)行1000h仿真分析對比，驗(yàn)證所采取保溫措施的可行性。

3.1溫度場分析通過內(nèi)部溫度最高點(diǎn)和表面點(diǎn)繪制零號(hào)塊采取保溫措施后內(nèi)表溫度時(shí)程曲線如圖11所示。由圖11可知，混凝土澆筑后，溫度呈迅速上升、緩慢降低的變化規(guī)律；在零號(hào)塊澆筑90h時(shí)內(nèi)部溫度最高為64.10℃，升溫階段平均速率為15.76℃/d，最大速率為41.69℃/d，降溫階段平均速率為-0.81℃/d，最大速率為-0.87℃/d；澆筑72h時(shí)表面溫度最高為55.34℃，升溫階段平均速率為16.78℃/d，最大速率為36.88℃/d，降溫階段平均速率為-0.91℃/d，最大速率為-1.39℃/d；澆筑500h里表溫差最大15.65℃。溫升未超過規(guī)范要求的50℃，且降溫速率和里表溫差符合規(guī)范要求。圖11

零號(hào)塊采取保溫措施后內(nèi)表溫度時(shí)程曲線3.2應(yīng)力場分析通過內(nèi)部溫度最高點(diǎn)和表面應(yīng)力最大點(diǎn)繪制零號(hào)塊采取保溫措施后應(yīng)力時(shí)程曲線如圖12所示，并計(jì)算裂縫比率時(shí)程曲線如圖13所示。圖12

零號(hào)塊采取保溫措施后應(yīng)力時(shí)程曲線圖13

零號(hào)塊采取保溫措施后裂縫比率時(shí)程曲線由圖12、圖13可知，混凝土澆筑后，72h時(shí)混凝土表面拉應(yīng)力最大，此時(shí)拉應(yīng)力為1.49MPa，始終小于允許拉應(yīng)力；澆筑48h時(shí)表面應(yīng)力最大點(diǎn)裂縫比率最小，為1.72，滿足裂縫比率大于1.5時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)裂縫；澆筑120h時(shí)內(nèi)部拉應(yīng)力最大，為0.90MPa，遠(yuǎn)小于允許拉應(yīng)力；澆筑1000h后裂縫比率達(dá)到最小10.33，滿足裂縫比率大于1.5時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)裂縫。由此可知，采取保溫措施后零號(hào)塊混凝土不會(huì)出現(xiàn)裂縫。

3.3保溫措施對比分析圖14為零號(hào)塊混凝土柱在采取保溫措施前后混凝土內(nèi)部溫度最高點(diǎn)的對比圖。由圖14可知，相較于無保溫措施混凝土溫度峰值，采取保溫措施后增長了1.15℃，發(fā)生時(shí)間推遲8h，升溫階段平均升溫速率降低3.50℃/d，最大速率增大0.04℃/d，降溫階段平均升溫速率降低1.33℃/d，最大速率增大4.32℃/d。圖14

零號(hào)塊溫度時(shí)程對比圖15為零號(hào)塊混凝土柱在采取保溫措施前后混凝土內(nèi)部溫度峰值點(diǎn)和表面應(yīng)力最大點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線。由圖15可知，采取保溫措施后表面最大應(yīng)力由6.01MPa降至1.49MPa，裂縫比率由0.36增大到1.72；內(nèi)部最大應(yīng)力由6.93MPa降至0.90MPa，裂縫比率由0.60增大到10.33。由此可知，合理的保溫措施在混凝土構(gòu)件冬季施工的溫度控制方面效果顯著有效，可增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的抗裂性能。圖15

零號(hào)塊應(yīng)力時(shí)程對比結(jié)論

（1）低溫環(huán)境下大體積混凝土施工時(shí)，產(chǎn)生的溫度梯度更大。主要是由于大體積混凝土因其結(jié)構(gòu)斷面尺寸大、導(dǎo)熱性能差，構(gòu)件內(nèi)部水泥水化產(chǎn)生的熱量不易傳導(dǎo)散失，溫度升高；表面溫度受環(huán)境直接影響，熱量散失快，溫度低。通過優(yōu)選原材料、優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)等措施降低水化熱引起的內(nèi)部溫升峰值大小，可以達(dá)到控制里表溫差的效果。（2）低溫施工中，入模溫度對混凝土的強(qiáng)度發(fā)展和水化速率的影響較明顯，溫度過低不利強(qiáng)度發(fā)育，溫度過高混凝土溫升控制難度大。可通過控制原材料溫度、混凝土出機(jī)溫度以及運(yùn)輸、澆筑過程中的保溫措施等，確保入模溫度