鐵路高墩水化熱溫度場(chǎng)分析

肖吉蘇

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

混凝土工程技術(shù)在不斷取得進(jìn)步的同時(shí)也不可避免地暴露出了一些問(wèn)題，其中現(xiàn)代混凝土的早期體積穩(wěn)定性越來(lái)越差，由此造成的混凝土早期裂縫問(wèn)題成為當(dāng)前工程界亟待解決的問(wèn)題。

混凝土是脆性材料，橋梁工程中常用混凝土(C15～C40)抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的8%～13%。大體積混凝土的斷面尺寸較大，由于水泥的水化熱會(huì)使混凝土內(nèi)部溫度急劇上升;以及在以后的降溫過(guò)程中，在一定的約束條件下會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力?，F(xiàn)鐵路高墩及基礎(chǔ)等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中通常只在表面配置少量鋼筋，或者不配鋼筋。因此，拉應(yīng)力要由混凝土本身來(lái)承擔(dān)。橋梁工程中大體積混凝土產(chǎn)生早期裂縫的主要原因是水泥水化熱的影響。

澆筑的混凝土在硬化過(guò)程中，水泥會(huì)發(fā)生水化熱現(xiàn)象從而產(chǎn)生巨大的熱量。以往的研究表明，大體積混凝土內(nèi)部溫度甚至可以升到70℃左右。鐵路空心高墩屬于典型的大體積混凝土，這種現(xiàn)象極為明顯。由于混凝土體積大，水泥水化產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，混凝土的內(nèi)部溫度將顯著升高，但其表面散熱較快，內(nèi)外便形成了較大的溫差，這種溫差會(huì)造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮程度的不同，混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力而混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。本文通過(guò)對(duì)鐵路空心墩水化熱溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬后得到了其發(fā)展與變化規(guī)律，可以為今后的設(shè)計(jì)與施工提供一些參考。

1 水化熱溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

1.1 工程概況

本試驗(yàn)在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市某大橋橋墩上進(jìn)行，本橋墩身的類(lèi)型為圓端形空心墩。墩身模板采用定型鋼模板，混凝土通過(guò)泵送入模，試驗(yàn)所在橋墩高64 m，在澆筑10 m～12 m節(jié)段時(shí)進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用中國(guó)長(zhǎng)沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的JMZR－2000型自動(dòng)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。溫度測(cè)點(diǎn)采用中國(guó)長(zhǎng)沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的JMT－36B型溫度傳感器和JMZX－215AT型智能弦式應(yīng)變傳感器。

本試驗(yàn)還使用了DSC無(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)。DSC無(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)，利用GPRS的互聯(lián)網(wǎng)功能，通過(guò)約定域名的方式，建立現(xiàn)場(chǎng)上網(wǎng)手機(jī)模塊，與安裝專(zhuān)業(yè)軟件的上網(wǎng)電腦間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)。

1.3 試驗(yàn)方案和過(guò)程

對(duì)空心混凝土橋墩進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，以集成溫度傳感器作為感溫元件，合理布設(shè)測(cè)溫點(diǎn)，實(shí)行溫度連續(xù)監(jiān)測(cè)，同步收集數(shù)據(jù)，全面了解混凝土內(nèi)部溫度分布狀況及溫度梯度變化情況。

測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 空心墩傳感器布置示意圖（單位：mm）

傳感器均布置在向陽(yáng)一側(cè)。

傳感器布置如下:最外層傳感器距離外表面50 mm，由外層至內(nèi)層傳感器間距為100 mm+150 mm+200 mm+200 mm，最內(nèi)層傳感器距離內(nèi)表面50 mm，全截面共計(jì)34個(gè)傳感器。

1.4 溫度數(shù)據(jù)的采集

水化熱溫度從混凝土入模后即進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每隔半小時(shí)采集一組數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)為15 d，以混凝土入模的時(shí)刻為時(shí)間上的0點(diǎn)，則數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間段為0 h～360 h。試驗(yàn)中采集了大量溫度數(shù)據(jù)，對(duì)于本文所討論的水化熱分析，我們最關(guān)注的是該空心墩在水化熱過(guò)程中各時(shí)刻出現(xiàn)的最高溫、最低溫和溫差。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，水化熱過(guò)程中各時(shí)刻的最高溫應(yīng)出現(xiàn)在混凝土中心點(diǎn)處，在本試驗(yàn)中其對(duì)應(yīng)的是距外表面500 mm的一層傳感器，我們讀取該層傳感器數(shù)據(jù)取平均值以代表中心點(diǎn)數(shù)據(jù)。而各時(shí)刻的最低溫則應(yīng)出現(xiàn)在混凝土外表面處，但墩身外表面受大氣溫度影響較大，難以準(zhǔn)確反映水化熱溫度，所以我們將表面點(diǎn)對(duì)應(yīng)為最外層的傳感器，同樣讀取該層數(shù)據(jù)做取平均值處理。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，墩中心點(diǎn)、表面點(diǎn)溫度變化曲線見(jiàn)圖2，溫差變化曲線見(jiàn)圖3。

從圖2可以看出，在水化熱反應(yīng)開(kāi)始的20 h～30 h內(nèi)，無(wú)論是混凝土表面還是中心溫度均急劇升高，表面點(diǎn)在20 h附近處達(dá)到最高值約55℃，中心點(diǎn)在30 h附近處達(dá)到最高值約65℃。在分別達(dá)到溫度峰值后，表面點(diǎn)和中心點(diǎn)開(kāi)始緩慢降溫，兩點(diǎn)均降溫至當(dāng)?shù)貧鉁?0℃時(shí)，距離水化熱反應(yīng)開(kāi)始已過(guò)去了約360 h。在圖中可以發(fā)現(xiàn)，混凝土在水化熱過(guò)程中的升溫較快，但降溫卻經(jīng)歷了一個(gè)緩慢的過(guò)程。兩點(diǎn)溫度的整體走勢(shì)相同，最終趨向于當(dāng)?shù)貧鉁?，但我們可以很明顯的發(fā)現(xiàn)中心點(diǎn)溫度一路向下，而表面點(diǎn)溫度卻在途中出現(xiàn)了反復(fù)。這是由于表面點(diǎn)距墩身外表面很近，受大氣溫度影響較大，當(dāng)白天日照充足時(shí)，表面點(diǎn)會(huì)隨著墩身外表面溫度升高升溫，這種降溫過(guò)程中出現(xiàn)的溫度波動(dòng)呈現(xiàn)出周期性，周期為24 h;中心點(diǎn)距外表面較遠(yuǎn)，由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較小，所以還是在緩慢降溫，這種現(xiàn)象并沒(méi)有出現(xiàn)?；炷了療岬臏囟惹€依賴(lài)于混凝土的齡期。因?yàn)闇囟鹊纳仙^(guò)程很劇烈，但在下降階段卻趨于平緩，因此墩身外表面會(huì)產(chǎn)生參與溫度拉應(yīng)力。這是由于混凝土的彈性模量和松弛系數(shù)都隨齡期而變化。在水化熱初期混凝土溫度急劇升高，混凝土彈性模量和松弛系數(shù)都很小，溫度每升高1℃所產(chǎn)生的約束壓應(yīng)力較小。到了降溫階段，混凝土的彈性模量和松弛系數(shù)都變大，溫度每降低1℃所產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，在抵消了初期升溫階段的壓應(yīng)力之外，還會(huì)在混凝土內(nèi)留下殘余的溫度拉應(yīng)力。這種在墩身外表面產(chǎn)生的殘余溫度應(yīng)力很可能會(huì)引起墩身的早期開(kāi)裂。

表1 水化熱溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 實(shí)測(cè)中心點(diǎn)、表面點(diǎn)溫度變化曲線

圖3 實(shí)測(cè)溫差變化曲線

從圖2還可以看出，在整個(gè)溫度的變化過(guò)程中，中心點(diǎn)均比表面點(diǎn)滯后。正是因?yàn)閮牲c(diǎn)溫度變化時(shí)間差的存在，兩者的最大溫差是不能通過(guò)簡(jiǎn)單地用最高溫度相減來(lái)取得的。在水化熱進(jìn)行到35 h時(shí)中心點(diǎn)和表面點(diǎn)溫差達(dá)到了最高值17℃。如此大的內(nèi)外溫差很可能會(huì)導(dǎo)致墩身早期裂縫的產(chǎn)生。

2 水化熱溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

通過(guò)MIDAS CIVIL的水化熱計(jì)算模塊，按照實(shí)際情況設(shè)置環(huán)境溫度函數(shù)、對(duì)流系數(shù)函數(shù)、固定溫度、熱源函數(shù)等參數(shù)對(duì)該橋墩進(jìn)行數(shù)值模擬，得到墩中心點(diǎn)、表面點(diǎn)溫度。水化熱溫度數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表2，墩中心點(diǎn)、表面點(diǎn)溫度變化曲線見(jiàn)圖4，溫差變化曲線見(jiàn)圖5。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 水化熱溫度數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 數(shù)值模擬中心點(diǎn)、表面點(diǎn)溫度變化曲線

圖5 數(shù)值模擬溫差變化曲線

表3 水化熱溫度數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以看出，MIDAS CIVIL的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較接近，誤差在5%之內(nèi)。數(shù)值模擬各點(diǎn)的最高溫及最大溫差模擬較好，升溫及降溫的趨勢(shì)明顯，走勢(shì)與實(shí)際一致，但表面點(diǎn)受氣溫變化影響的效果與實(shí)測(cè)值稍有偏差，這是由于整個(gè)降溫是一個(gè)比較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程，可以對(duì)實(shí)測(cè)值產(chǎn)生影響的因素有很多，比如混凝土的拌合、澆筑過(guò)程中的各種因素，這些都導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值不一致的出現(xiàn)。但是，影響不一致的主要因素我們已經(jīng)充分的考慮，最關(guān)注的結(jié)果完全滿(mǎn)足工程需要，所以我們可以認(rèn)為數(shù)值模擬的結(jié)果是準(zhǔn)確的。

4 結(jié)語(yǔ)

1)如果要了解某橋墩在施工中的水化熱情況，進(jìn)行實(shí)測(cè)試驗(yàn)是最為穩(wěn)妥的辦法，但實(shí)際工程中不可能對(duì)每一個(gè)橋墩進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)有必要通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行水化熱計(jì)算，通過(guò)本文的對(duì)比結(jié)果可知，對(duì)于常見(jiàn)的鐵路空心高墩進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)進(jìn)行水化熱分析是足夠滿(mǎn)足工程需要的。

2)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，鐵路空心高墩的水化熱現(xiàn)象明顯，中心點(diǎn)最高溫可以達(dá)到65℃左右，中心點(diǎn)與表面點(diǎn)最大溫差約17℃，如果是實(shí)心墩該現(xiàn)象會(huì)更為明顯，應(yīng)該引起足夠的重視。

3)有研究表明，水化熱現(xiàn)象是大體積橋墩出現(xiàn)早期裂縫的主要原因，因此我們可以通過(guò)控制水化熱升溫來(lái)有效防止早期裂縫的產(chǎn)生，有效的措施包括選用低熱水泥、采用最優(yōu)的骨料級(jí)配、冷水拌合等，同時(shí)可以通過(guò)設(shè)置水冷管，加強(qiáng)墩身養(yǎng)護(hù)等手段來(lái)降低內(nèi)外溫差，以達(dá)到防止墩身早期開(kāi)裂的目的。

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