基于Midas的拱座基礎(chǔ)大體積混凝土溫度影響因素分析

王建軍，梁軍林，周勝波，禤煒安(.廣西路橋工程集團有限公司， 廣西 南寧 530007； 2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院；

3.廣西道路材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室； 4.廣西交通科學(xué)研究院有限公司)

大體積混凝土結(jié)構(gòu)廣泛地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，由于施工期間大體積混凝土的水化放熱量多、內(nèi)外溫差大，若不能及時進行散熱和保溫，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力將超過混凝土允許拉應(yīng)力而開裂。為防止大體積混凝土的溫度開裂，采用合理的施工工藝參數(shù)控制大體積混凝土的散熱保溫問題一直是研究熱點。建立溫度預(yù)測模型對混凝土施工工藝參數(shù)進行優(yōu)化是大體積混凝土溫度裂縫施工控制的主要方法，已有工程實踐表明：通過控制混凝土的澆筑溫度、澆筑方式、水管強制冷卻以及外部保溫措施等方式，都能在一定程度上影響大體積混凝土的溫度場分布。但鑒于大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計以及工程所處環(huán)境的差異，該研究通過建立有限元模型計算和大尺度成型試件實測，分析影響大體積混凝土溫度的各項因素，優(yōu)化大體積混凝土施工工藝參數(shù)，為大體積混凝土施工中溫度裂縫的控制提供技術(shù)參考。

1 工程概況

馬灘洪水河大橋位于廣西來賓，是柳南高速公路改擴建工程樁號K1 324+500～K1 343+200合同段內(nèi)一座特大橋，采用推力拱結(jié)構(gòu)，主橋為鋼管混凝土拱橋，引橋為先簡支后連續(xù)的預(yù)制小箱梁橋，拱座分為左、中、右3個，基礎(chǔ)為C30大體積混凝土，總長64.80 m、寬31.014 m，澆筑量為28 135.7 m3。該工程于2016年9月—11月施工，采取一系列技術(shù)措施進行施工工藝參數(shù)優(yōu)化，以確保大體積混凝土施工質(zhì)量。

2 大體積混凝土有限元模型

2.1 混凝土配比及絕熱溫升

根據(jù)設(shè)計要求及試驗研究，該項目C30大體積混凝土確定的基準(zhǔn)混凝土配合比為：水泥∶砂∶碎石∶水∶減水劑∶粉煤灰=225∶769∶1 106∶150∶6.750∶150，如表1所示。

拱座大體積混凝土溫度控制技術(shù)需從材料和施工工藝優(yōu)化兩方面入手，該工程項目為降低水化熱引起的絕對溫升，采用40%粉煤灰等量取代水泥，采用SHR-650II型水泥水化熱測定儀(熱溶解法)檢測膠凝材料不同齡期的水化熱(表1)。

表1 C30混凝土配合比及膠凝材料水化熱檢測結(jié)果

由表1可知：基準(zhǔn)及摻40%粉煤灰配合比最高絕熱溫升分別為56.69、47.61 ℃，摻加粉煤灰可以降低絕熱溫升9.08 ℃，從而有效降低了施工工藝的控制。根據(jù)廣西來賓地區(qū)9—11月份的氣溫，不利最高溫度仍有35 ℃左右。因此，在降低膠凝材料水化熱基礎(chǔ)上，需進一步分析影響大體積混凝土溫度的因素，通過優(yōu)化施工工藝來控制大體積混凝土的有害溫度特征參數(shù)。

2.2 有限元分析方案

根據(jù)初擬施工方案，拱座基礎(chǔ)混凝土采用分層澆筑方式，澆筑層厚度控制在1.5～4 m(如圖1第1～6層為大體積混凝土拱座基礎(chǔ))，均布設(shè)有公稱直徑32 mm的冷卻水管(圖2)控制大體積混凝土溫升峰值，并采取保溫措施控制最大里表溫差。為精確控制大體積混凝土溫度，該研究建立與實際澆筑工程實體尺寸一致的計算模型，拱座基礎(chǔ)尺寸為20 m×31 m×15m，為軸對稱結(jié)構(gòu)，因此取一半結(jié)構(gòu)10 m×31 m×15 m，地基在橫向與豎向均取拱座基礎(chǔ)以外8 m。采用Midas有限元分析軟件對表2方案進行了計算分析。

圖1 大體積混凝土拱座基礎(chǔ)澆筑分層布置(單位：m)

圖2 大體積混凝土拱座基礎(chǔ)冷卻水管布置(單位：cm)

2.3 有限元分析模型及參數(shù)

大體積混凝土內(nèi)部的熱量來源于水化熱，而熱量散失包括與固體界面上的熱傳導(dǎo)、與大氣的對流以及與冷卻水熱交換，相應(yīng)的計算模型見式(1)、(2)：

表2 大體積混凝土Midas數(shù)值模擬方案

導(dǎo)熱方程:

(1)

(2)

式中：W為水泥用量(kg/m3)；Q1為單位體積單位時間內(nèi)放出的熱量[kJ/(m3·h)]；q為單位質(zhì)量水泥在單位時間內(nèi)放出的水化熱[kJ/(kg·h)]；c為比熱[kJ/(kg·℃)]；ρ為密度(kg/m3)；T為溫度(℃)；τ為時間(h)；θ為絕熱溫升(℃)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)[kJ/(m·h·℃)]；a為導(dǎo)溫系數(shù)(m2/h)。

熱源函數(shù)及所處大氣環(huán)境下的對流放熱系數(shù)，見式(3)、(4)：

熱源函數(shù)：

(3)

對流放熱系數(shù)：

β=3.6(10.788+1.874v)

(4)

式中：T(t)為齡期t的絕熱溫升(℃)；Q為膠凝材料水化熱總量(kJ/kg)；m為與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)(d-1)；β為表面放熱系數(shù)(對流系數(shù))[kJ/(m2·h·℃)]；v為風(fēng)速(m/s)。

根據(jù)該項目所采用的混凝土配合比參數(shù)，Midas有限元分析所采用的熱源函數(shù)為：

T(t)=46.44(1-e-mt)

統(tǒng)計資料顯示，項目所處來賓馬灘紅水河位置的平均風(fēng)速為2.4 m/s，則表面對流系數(shù)為55.028 kJ/(m2·h·℃)。設(shè)置保護層時，混凝土外表面經(jīng)保溫層與空氣發(fā)生熱對流交換，環(huán)境溫度為實測，保溫板等效放熱系數(shù)βs=7.734 kJ/(m2·h·℃)。

該項目大體積混凝土拱座基礎(chǔ)溫度場計算邊界條件為第三類邊界條件(包括混凝土外表面與空氣接觸，冷卻管與水接觸)和第四類邊界條件(包括混凝土與地基或不同澆筑層混凝土接觸面，混凝土與冷卻管熱傳導(dǎo))。有限元分析的參數(shù)取值如表3所示。

表3 有限元分析相關(guān)參數(shù)取值

3 澆筑工藝參數(shù)對大體積混凝土溫度的影響分析

3.1 澆筑方式的影響分析

在大體積混凝土分層澆筑工藝中，對分層間歇和分層連續(xù)兩種澆筑方式進行了模擬計算，不同澆筑方式溫度特征參數(shù)如表4所示。

在澆筑溫度、保溫措施、冷卻管布置方式相同的條件下，采用分層連續(xù)澆筑比分層間歇澆筑的混凝土內(nèi)部溫升峰值高1.25 ℃、最大里表溫差高4.81 ℃、溫降速率小0.18 ℃/d，但總體相差不大。技術(shù)措施相同時，分層間歇澆筑方式更有利于大體積混凝土溫度的控制，但從混凝土結(jié)構(gòu)整體性分析，由于分層間歇澆筑不同層之間間隔時間長，混凝土已硬化，盡管下一層界面上進行清除表面松弱層、設(shè)置剪力槽與錨固鋼筋等措施，但結(jié)構(gòu)的整體性與連續(xù)性程度必然下降。而在控制好分層連續(xù)澆筑時間間隔條件下，將下一層澆筑時間控制在上一層初凝前完成，將會更有利于混凝土的整體性與連續(xù)性。

表4 不同澆筑方式的溫度特征參數(shù)對比

3.2 冷卻管間距的影響分析

布置冷卻水管是降低大體積混凝土溫升峰值、改善溫度分布的有效措施，該研究分別針對分層間歇和分層連續(xù)兩種澆筑方式不同冷卻管間距的混凝土溫度分布進行了計算分析，相應(yīng)的溫度特征參數(shù)與冷卻管間距的關(guān)系見圖3。

圖3 冷卻管間距對溫度的影響

由圖3可知：冷卻管間距越小，混凝土內(nèi)部溫升峰值越小，如分層間歇澆筑冷卻管水平間距為1.5 m，豎直間距為1.0 m，其內(nèi)部溫升峰值僅有55.82 ℃；當(dāng)水平和豎直間距增大到2.0 m時，內(nèi)部溫升峰值68.21 ℃。但過密的間距容易造成溫降速率過大，該方案內(nèi)部溫降速率為2.01 ℃/d，同時也影響混凝土整體結(jié)構(gòu)的完整性和均勻性，不利于結(jié)構(gòu)受力。最大里表溫差與冷卻管間距的關(guān)系總體上呈現(xiàn)出間距越大，最大里表溫差越大，如分層連續(xù)澆筑冷卻管水平間距為1.5 m，豎直間距為1.0 m，最大里表溫差為18.10 ℃，當(dāng)水平和豎直間距增大到4.0 m時，最大里表溫差值達到25.79 ℃，超出了規(guī)范要求控制范圍。而冷卻管間距越小，內(nèi)部與表面溫降速率均越大。冷卻管水平間距為1.5 m，豎直間距為1.0 m時，內(nèi)部溫降速率超過了2.0 ℃/d。因此，在實際施工過程中，冷卻管布置間距較小時，需密切關(guān)注混凝土溫降速率的變化，一旦發(fā)現(xiàn)降溫速率過快，應(yīng)暫時停止進行強制冷卻措施。

3.3 澆筑溫度的影響分析

該研究采用拌和水加冰率控制澆筑溫度，當(dāng)加冰率為40%時，澆筑溫度為23.9 ℃；當(dāng)加冰率為20%時，澆筑溫度為27.2 ℃；不加冰時澆注溫度為30.5 ℃。溫度特征參數(shù)見表5，澆筑溫度27.2 ℃條件下混凝土溫度分布情況見圖4。

表5 不同澆筑溫度的里表溫差及溫降速率對比

由表5、圖4可見：澆筑溫度主要影響混凝土內(nèi)部溫升峰值，對最大里表溫差和溫降速率的影響程度相對較小。澆筑溫度越高，內(nèi)部溫升峰值越高，最大里表溫差反而呈現(xiàn)下降的趨勢。因此建議通過在拌和水中摻加冰屑、石料提前澆水預(yù)冷等技術(shù)措施降低混凝土澆筑溫度，以更好地控制大體積混凝土溫度裂縫。

圖4 澆筑溫度27.2 ℃時溫度分布圖

3.4 保溫開始時間的影響分析

研究了不同時間點采取保溫措施對混凝土的溫度影響，不同方案的溫度特征參數(shù)如表6所示。

表6 不同保溫時間點的溫度對比

在設(shè)置1.5 m×1.5 m的冷卻管條件下，保溫時間點對混凝土內(nèi)部溫升峰值、降溫速率影響不大，但保溫時間在72 h時，最大里表溫差增加到24.67 ℃，已接近臨界值，同時會有較大的溫度突變。因此實際施工中應(yīng)根據(jù)監(jiān)測溫度進行保溫裝拆。為減小表面溫度的突變，結(jié)合拆模時間，建議48 h后開始采取保溫措施，并根據(jù)實時監(jiān)測溫度調(diào)整保溫措施。

4 結(jié)論

(1) 通過混凝土材料優(yōu)化，采用40%粉煤灰等量取代水泥，可以降低材料絕熱溫升9.08 ℃左右，從而降低大體積混凝土施工溫度控制難度。

(2) 混凝土施工工藝可采用分層間歇澆筑或分層連續(xù)澆筑，冷卻管間距適當(dāng)增大，冷卻管水平和豎直間距均設(shè)為1.5 m時，各項溫度指標(biāo)均能較好地控制。

(3) 澆筑溫度主要影響混凝土內(nèi)部溫升峰值，澆筑溫度越高，內(nèi)部溫升峰值越高，施工過程中應(yīng)通過在拌和水中摻加冰屑、石料提前澆水預(yù)冷等技術(shù)措施盡量降低混凝土澆筑溫度。

(4) 混凝土表面采取保溫措施，減小里表溫差和溫降速率，結(jié)合拆模時間，推薦48 h后開始采用保溫篷布進行保溫，同時應(yīng)根據(jù)實時監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)及時調(diào)整保溫措施。