大體積混凝土溫度控制探究

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121）

大體積混凝土因其施工方便，承載能力強(qiáng)，價格可控制，成為大型隧道多跨連拱的首選。但在施工過程中，由于其體積大，內(nèi)外水化熱不同，容易產(chǎn)生裂縫，影響施工質(zhì)量。因此，如何有效控制溫度是大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的難點。

一、大體積混凝土溫度現(xiàn)場控制研究

《大體積混凝土施工規(guī)范》(GB 50496-2009)中規(guī)定大體積混凝土為：混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計會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。

大體積混凝土現(xiàn)場澆筑需要控制內(nèi)部溫度和外部溫度。目前主要是通過調(diào)節(jié)混凝土配合比、添加低溫外加劑和利用冷卻設(shè)備控制溫度。陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院蔣平江提出內(nèi)外溫差控制首先在混凝土內(nèi)部采用雙摻技術(shù)，添加微膨脹劑和緩凝型外加劑，延緩水化熱釋放時間，減小內(nèi)部熱量；同時輔助冷卻水管降溫，該方式起到了很好的降溫作用。南昌紅谷隧道同樣采用了大體積混凝土施工，中鐵隧道集團(tuán)彭再勇和何毅針對紅谷隧道沉管施工優(yōu)選了膠凝體系和配合比：主體和后澆帶膠凝材料采用雙摻技術(shù)，分別為C60F20K20和C70F20P10，該配合比具有低熱低收縮的特性，同時通過設(shè)置循環(huán)冷卻水系統(tǒng)有效降低內(nèi)外溫差和混凝土內(nèi)部應(yīng)力波動頻率，達(dá)到內(nèi)外溫差控制效果。

江蘇省交通工程建設(shè)局高德風(fēng)則研究出了新的控溫工法，通過摻加具有溫升抑制與微膨脹功能的抗裂劑實現(xiàn)混凝土溫升和收縮性能的雙重調(diào)控，同時采取新型張貼式混凝土保溫保濕養(yǎng)護(hù)材料實現(xiàn)溫降階段混凝土中心平均溫降速率不超過2.0℃/d。深圳市建設(shè)綜合勘察設(shè)計院有限公司趙輝和中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司喬明采用雙摻技術(shù)減小水泥用量，使用緩凝高效減水劑降低水灰比，有效降低了早期混凝土內(nèi)部出現(xiàn)的溫度峰值；同時提出了可在夏季采用表面蓄水養(yǎng)護(hù)巨型樁混凝土的措施，趙輝還提出了在混凝土出拌前加入冰屑控制溫度。

二、大體積混凝土溫度控制數(shù)值模擬

雖然通過現(xiàn)場試驗研究大體積混凝土溫度控制是最直接、有效的方式，但現(xiàn)場研究時間長、耗費高，不利于長久研究。目前，很多學(xué)者為了更好地研究大體積混凝土溫度場及影響因素，選擇仿真模擬研究方式。仿真模擬具有高效、變量控制多、研究多樣的特點，如何有效利用仿真軟件模擬大體積混凝土澆筑和溫度控制是研究難點。

東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院金書成等針對冬季承臺大體積混凝土施工，模擬冬季內(nèi)外溫差，以蓄熱能法適當(dāng)提高混凝土澆筑溫度，防止混凝土產(chǎn)生裂縫和凍脹。四川華西綠舍建材有限公司何順愛和江西省港航管理局郭生根等通過COMSOL仿真試驗和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了自然變溫條件下大體積混凝土溫度變化規(guī)律，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差最大只有2.57%，能夠很好地預(yù)測自然降溫下混凝土溫度變化趨勢。浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院王修山則通過有限元分析了冷卻水管對大體積混凝土溫度-應(yīng)力的影響，得出冷卻水管能明顯降低大體積混凝土的內(nèi)外平均溫差，減小混凝土的表面應(yīng)力，但是內(nèi)部個別區(qū)域出現(xiàn)溫度應(yīng)力集中，可能會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫。

混凝土裂紋擴(kuò)展是數(shù)值模擬的研究重點，ABAQUS軟件有內(nèi)置模擬裂紋擴(kuò)展的軟件，利用該軟件溫度場模擬混凝土水化熱過程，然后添加一些裂紋，觀察裂紋在溫度場變化后的擴(kuò)展規(guī)律，得出大體積混凝土溫度控制的重點。

由于隧道結(jié)構(gòu)的特殊性，目前大多數(shù)應(yīng)用是澆筑大體積混凝土側(cè)墻，澆筑完成之后的降溫非常重要，F(xiàn)lac3D是非常有效的隧道模擬軟件，自帶溫度場模擬，利用該軟件模擬隧道大體積混凝土澆筑溫度場也是可行的，同時可利用二次開發(fā)研究。

目前大多數(shù)學(xué)者采用MIDAS軟件模擬大體積混凝土水化熱，水化熱模擬主要研究前期熱傳導(dǎo)和后期溫度應(yīng)力分析。熱傳導(dǎo)首先需要考慮材料參數(shù)的設(shè)置，配比后混凝土的力學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)。MIDAS傳熱問題由兩部分組成，空間部分和隨時間變化的部分。使用有限元法解決任何時間點的空間問題，使用時間的數(shù)值積分提前從給定的初始條件下獲得求解。如果外部通量和邊界條件是恒定的，瞬態(tài)響應(yīng)隨時間的增加而衰減。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)只取決于物體的傳導(dǎo)率和幾何形狀，與比熱和密度無關(guān)。

對于瞬態(tài)問題，控制方程必須完成時間積分。在MIDAS中用于瞬態(tài)實體熱傳遞的時間積分是一種反向差分算法，該算法沒有對時間增量大小的限制。瞬態(tài)傳熱是一種擴(kuò)散占主導(dǎo)的過程，作為對外部變化的響應(yīng)，溫度最初隨時間的變化而迅速變化，隨后溫度的變化會較為緩和。MIDAS熱傳遞的自動時間增量過程，用邏輯構(gòu)建適應(yīng)這種預(yù)期響應(yīng)——指數(shù)衰減或增長。該方法結(jié)合精確的時間積分精度參數(shù)DELTMX，能夠使MIDAS在分析的所有階段保持一致的準(zhǔn)確性。

DELTMX是一個“時間積分精度參數(shù)”。它通過指定在任何時間增量中允許的最大溫度變化來控制瞬態(tài)方程的精度。自動時間增量方法將限制時間增量的大小，以便在分析的任何增量期間，節(jié)點都不會超過DELTMX。當(dāng)給定增量中所有節(jié)點的最大溫度變化都遠(yuǎn)低于DELTMX，ABAQUS就會在下次增量中增加時間增量的大小。自動時間增量算法試圖選擇最優(yōu)的時間步長，以平衡求解精度和求解效率。在所有節(jié)點建立了“穩(wěn)態(tài)”條件，則可以在總請求時間結(jié)束前提前停止瞬態(tài)傳熱分析。

熱傳遞等瞬態(tài)擴(kuò)散過程離散化近似的一個重要問題是初始時間增量的選擇?？臻g單元大小、時間增量大小與時間增量相關(guān)程度小于某些網(wǎng)格和材料特征，則會產(chǎn)生溫度振蕩，利用MIDAS計算溫度變化時可以避免產(chǎn)生溫度震蕩，達(dá)到精確計算溫度的目的。

三、結(jié)語

大體積混凝土溫度控制在現(xiàn)場需要通過實驗確定環(huán)境溫度、配合比、不同外加劑和攪拌時間，不同參數(shù)的改變會導(dǎo)致溫度場不同，確定最優(yōu)配合比是未來研究的重點方向。混凝土澆筑完成后外部降溫措施是保證混凝土不開裂的關(guān)鍵，如何提高冷卻水管降溫效率和采用新的降溫技術(shù)是未來研究重點。

仿真模擬具有高效、變量控制多、研究多樣的特點，采用MIDAS軟件模擬混凝土水化熱，是非常適宜的一種方式。通過模擬能夠很好的預(yù)測大體積混凝土水化熱的變化，提出更多有效的溫控措施，是將來研究的一個熱門方向。