大體積混凝土柱施工溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)與模擬研究

左俊卿 王 碩 房霆宸 陳逸群 于曉輝 寧超列

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心 上海 200080；3. 同濟(jì)大學(xué)上海防災(zāi)救災(zāi)研究所 上海 200092；4. 上海建工建材科技集團(tuán)股份有限公司 上海 200086；5. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150001

近年來，隨著工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，預(yù)拌大體積混凝土在建筑施工中的應(yīng)用變得十分普遍。根據(jù)GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》的定義[1]：對(duì)于最小幾何尺寸不小于1 m的混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體，由于混凝土的傳熱性能較差、熱阻率較高，在澆筑和硬化過程中，混凝土內(nèi)部的水泥水化將產(chǎn)生大量的水化熱。這些水化熱聚集于混凝土的內(nèi)部，使得混凝土內(nèi)部溫度迅速升高，而混凝土的表面與空氣直接接觸，散熱較快。因此，混凝土的內(nèi)部和表面之間將形成較大的溫差[2]，容易導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生不均勻的溫度變形和溫度應(yīng)力[3]。同時(shí)，由于混凝土的強(qiáng)度在澆筑和硬化過程中尚未充分發(fā)展，因此通常會(huì)在混凝土表面和內(nèi)部產(chǎn)生溫度裂縫。這些裂縫若是貫穿性的，將對(duì)結(jié)構(gòu)的功能性、整體性和耐久性產(chǎn)生較大的不利影響[4]。

圍繞預(yù)拌大體積混凝土施工過程中的溫度演化規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者迄今為止開展了大量的試驗(yàn)、理論和數(shù)值研究[5-9]。早在20世紀(jì)30年代，國(guó)外學(xué)者就認(rèn)識(shí)到膠凝材料水化放熱引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度升高是產(chǎn)生裂縫的根源，因此率先開展了大體積混凝土水化放熱產(chǎn)生的溫度裂縫研究[5]。1968年，Wilson[6]首次利用有限元法對(duì)大體積混凝土的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。2005年，Schindler和Kevin[7]提出了通用的水化熱模型，表明混凝土的水化熱與其配合比有著直接的關(guān)系。在國(guó)內(nèi)，早在20世紀(jì)50年代，朱伯芳[8]就對(duì)大體積混凝土的防裂技術(shù)開展了系統(tǒng)研究，推導(dǎo)了無熱源且初溫均勻分布的混凝土冷卻溫度場(chǎng)、有內(nèi)部熱源的大體積混凝土水管冷卻降溫溫度場(chǎng)的理論計(jì)算公式，并成功用于混凝土大壩工程。圍繞建筑結(jié)構(gòu)工程，王鐵夢(mèng)[9]從實(shí)際工程出發(fā)，根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程項(xiàng)目，研究大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，提出了“放”和“抗”的混凝土設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，編寫的《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》一書，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力引起的裂縫進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，總結(jié)了冶金系統(tǒng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)溫度裂縫控制的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并提出了經(jīng)典的“跳倉法”施工方案。近年來，隨著我國(guó)高層、超高層建筑結(jié)構(gòu)的大量涌現(xiàn)，預(yù)拌大體積混凝土的溫度場(chǎng)研究進(jìn)一步深入，其抗裂控制效果得到諸多工程項(xiàng)目的檢驗(yàn)[10]。

遺憾的是，目前預(yù)拌大體積混凝土施工過程中的溫度場(chǎng)研究大多以混凝土基礎(chǔ)底板為研究對(duì)象[11-13]，較少關(guān)注其他大體積混凝土構(gòu)件的溫度場(chǎng)，而預(yù)拌大體積混凝土施工期間的溫度場(chǎng)與多種因素相關(guān)。結(jié)構(gòu)混凝土的溫度變形和開裂不僅與內(nèi)部水化放熱過程、外部環(huán)境溫濕度交換等有關(guān)，而且受構(gòu)件的尺寸大小和邊界約束條件等因素影響顯著。因此，本文以上海市徐匯區(qū)的某具體工程項(xiàng)目為研究背景，針對(duì)預(yù)拌大體積混凝土柱，研究自然環(huán)境變溫條件下施工過程中的溫度場(chǎng)分布與演變規(guī)律。

1 工程背景

該工程位于上海市徐匯區(qū)徐家匯商圈的核心地帶，東至恭城路、南至虹橋路、西北至宜山北路、北鄰名仕苑住宅區(qū)，總用地面積為66 017 m2。軌道交通9號(hào)線區(qū)間隧道橫穿地塊北部，基地東側(cè)緊貼軌道交通11號(hào)線車站。具體的地理位置，如圖1所示。

圖1 工程項(xiàng)目地理位置

該項(xiàng)目由2幢辦公塔樓和商業(yè)裙房組成，如圖2所示。其中，T1塔樓高220 m；T2塔樓高370 m；酒店15層，高76 m；裙房7層，高56.5 m。鄰軌道交通9號(hào)線一側(cè)地下2—4層；主體建筑地下室6層。地上建筑面積為529 706 m2，地下總建筑面積為250 487 m2，項(xiàng)目的總建筑面積780 193 m2。T2塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)柱的尺寸為2 300 mm×2 300 mm，高5 000 mm。根據(jù)GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》中8.7.4的第4條規(guī)定[14]：“對(duì)基礎(chǔ)厚度不大于1.6 m，裂縫控制技術(shù)措施完善的工程可不進(jìn)行測(cè)溫”，而該結(jié)構(gòu)柱的厚度大于1.6 m，因此應(yīng)進(jìn)行測(cè)溫。為保證工程的安全性，在現(xiàn)場(chǎng)施工澆筑混凝土模擬柱，柱體混凝土等級(jí)為C80，采用56 m的汽車泵澆搗，為一次性連續(xù)澆搗，且全部采用預(yù)拌混凝土。柱配筋84φ25 mm（每邊22φ25 mm），構(gòu)造配筋為φ10 mm@200 mm?；炷恋氖┕づ浜媳葹?45∶410∶770∶950∶80∶12.5∶80（水∶水泥∶沙∶石∶粉煤灰∶外加劑∶礦粉）。

圖2 建筑結(jié)構(gòu)示意

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)于該預(yù)拌大體積混凝土柱，采用大體積混凝土多點(diǎn)遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)測(cè)溫設(shè)備進(jìn)行測(cè)溫，傳感器采用進(jìn)口高精度集成電路作為感溫元件。

為保證感溫器在安裝和測(cè)試過程中不出現(xiàn)進(jìn)水損壞情況，對(duì)傳感器預(yù)先進(jìn)行封裝處理。封裝好的傳感器具有抗干擾性強(qiáng)、精度高、離散性小和可靠性高等諸多特性。測(cè)溫系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 測(cè)溫系統(tǒng)示意

測(cè)點(diǎn)的布置根據(jù)GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》8.4.7中的相關(guān)條文進(jìn)行?？紤]到是模擬試驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)增加一定的測(cè)點(diǎn)數(shù)量。在大體積混凝土柱試件內(nèi)部設(shè)置4個(gè)橫向截面測(cè)區(qū)，每個(gè)截面設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別命名為Ai、Bi、Ci、Di（i=1,2,3,4），測(cè)點(diǎn)1和2的間距為575 mm，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3的間距為505 mm。相應(yīng)地，混凝土側(cè)面與模板間的測(cè)點(diǎn)各設(shè)1個(gè)（A4、B4、C4、D4），測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4的間距為70 mm。另外，設(shè)環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)1個(gè)。該預(yù)拌大體積混凝土柱一共有17個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 混凝土測(cè)溫點(diǎn)布置示意

該預(yù)拌大體積混凝土柱的澆搗時(shí)間為2018年9月20日16：30，測(cè)溫系統(tǒng)從同日14：52開始，測(cè)溫試驗(yàn)歷時(shí)10 d，測(cè)得的最高溫度為87.7 ℃，最高溫升為50.4 K，測(cè)點(diǎn)溫度峰值出現(xiàn)在9月21日，即1 d之后，此后逐步下降。這一現(xiàn)象與預(yù)拌大體積混凝土在澆筑過程中水泥水化放熱，致使溫度升高，此后隨時(shí)間推移，水化放熱過程逐漸平緩，造成溫度隨之下降的規(guī)律基本一致。另外，測(cè)溫情況顯示：由于混凝土的澆搗時(shí)間較短，各測(cè)點(diǎn)的入模溫度較為接近，基本在35～38 ℃間。內(nèi)部溫度的最高值則根據(jù)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置不同略有不相同，如圖5所示。可見，在澆筑過程中，各測(cè)區(qū)中心位置（測(cè)點(diǎn)A1、B1、C1、D1）的溫度最高，越靠近柱的表面（測(cè)點(diǎn)A4、B4、C4、D4）溫度越低，且逐漸具有明顯的波動(dòng)特征，表明混凝土柱外表面的溫度受外界環(huán)境溫度的影響顯著。此外，同一測(cè)區(qū)的不同測(cè)點(diǎn)溫差較大，如C測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)C1和測(cè)點(diǎn)C4溫度峰值差可達(dá)到40.6 K。另一方面，A測(cè)區(qū)的溫度峰值明顯小于B、C和D測(cè)區(qū)。其中，測(cè)點(diǎn)C1的溫度峰值最高，出現(xiàn)時(shí)間最晚，測(cè)點(diǎn)B1和測(cè)點(diǎn)C1其次，測(cè)點(diǎn)A1最低，表明A測(cè)區(qū)受柱底邊界約束條件的影響，其升溫幅度和升溫過程更為緩慢。

圖5 各測(cè)區(qū)溫度變化示意

圖6為外界環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線示意。可見，預(yù)拌大體積混凝土柱在澆筑和養(yǎng)護(hù)過程中，外界環(huán)境溫度的變化波動(dòng)較為頻繁，且具有一定的幅度。其間，最高溫度為36.4 ℃，最低溫度為21.4 ℃，溫度差可達(dá)15.0 K。顯然，外界環(huán)境溫度的這種頻繁波動(dòng)將影響預(yù)拌大體積混凝土柱的水化過程，對(duì)溫度場(chǎng)的變化造成顯著影響。

圖6 外界環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)的溫度變化曲線示意

3 數(shù)值模型

基于上述溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開展預(yù)拌大體積混凝土柱的數(shù)值模擬。鑒于水化熱引起的溫度場(chǎng)變化是一種隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，因此本文采用三維實(shí)體模型對(duì)柱的水化熱溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。不失一般性，本文采用Ansys Workbench軟件建立有限元模型，模型的尺寸與現(xiàn)場(chǎng)混凝土柱的設(shè)計(jì)尺寸一致。混凝土柱的下部地基取有限厚度且與混凝土柱直接接觸。整體模型采用等參單元?jiǎng)澐?，模型共包含?jié)點(diǎn)88 580個(gè)，三維實(shí)體單元19 624個(gè)。建立的有限元數(shù)值模型如圖7所示。

圖7 混凝土柱有限元模型

3.1 熱傳導(dǎo)方程

由于混凝土在澆筑時(shí)，水泥水化將釋放大量的水化熱，使得混凝土的內(nèi)部溫度上升，其內(nèi)部形成隨齡期變化的溫度場(chǎng)，可將混凝土柱視為具有內(nèi)部熱源的連續(xù)介質(zhì)，進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析。因此，采用具有內(nèi)置熱源、均勻介質(zhì)且正交各向異性的三維熱傳導(dǎo)微分方程進(jìn)行描述：

式中：T——混凝土內(nèi)部任一點(diǎn)在t時(shí)刻的溫度；

ki（i=x,y,z）——混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)；

c——混凝土的水化熱；

ρ——混凝土的密度；

W——水泥用量；

Q——水泥隨時(shí)間變化放出的熱量。

3.2 水化熱模型

混凝土在水化過程中產(chǎn)生的熱量主要來自水泥的水化熱作用。水泥的水化熱是影響混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的重要因素。因此，要計(jì)算預(yù)拌大體積混凝土柱的溫度場(chǎng)分布，首先要確定水泥的水化放熱規(guī)律，標(biāo)定水泥水化熱模型中的關(guān)鍵參數(shù)，其取值對(duì)于保證有限元模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性意義重大。因此，對(duì)預(yù)拌構(gòu)件混凝土用膠凝材料進(jìn)行水化熱測(cè)試，開展6種水泥編號(hào)的7 d水化熱試驗(yàn)。表1為這6種水泥的配合比。

表1 水化熱試驗(yàn)配合比

圖8為對(duì)應(yīng)的水化放熱速率曲線示意。可見，水泥的水化放熱速率曲線隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)快速升高，然后快速下降的趨勢(shì)。其中，2#水泥具有最高的水化放熱速率，4#水泥具有最低的水化放熱速率。結(jié)合水化熱試驗(yàn)的配合比可知：水泥的水化放熱速率與水泥用量呈正相關(guān)關(guān)系，粉煤灰和礦渣的配比變化對(duì)水泥的水化放熱速率影響較小。目前，描述水泥水化放熱速率的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式有3種，分別為：指數(shù)型、雙曲線型、復(fù)合指數(shù)型[15]。經(jīng)過試算，本文基于指數(shù)型模型和水化熱測(cè)試結(jié)果標(biāo)定預(yù)拌大體積混凝土柱中的水化熱模型參數(shù)。其中，根據(jù)預(yù)拌大體積混凝土的配合比，可計(jì)算獲得水化熱模型的最大值為400 kJ/kg。

3.3 初始溫度條件

初始溫度條件為混凝土的入模溫度。在數(shù)值模擬中，若入模溫度過高，會(huì)導(dǎo)致混凝土峰值溫度過高，容易產(chǎn)生內(nèi)外過大溫差；若入模溫度過低，則容易導(dǎo)致混凝土難以初凝。理論上，澆筑每一立方米的混凝土都存在時(shí)間差異，因此混凝土各點(diǎn)的溫度各不相同，但因事實(shí)上很難獲得這個(gè)溫度差異的精確測(cè)量數(shù)據(jù)或理論解析表述，故可認(rèn)為混凝土整個(gè)結(jié)構(gòu)的初始溫度相同，不隨空間位置變化。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該預(yù)拌大體積混凝土柱的入模溫度可設(shè)為35 ℃。

3.4 邊界條件

邊界條件影響混凝土的散熱過程，表征混凝土表面與周圍介質(zhì)之間溫度相互作用的規(guī)律。通常有4類邊界條件[16]，對(duì)于預(yù)拌大體積混凝土柱，存在3類不同的邊界。首先，混凝土柱的底部與地基直接接觸，接觸面上的溫度和熱流連續(xù)，因此符合第4類邊界條件，其計(jì)算公式為：

其中，λi（i=1,2）分別為混凝土柱和地基的導(dǎo)熱系數(shù)。其次，混凝土柱的頂部與空氣直接接觸，符合第3類邊界條件，其計(jì)算公式為：

Ta——外界環(huán)境溫度。

最后，混凝土柱的四周表面與空氣接觸，但有模板覆蓋，因此仍定義為第3類邊界條件，并采用等效表面散熱系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)，混凝土表面的放熱系數(shù)β應(yīng)考慮保溫措施的影響，其計(jì)算公式為：

另外，預(yù)拌大體積混凝土柱的底部地基為有限厚度，但為簡(jiǎn)化計(jì)算，將地基底部和四周定義為第2類邊界條件，即絕熱狀態(tài)。

4 模擬結(jié)果

圖9為預(yù)拌大體積混凝土柱在第1天和第2天的溫度分布云圖?？梢姡A(yù)拌大體積混凝土柱中心截面的最高溫度范圍隨時(shí)間的推移逐漸縮小，且在前2 d內(nèi)變化迅速。1 d之內(nèi)，混凝土柱的內(nèi)部溫度可從入模溫度35 ℃急劇上升至88.1 ℃，此后緩慢下降。同時(shí)，混凝土柱內(nèi)部的各處溫度隨時(shí)間的推移不斷降低，而混凝土柱的表面溫度幾乎與環(huán)境溫度持平。因此，該預(yù)拌大體積混凝土柱的內(nèi)部溫度在澆筑過程中變化劇烈，需要從水泥材料配比、施工方案、養(yǎng)護(hù)方案等方面，加強(qiáng)對(duì)大體積混凝土柱內(nèi)部的溫度控制，避免溫度裂縫的產(chǎn)生。

圖9 混凝土柱溫度分布云圖

圖10顯示了各測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比情況。

圖10 測(cè)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比示意

由圖10可見，4個(gè)測(cè)區(qū)不同測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果與溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，表明該數(shù)值模型能夠較好地反映預(yù)拌大體積混凝土柱水化過程中的溫度場(chǎng)分布和隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。其中，越靠近混凝土柱中心位置的測(cè)點(diǎn)，溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果越吻合；越靠近混凝土柱表面位置的測(cè)點(diǎn)，溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的吻合程度越差，其原因與澆筑和養(yǎng)護(hù)過程中，外界環(huán)境溫度變化較為劇烈，造成邊界條件參數(shù)難以準(zhǔn)確標(biāo)定有關(guān)。

5 參數(shù)分析

由于影響預(yù)拌大體積混凝土柱澆筑成形過程中的溫度場(chǎng)分布與變化的因素較多，因此依次變化不同參數(shù)，固定其他參數(shù)，開展不同因素的參數(shù)敏感性分析，獲得這些因素對(duì)預(yù)拌大體積混凝土柱溫度場(chǎng)分布與變化的影響規(guī)律，對(duì)于如何加強(qiáng)預(yù)拌大體積混凝土柱的內(nèi)部溫度控制，避免溫度裂縫產(chǎn)生具有重要意義。

5.1 水泥用量

水泥用量是影響混凝土的水化放熱過程，決定水化放熱量大小的最直接因素。水泥用量越多，混凝土的水化放熱量越大，內(nèi)部溫度的升高變化越大。為探究預(yù)拌大體積混凝土柱的溫度場(chǎng)與水泥用量的關(guān)系，分別模擬當(dāng)水泥用量為300、400、500 kg/m3時(shí)預(yù)拌大體積混凝土柱的溫度場(chǎng)分布與變化。提取混凝土柱不同時(shí)刻的最高溫度數(shù)值，具體如圖11所示?？梢?，當(dāng)水泥用量為300 kg/m3時(shí)，混凝土柱的內(nèi)部最高溫度為73.8 ℃，出現(xiàn)在澆筑后20 h；當(dāng)水泥用量為400 kg/m3時(shí)，混凝土柱的內(nèi)部最高溫度為86.87 ℃，出現(xiàn)在澆筑后24 h；當(dāng)水泥用量為500 kg/m3時(shí)，混凝土柱內(nèi)部的最高溫度為99.95 ℃，出現(xiàn)在澆筑后24 h。因此，水泥用量對(duì)混凝土柱水化放熱后的溫度峰值有較大影響：水泥用量越大，溫度峰值越高，但內(nèi)部溫度達(dá)到峰值的時(shí)間與水泥用量呈弱相關(guān)。

圖11 不同水泥用量下混凝土柱最大溫度變化示意

5.2 入模溫度

混凝土的入模溫度是混凝土水化溫升的基礎(chǔ)。為了研究不同入模溫度對(duì)預(yù)拌大體積混凝土柱溫度場(chǎng)的影響，分別模擬當(dāng)入模溫度為15、25、35 ℃時(shí)預(yù)拌大體積混凝土柱的溫度場(chǎng)分布與變化。提取混凝土柱不同時(shí)刻的最高溫度，具體如圖12所示?？梢?，當(dāng)入模溫度為15 ℃時(shí)，混凝土柱的內(nèi)部最高溫度為69.55 ℃，出現(xiàn)在澆筑后36 h；當(dāng)入模溫度為25 ℃時(shí)，混凝土柱的內(nèi)部最高溫度為78.79 ℃，出現(xiàn)在澆筑后28 h；當(dāng)入模溫度為35 ℃時(shí)，混凝土柱的內(nèi)部最高溫度為88.18 ℃，出現(xiàn)在澆筑后24 h。因此，入模溫度對(duì)混凝土水化溫升峰值有較大影響。入模溫度越高，混凝土柱的內(nèi)部溫度峰值越高，溫升的速率越快，混凝土內(nèi)部達(dá)到溫度峰值的時(shí)間將提前。然而，與水泥用量的影響不同，在上述3種入模溫度下，模擬結(jié)束時(shí)混凝土柱的最大溫度基本相同。在實(shí)際施工過程中，宜將混凝土的入模溫度維持在較低溫度。

圖12 不同入模溫度下混凝土柱最大溫度變化示意

5.3 導(dǎo)熱系數(shù)

混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)決定水化熱在混凝土中傳導(dǎo)的速率，從而影響混凝土的內(nèi)外溫差和溫度場(chǎng)的分布。為了研究混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)預(yù)拌大體積混凝土柱溫度場(chǎng)的影響，分別模擬當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為10、15、20 kJ/（h·m·K）時(shí)預(yù)拌大體積混凝土柱的溫度場(chǎng)分布與變化。提取混凝土柱不同時(shí)刻的最高溫度，具體如圖13所示。可見，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為10 kJ/（h·m·K）時(shí)，混凝土柱的內(nèi)部最高溫度為89.75 ℃，出現(xiàn)在澆筑后32 h；當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為15 kJ/（h·m·K）時(shí)，混凝土柱的內(nèi)部最高溫度為87.8 ℃，出現(xiàn)在澆筑后20 h；當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)為20 kJ/（h·m·K）時(shí)，混凝土柱的內(nèi)部最高溫度為86.39 ℃，出現(xiàn)在澆筑后20 h。因此，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)預(yù)拌大體積混凝土柱的溫度峰值和核心區(qū)的降溫速率有一定程度的影響。導(dǎo)熱系數(shù)越大，溫度峰值越低，且降溫速率越快。

圖13 不同導(dǎo)熱系數(shù)下混凝土柱最大溫度變化示意

5.4 邊界條件

邊界條件決定混凝土與外界熱量交換的程度。由于預(yù)拌大體積混凝土柱的頂部和底部分別與空氣和地基接觸，邊界條件不易發(fā)生改變，而柱四周表面與模板接觸，通過改變模板的材料和厚度可改變混凝土柱與外界空氣的對(duì)流系數(shù)。因此，為了研究不同邊界條件對(duì)預(yù)拌大體積混凝土柱溫度場(chǎng)的影響，分別模擬當(dāng)混凝土柱四周的對(duì)流系數(shù)為200、1 000、2 000 kJ/（m2·d·K）時(shí)預(yù)拌大體積混凝土柱的溫度場(chǎng)分布與變化。提取混凝土柱不同時(shí)刻的最高溫度，具體如圖14所示?？梢?，當(dāng)對(duì)流系數(shù)為200 kJ/（m2·d·K）時(shí)，混凝土柱最高溫度為90.57 ℃，出現(xiàn)在澆筑后44 h；當(dāng)對(duì)流系數(shù)為1 000 kJ/（m2·d·K）時(shí)，混凝土柱最高溫度為87.45 ℃，出現(xiàn)在澆筑后24 h；當(dāng)對(duì)流系數(shù)為2 000 kJ/（m2·d·K）時(shí)，混凝土柱最高溫度為86.45 ℃，出現(xiàn)在澆筑后20 h。3種工況下，預(yù)拌大體積混凝土柱核心區(qū)的溫度上升速率基本一致，但對(duì)流系數(shù)越小，溫度峰值越高，且出現(xiàn)溫度峰值的時(shí)間越晚；在溫度下降部分，3種工況的差異明顯：對(duì)流系數(shù)越小，溫度下降越慢。

圖14 不同對(duì)流系數(shù)下混凝土柱最高溫度變化示意

6 結(jié)語

1）預(yù)拌大體積混凝土柱由于澆搗時(shí)間較短，各測(cè)點(diǎn)的入模溫度較為接近，基本在35～38 ℃之間。此后，隨著水泥水化放熱，混凝土柱內(nèi)部溫度逐漸升高，最高可達(dá)87.7 ℃，溫度峰值出現(xiàn)在1 d之后。其后，隨著時(shí)間的推移，混凝土柱的內(nèi)部溫度逐漸平緩。

2）施工過程中，外界環(huán)境溫度具有明顯的波動(dòng)變化特征。這種波動(dòng)變化將影響預(yù)拌大體積混凝土柱的水化過程和溫度場(chǎng)分布，尤其影響混凝土柱外表面的溫度場(chǎng)變化。

3）預(yù)拌大體積混凝土柱的溫度場(chǎng)分布與變化，受邊界約束條件的影響顯著。越靠近混凝土柱底位置，升溫幅度越低，且升溫過程更加緩慢。

4）通過設(shè)置合理的初始溫度條件、標(biāo)定水化熱模型參數(shù)和設(shè)定邊界約束條件，可采用三維實(shí)體模型對(duì)預(yù)拌大體積混凝土柱的水化熱溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

5）影響預(yù)拌大體積混凝土柱澆筑成形過程中的溫度場(chǎng)分布與變化的因素較多。其中，入模溫度對(duì)升溫過程影響顯著，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與柱四周的對(duì)流系數(shù)對(duì)降溫過程影響顯著，水泥用量不僅對(duì)升溫過程影響顯著，而且對(duì)降溫過程影響顯著。

綜上，預(yù)拌大體積混凝土柱的溫度場(chǎng)在施工過程中的變化較為劇烈。因此，不僅需要從混凝土材料配合比的角度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，而且需要考慮外界環(huán)境溫度變化和邊界約束條件，開展合適的施工方案和養(yǎng)護(hù)措施，以加強(qiáng)預(yù)拌大體積混凝土柱的內(nèi)部溫度控制，避免溫度裂縫的產(chǎn)生。