大體積高鐵相水泥混凝土跳倉法施工溫控分析*

薛 鋮 駱 平 胡冬冬 劉 維 付 軍

(1.中國建筑第六工程局有限公司 天津 300000； 2.武漢理工大學船海與能源動力工程學院 武漢 430000)

由于混凝土澆筑過程中水泥會產生大量的水化熱[1]，混凝土外表面與空氣對流放熱較快，而內部熱量不容易釋放出來，導致內外溫差過大，引起混凝土的開裂。混凝土的開裂問題，不僅影響結構的安全和使用，而且嚴重破壞了結構的完整和美觀。溫度裂縫的控制問題一直是工程中的難點之一，所以對大體積混凝土結構的水化熱和溫控開展分析，對于指導現場施工具有重要的意義。

Wilson[2]最先提出了使用有限元軟件進行模擬結構的水化熱過程，為后續(xù)溫度場的有限元研究奠定基礎；Petterson等[3]通過有限元軟件研究了不同邊界條件對溫度應力影響的大小，為發(fā)現有效的溫控措施提供了重要指導；陳明華等[4]對大體積船閘結構進行有限元分析并埋設溫度計進行監(jiān)控，以了解大體積混凝土水化熱的溫度變化規(guī)律；王祥國等[5]通過研究管冷系統(tǒng)對混凝土水化熱冷卻效果的影響，表明布置冷卻水管是一種有效的水化熱溫度控制措施。

綜上所述，雖然國內外對混凝土溫度裂縫控制研究較多，但是目前較少有從水泥材料及跳倉法參數設計上研究大體積混凝土的溫控措施。因此，本文以北海某大體積混凝土基礎底板為背景，以一種中熱高鐵相水泥[6]代替普通硅酸鹽水泥為混凝土主要材料，結合跳倉法施工，提出一套溫控方案，以降低大體積混凝土結構的水化熱效應，實現對溫度裂縫的控制，為同類工程中的溫度裂縫控制問題提供參考。

1 中熱高鐵相水泥混凝土

1.1 中熱高鐵相水泥

中熱高鐵相水泥又名高鐵低鈣硅酸鹽水泥(C4AF≥18%，C3S≤50%)，不僅具有良好的抗硫酸鹽侵蝕性和抗氯離子滲透性，而且在水化熱過程中，與普通硅酸鹽相比，它的放熱速率更慢且總放熱量更小[7]。

1.2 基本原理

水泥的水化熱是水泥與水化合時所放出的熱量，其放熱大小主要取決于水泥自身的材料特性及齡期，其熱量可按式(1)計算。

(1)

式中：Q3為在齡期3 d時的累積水化熱，kJ/kg；Q7為在齡期7 d時的累積水化熱，kJ/kg；Q0為水泥水化熱總量，kJ。

在本工程中Q3為240 kJ/kg、Q7為270 kJ/kg，皆為現場試驗測得。

Q0=4/(7/Q7-3/Q3)=298.5 kJ/kg

膠凝材料水化熱總量Q為

Q=kQ0=0.91×298.5=271.6 kJ/kg

式中：k為不同摻量摻合料水化熱調整系數，取0.91。

混凝土的最大絕熱溫升是指水泥在水化過程中，熱量沒有其他損耗的理想條件下，所能提升的最高溫度，是計算水化熱的的最關鍵參數?？砂词?2)計算。

(2)

式中：θ(t)為混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；W為每立方米混凝土的膠凝材料用量，kg/m3；Q為膠凝材料水化熱總量，kJ；c為混凝土的比熱，kJ/(kg·℃)；ρ為混凝土的質量密度,kg/m3；m為與水泥品種、用量和入模溫度等有關的單方膠凝材料對應系數，取0.362；t為混凝土齡期，d。

在本工程中最大絕熱溫升為

θ(t)=372×271.6/(0.96×2 500)×

(1-e-0.384×7)=42 ℃

混凝土熱傳導是混凝土的水化熱向周邊溫度較低的物體或空氣傳熱的現象，可按式(3)計算。

(3)

式中：x、y、z為熱傳導方向；θ為溫度，℃；t為齡期，d；λ為混凝土的導熱系數，kJ/(m·h·℃)；c為混凝土比熱容，kJ/(kg·℃)；ρ為混凝土密度，kJ/m3；q為水泥產生的熱量，kJ。

經式(3)計算得本工程中熱傳導率為10.6 kJ/(m·h·℃)。

混凝土的導溫系數是表示混凝土傳遞溫度變化的能力，混凝土的導溫系數和混凝土的導熱系數聯(lián)系較為密切，可用式(4)進行計算。

(4)

式中：a為混凝土導溫系數，m2/h；λ為導熱系數，kJ/(m·h·℃)；c為混凝土的比熱，kJ/(kg·℃)；ρ為混凝土的質量密度，kg/m3。

在本工程中導溫系數為

a=10.6/(0.96×2 500)=0.004 4(m2/h)

1.3 基本參數

北海大體積混凝土結構下層為已澆好且冷卻至常溫的厚0.8 m的C15混凝土基礎，上層為厚1.4 m的C60混凝土建筑，其中上層C60混凝土結構為主要研究對象。

C60混凝土配合比的設計根據國家行業(yè)標準JGJ 55-2011《混凝土配合比設計規(guī)程》的規(guī)定進行，同時符合GB/T 50476-2008《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》和GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》的相應要求，參考國家標準規(guī)定的相關公式進行計算和相關參數取值，并根據經驗設計得到3組初步配合比，再通過反復實驗試配，結合地材限制，對初步配合比進行調整和修正，最終獲得C60混凝土配合比見表1。C60混凝土水泥采用的是中熱高鐵相硅酸鹽水泥，根據式(1)～(4)計算及現場試驗測試，得到C60混凝土材料參數，見表2。

表1 C60混凝土配合比 kg/m3

表2 C60混凝土材料參數

2 溫度場工程實測

2.1 跳倉法施工

跳倉法就是將大體積混凝土結構劃分成若干小塊，然后隔段施工，分塊澆筑，相鄰兩塊的澆筑時間間隔大于7 d。跳倉法是根據抗放并用、先放后抗的設計原則，即讓先行澆筑的區(qū)域早期收縮應力充分釋放，之后再利用混凝土自身抗拉強度來抵抗后期收縮應力。跳倉法不僅能有效降低大體積混凝土結構的溫度應力，實現對溫度裂縫的控制，而且將后澆帶改為施工縫，施工工藝簡便，縮短了施工工期，且使結構整體性提前形成，模板周轉倒運方便。

合理的分倉不僅能減小整體溫度應力，降低混凝土內表溫差，避免不同倉塊間溫度應力相互影響，而且使施工更為方便。分倉原則為：

1)根據DB11/T 1200-2015《超長大體積混凝土結構跳倉法技術規(guī)程》附錄B，計算跳倉倉塊最大長度。

2)需控制倉塊結構尺寸在40 m以內。

3)分倉縫位置應避開集水井、基坑等結構變化大的位置。

4)應考慮到實際工程中當天要澆倉塊的混凝土方量能否及時供應。

北海大體積混凝土基礎底板為異形板，由于此工程項目結構長度遠大于1 m，符合大體積混凝土工程，而跳倉法有利于溫度裂縫控制，選故擇使用跳倉法施工。按照分區(qū)原則將大體積混凝土基礎底板劃分成6個區(qū)域，總澆筑方量達4 518 m3，1～6區(qū)澆筑方量分別為708.4，753.2，755.1，793.3，755.1，753.2 m3，具體分倉圖見圖1。除了第4區(qū)由于結構不規(guī)則原因，下方尺寸達到42.7 m外，其余區(qū)域尺寸皆滿足分區(qū)原則。按照區(qū)塊①→②→③→④→⑤→⑥的順序逐一澆筑，每澆筑完一個區(qū)后，間隔7 d再澆筑下一個區(qū)。在澆筑之前，需要灑水加冰進行降溫，降低混凝土入模溫度。澆筑完成后，在其表面除了包上塑料薄膜外，還要蓋上棉被、草袋等進行養(yǎng)護。

圖1 分倉圖(單位：mm)

由于各區(qū)澆筑方量均較大，為保證連續(xù)澆筑，設置有2個攪拌站，及16臺攪拌運輸車，輪流供應混凝土，并配備有挖機隨時掃清路障，澆筑時分層澆筑，加強振搗。

2.2 溫度測點布置

為實時監(jiān)測混凝土澆筑后的內部最高溫度及內表最大溫差，在混凝土內部預先設置測點[8]，并預埋溫度傳感器。為防止個別測點數據丟失，每一倉布置了6個測點，分2層布置。測點布置選取原則為。

1)測點位置應該較均勻地布置在各倉的內部，防止個別部位數據的差異化。

2)測點位置能夠有效記錄混凝土的內部和表層溫度。

測點布置為：中部測點分布在每一倉的中線上，主要是了解混凝土內部的溫度梯度變化；上部的測點分布在混凝土表面往下10 cm的位置，主要是了解混凝土表面的溫度梯度變化。一共布置36個測點，具體測點布置平面圖和立面圖見圖2。

圖2 測點布置示意(單位：mm)

2.3 溫控要求

為預防混凝土開裂，根據規(guī)范要求[9]及其他參考文獻[10]，引入以下溫控標準。

1)在混凝土厚度不超過1.5 m時，其內表最大溫差不超過20 ℃。

2)減小混凝土的溫升值，最大溫升不應大于初始溫度50 ℃。

3)減小混凝土內部溫度峰值，控制其最高溫度不超過65 ℃。

2.4 實測結果分析

由于測點較多，部分溫度傳感器在澆筑時損壞，每個分區(qū)選取1組數據完整且有效的內表溫度測點進行分析。1～6區(qū)內表溫度工程實測值見圖3。

圖3 1～6區(qū)內表溫度工程實測值

由圖3可知，在混凝土澆筑前期，由于水泥水化釋放大量的水化熱，溫度迅速上升，大約48 h后達到峰值，后由于與空氣對流散熱，溫度開始下降，約180 h后達到平穩(wěn)狀態(tài)，接近環(huán)境溫度。1～6區(qū)工程實測的溫度峰值、最大內表溫差及最大溫升值見表3。如表3所示，1～6區(qū)內部最高溫度分別為53.5，61.2，59.2，61.4，63.6，63 ℃，皆小于65 ℃；1～6區(qū)內表最大溫差分別為13，15.4，10.7，11.1，17.8，17.4 ℃，皆小于20 ℃；混凝土最大溫升值為3區(qū)的40.7 ℃，也小于50 ℃，均符合溫控要求。故從整體上看，選用中熱高鐵相水泥為混凝土材料，并結合使用跳倉法施工，能達到溫控預期目標，溫控方案是合理且有效的。

表3 1～6區(qū)工程實測的溫度峰值、最大內表溫差及最大溫升值 ℃

3 溫度場數值模擬

3.1 有限元模型

采用軟件midas FEA對北海大體積混凝土基礎底板跳倉法施工進行有限元模擬，由于內部鋼筋所占體積較少，且對溫度結果影響較小，故忽略鋼筋對混凝土水化熱的影響。建模分2層，下層為基礎模擬地面，上層為底板主體結構，網格劃分采用四面體單元，共有51 489個節(jié)點和38 598個單元。考慮到地面土壤溫度約20 ℃，對基礎底面進行固定約束并施加強制溫度20 ℃。由于在3～6月份澆筑，取平均環(huán)境溫度25 ℃，在澆筑前有灑水降溫，入模溫度取18 ℃，每個與空氣接觸的截面設置對流邊界，空氣對流系數為13 W/(mm2·℃)，取上層所有C60混凝土結構為熱源對象，按照跳倉法順序，逐一定義6個施工階段，有限元模型圖見圖4。

圖4 有限元模型

3.2 仿真結果與實測結果對比分析

由于工程實測的結構內表溫差最大值為17.8 ℃，溫度峰值為63.6 ℃，均出現在第5區(qū)(見表3)，因此第5區(qū)為溫度裂縫控制的最不利區(qū)域。因此選取第5區(qū)E3、E4測點結果與有限元模型中第5區(qū)測點所對應節(jié)點的溫度場結果進行比較，第5區(qū)溫度云圖見圖5、第5區(qū)實測的內表溫度見表4。其中E3測點反映的是混凝土表層的溫度場變化，E4測點反映的是混凝土內部的溫度場變化。圖5為第5區(qū)分別在在24，48，96 h后的溫度云圖，其中圖5b)為48 h后達到溫度峰值59.5 ℃的溫度包絡圖，從圖上看，由于表層四周設置有對流邊界，與外界空氣進行熱交換，故散熱較快，而內部熱量難以釋放出來，故形成中心溫度高、四周溫度低的特點，這與表4中第5區(qū)工程實測溫度結果規(guī)律一致，內部溫度明顯高于表層溫度。

圖5 第5區(qū)溫度云圖(單位：℃)

表4 第5區(qū)工程實測的內表溫度

E3～E4測點工程實測與數值仿真溫度結果結果比較見圖6。由圖6可知，相比工程實測，數值仿真的溫度峰值到達時間早6 h左右，且工程實測的初始溫度和最終溫度均大于數值仿真結果，其主要原因在于實際工程中當天的溫度一直在波動，尤其晝夜溫差較大，在有限元軟件中的初始溫度和環(huán)境溫度是根據施工時所處季節(jié)設置的溫度平均值，忽略了溫度波動的影響。但從整體上看，E3、E4兩測點工程實測溫度與有限元仿真結果在溫度時程曲線上擬合較好，趨勢幾乎一致，溫度峰值也較為接近，誤差在工程允許范圍內，從而驗證了使用有限元軟件模擬混凝土水化熱過程的準確性，也進一步說明了跳倉法溫控方案的可行性。

圖6 E3～E4測點工程實測與數值仿真溫度結果比較

3.3 溫控建議

為防止混凝土開裂，根據上述所研究的大體積混凝土水化熱特點及溫控方案，提出以下溫控建議。

1)在混凝土澆筑前，采取灑水或加冰等措施降低混凝土入模溫度，從而減小混凝土內部溫度峰值。

2)符合大體積混凝土結構的項目考慮使用跳倉法施工，在遵循分區(qū)原則基礎上，減小分區(qū)結構尺寸。

3)在不影響結構安全的前提下，混凝土材料應盡可能選擇使用低中熱水泥，且減少水泥的用量，從總體上減小水泥的放熱量，從而減小混凝土的最大絕熱溫升。

4)混凝土在進行養(yǎng)護時，除了在其表面包一層塑料薄膜外，還可鋪上棉被或者草袋等，減小降溫速率，降低混凝土結構的內表溫差。

4 結論

對北海某大體積混凝土基礎底板結構采取跳倉法施工，提出溫控方案，并實時監(jiān)測混凝土內外溫度場變化，研究其水化熱規(guī)律及溫控效果。同時使用midas FEA軟件對該項目進行數值模擬，并與工程實測結果進行對比，得到以下結論。

1)高鐵相水泥混凝土具有較低的水化熱性能，有效降低了大體積混凝土施工階段的水化熱溫度，施工7 d以內最高溫度峰值控制在63.6 ℃，內表最大溫差為17.8 ℃，最大溫升值為40.7 ℃。

2)跳倉法溫控方案合理有效，成功控制了混凝土內部最高溫度、內表最大溫差和最大溫升值，均滿足溫控要求。表明選用中熱高鐵相水泥為混凝土材料，并結合使用跳倉法施工，能有效達到預期溫控目標，防止混凝土的開裂。

3)有限元仿真結果與工程實測結果擬合較好，說明利用有限元軟件模擬混凝土水化熱過程的準確性和可行性，可為混凝土的溫控設計提供理論依據。

4)將跳倉法尺寸設計與混凝土材料參數設計相結合能起到明顯的溫控作用，但是如何將兩者更有效結合還有待研究，因此若能提出一種跳倉法尺寸設計與混凝土材料參數設計相結合的優(yōu)化方案，跳倉法溫控作用將有望發(fā)揮至最佳。