摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，大體積混凝土在水利工程中的應(yīng)用日益加強，成為土木工程的研究熱點之一。本文從實際工程出發(fā)，利用有限元分析軟件，大體積混凝土進行了數(shù)值分析，探討了大體積混凝土中的溫度場和溫度應(yīng)力變化規(guī)律。最后，對大體積混凝土的產(chǎn)生的裂縫提出了控制措施，為大體積混凝土的研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；溫度應(yīng)力；裂縫

中圖分類號：TU991.34+1文獻標識碼：A

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，大體積混凝土越來越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代水利工程結(jié)構(gòu)中。我國大體積混凝土定義為：當基礎(chǔ)厚度大于1m，邊長大于20m，體積大于400m3的現(xiàn)澆混凝土稱為大體積混凝土。在大體積混凝土中，施工的關(guān)鍵為溫度控制問題。由于大體積混凝土體積大，水泥水化熱不易散發(fā)，這樣在外界環(huán)境或混凝土內(nèi)力的約束下，極易產(chǎn)生溫度收縮裂縫，給工程帶來不同程度的危害甚至會造成經(jīng)濟上的巨大損失，如何從水化熱產(chǎn)生的溫度變化這一角度進一步認識大體積混凝土，成為大體積混凝土施工中的一個重要的課題。據(jù)大體積混凝土所具有的特點，在其結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，通常是要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，但是由于混凝土自身的性質(zhì)決定了在施工的過程中，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中往往由于溫度的變化很大而產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，這正是研究大體積混凝土溫度應(yīng)力的所在之處。因此，對大體積混凝土的溫度場以及溫度應(yīng)力的研究也成為一個重要的研究課題。

1 生裂縫的原因

1.1 水化熱

水泥的水化熱能在混凝土內(nèi)部引起溫度應(yīng)力和溫度變形，導致大體積混凝產(chǎn)生裂縫。硬化初期，由于混凝土的強度和彈性模量都很低，對水化熱溫升約束不大，則相應(yīng)的溫度約束應(yīng)力較小。隨著水泥水化齡期的不斷增加，彈性模量的增加，大量的水化熱使混凝土內(nèi)部溫度不斷上升。當混凝土內(nèi)部與表面的溫差過大時，就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形，這種內(nèi)外溫差使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當這個拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。

1.2 約束條件變化

結(jié)構(gòu)物在變形過程中，必然會受到一定的“約束”而阻礙變形，這就是指“約束條件”。大體積混凝土，由于溫度變化產(chǎn)生變形受到約束，便產(chǎn)生了應(yīng)力，而當應(yīng)力超過某一個數(shù)值時，便引起裂縫。混凝土內(nèi)部孔隙水蒸發(fā)變化時，混凝土產(chǎn)生收縮變形，由干混凝土收縮變形引起的溫度應(yīng)力。

1.3 環(huán)境溫度變化

外界氣溫變化對大體積混凝土的影響很大，混凝土的內(nèi)部溫度是澆筑溫度、水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)散熱降溫等各種溫度的疊加之和，外界氣溫愈高，混凝土的結(jié)構(gòu)溫度也愈高，如外界溫度下降，會增加混凝土的降溫幅度，特別是在外界氣溫驟降時，會增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度.溫度應(yīng)力是由溫差引起的變形造成的，并且有較大的延續(xù)時間。

2 工程實例溫度應(yīng)力數(shù)值分析

浙江省某大橋，橋墩具有體積大、鋼筋密、是典型的大體積混凝土。配合比應(yīng)該考慮強度。其他因素通過試驗確定。

表1 混凝土配合比指標

新澆混凝土與鄰接的已硬化混凝土的溫差不得大于15攝氏度，混凝土內(nèi)部開始降溫前不得拆模?；炷翗蚨諡閷ΨQ結(jié)構(gòu)，選擇其1/4進行研究。模型采用空間八結(jié)點等參單元劃分網(wǎng)格(20×20×8)，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1網(wǎng)格劃分

根據(jù)水化熱公式：，Q0為330kJ/kg，a為0.69，b為0.56。為準確分析在施工階段大體積混凝土的溫度場、溫度應(yīng)力和溫度引起的位移的變化。每一施工階段預留一定的時間以便使混凝土可以充分水化。施工階段控制點溫度、應(yīng)力圖形如圖2～4所示。

圖2第一施工階段中心溫度和變化圖

圖3第一施工階段中心溫度和變化圖

圖4第一施工階段中心溫度和變化圖

從分階段施工模擬結(jié)果來看，控制點的溫度和溫度應(yīng)力，在大體積混凝土中的間控制方法?？梢圆扇〗档退療?，實現(xiàn)減少溫度差和干縮，采用水泥裹沙工藝，減少水泥的用量。采用管冷的方式，采用低水化熱水泥等措施以達到降低水化熱的目的，在溫度變化較高部位起到降低溫度應(yīng)力。這樣在混凝土的容許應(yīng)力范圍內(nèi)，不致引起溫度裂縫。

圖5匹配曲線

大體積混凝土，由于水泥水化溫升，使大體積混凝土在澆注后第3天達到峰值。接下來?；炷羶?nèi)外溫差均開始下降，在10天趨于平緩。

3 防范措施

大體積混凝土施工中，容易引起溫度裂縫，采取適當措施減少水泥用量，合理使用外加劑。還可以滿足現(xiàn)場混凝土的坍落度要求。大體積混凝土中埋設(shè)冷卻水管。通過冷卻循環(huán)帶走混凝土內(nèi)部的部分熱量，降低中心混凝土與表面混凝土之間的溫差?？刂苹炷恋某鰴C溫度和澆注溫度，水的比熱較大，但它所占質(zhì)量只為總質(zhì)量的6%左右，所以降低砂石的溫度效果最顯著.控制混凝土的澆注溫度，根據(jù)工程經(jīng)驗，一般可以采用改進攪拌工藝、改進混凝土的澆注溫度、合理的處理施工縫和混凝土的外表面等方法。

結(jié)語

考慮多種因素影響下大體積混凝土溫度應(yīng)力。利用有限元分析，研究大體積混凝土在溫度應(yīng)力作用下的溫度應(yīng)力。利用有限元分析軟件，針對實際工程傳感器檢測的溫度應(yīng)力，進行了數(shù)值模擬分析，并和現(xiàn)場測得的數(shù)據(jù)進行比較，推導大體積混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力的變化。研究表明，數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場試驗結(jié)果吻合，為進一步研究和工程應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

參考文獻

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