朱希文 袁偉斌 黃麗霞

1(浙江同濟科技職業(yè)學院 浙江 杭州 311231)2(浙江工業(yè)大學建筑工程學院 浙江 杭州 310023)3(杭州蕭山園林集團有限公司 浙江 杭州 311231)

0 引 言

大體積混凝土因其在澆筑過程中會產(chǎn)生大量的水化熱，導致混凝土內部產(chǎn)生裂縫進而破壞混凝土結構[1-4]。因此，不少研究學者通過理論公式和數(shù)值技術對大體積混凝土放熱進行計算。

余建杰等[5]用Midas對某高層建筑體積最大的7號樁承臺進行仿真分析，考慮在冷卻水管情況下對混凝土溫度場的影響，未對其他影響因素進行探究。李濤等[6]用Ansys對斗輪機的基礎建立計算模型仿真分析溫度裂縫，王強等[7]用abaqus對沈陽某工程超厚筏板基礎建立溫度場模擬分析，模擬數(shù)據(jù)比實測數(shù)據(jù)偏高。

本文以實際工程為例建立模型，導入COMSOL進行溫度模擬，估算在粉煤灰摻量20%時對大體積混凝土溫度的影響，分析其是否在保證混凝土強度同時可以減少混凝土裂縫。該模型以瞬態(tài)熱傳導方程為基礎，對其澆筑后20天溫度變化進行模擬，并與實測數(shù)據(jù)進行對比分析。推測其產(chǎn)生裂縫的原因，再通過導熱系數(shù)和澆注溫度等因素對大體積混凝土溫度裂縫控制進行模擬分析，并對其產(chǎn)生的影響效果進行對比分析，可為預防大體積混凝土開裂提供理論依據(jù)[8]。

1 工程概況及實測數(shù)據(jù)

濟南佳匯大廈工程地下3層，地上15層，大廈為筏形地基，基礎埋深10 m[9]，其混凝土配合比如表1所示。從基礎上選取三個點，分布對其進行監(jiān)測，并繪制其溫度與時間的變化關系如圖1所示。不同測點的分布位置如圖2所示。

表1 C40混凝土施工配合比

圖1 不同點處的溫度變化

圖2 不同測點分布位置

2 模擬參數(shù)設定

根據(jù)濟南佳匯大廈實際基礎平面圖建立三維模型，其基礎總體尺寸為50 m×50 m，最大厚度約為3.2 m，四周局部厚度約為2.2 m。根據(jù)CAD尺寸將該基礎尺寸導入COMSOL軟件中，并取C點進行計算。混凝土基礎的基本參數(shù)如表2所示[9]。

表2 材料的基本參數(shù)

3 模型驗證

將測點處模擬溫度數(shù)據(jù)與混凝土溫度實測數(shù)據(jù)進行對比分析。如圖3所示，COMSOL計算得到的C點的溫度數(shù)值，并發(fā)現(xiàn)計算結果與現(xiàn)場實測曲線基本吻合，數(shù)值相差不大。如：在C點頂部第12 h時，實測數(shù)據(jù)為18.1 ℃，而模擬值為17.8 ℃；相應的中部實測值為29.4 ℃，而模擬值為28.8 ℃。COMSOL仿真計算得到的數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)誤差均在10%以內，如表3所示。因此本文模型與實際工程較為匹配，可利用該模型進行計算。

圖3 C點實測值與模擬值對比

表3 預測值與實測值的誤差

4 結果及分析

4.1 導熱系數(shù)的影響

如圖4所示，當混凝土導熱系數(shù)為3(W/(m.k))時，C點頂部溫度為25.1 ℃，而中部溫度為52.7 ℃；隨著混凝土導熱系數(shù)增加時，C點的溫度逐漸降低。而當導熱系數(shù)大于6(W/(m.k))時，頂部和中部溫度差小于30 ℃，滿足最新規(guī)范要求。

這是因為導熱系數(shù)增加則傳熱速率也就逐漸增加，大體積混凝土耗熱較快，能夠有效減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。因此，在施工過程中應合理選擇混凝土的種類：配合比的優(yōu)化或摻合料的摻入。

圖4 不同導熱系數(shù)對溫度影響

4.2 澆筑溫度的影響

澆筑溫度是指大體積混凝土在澆筑過程時空氣的溫度，也即為室外溫度。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，當澆筑溫度為0 ℃時，C點頂部溫度為25.13 ℃，而中部為48.23 ℃。隨著澆筑溫度的上升，C點處的溫度也在逐漸上升。并且頂部和中部的溫差也逐漸上升，根據(jù)計算結果，當澆筑溫度大于25℃時，大體積混凝土內部溫差會超過30 ℃，因而不滿足規(guī)范要求即會出現(xiàn)裂縫。

這是因為，澆筑溫度即空氣溫度會作為邊界條件參與大體積混凝土放熱過程中，繼而對傳熱過程產(chǎn)生影響。因此，通常大體積混凝土施工需要在冬季施工，這樣能夠避免裂縫的產(chǎn)生。

圖5 不同澆筑溫度對溫度的影響

5 結 語

通過COMSOL軟件對大體積混凝土放熱過程及其影響因素進行計算分析，得出了以下結論：

(1) 大體積混凝土在澆筑完后3 d左右，表里溫度差會大于30 ℃，超過規(guī)范要求，此時混凝土內部會出現(xiàn)裂縫。因此，建議需在澆筑完1～3 d內對大體積進行灑水降溫處理。

(2) 建立的COMSOL仿真模型，能夠較好地與實測數(shù)據(jù)吻合，其最大正負誤差為10%。誤差原因主要來自于實際工程中室外空氣溫度的不確定性，而在仿真模擬中室外空氣溫度給出的是平均值。

(3) 通過建立的仿真模型得出，大體積混凝土溫度建筑溫度增大會使混凝土內部的溫度應力逐漸增大，導致裂縫的產(chǎn)生。因此建議澆筑溫度在25 ℃以下最佳，這也是大部分大體積混凝土工程多在冬天澆筑的原因。

(4) 通過調整混凝土的配合比，能夠使得混凝土的導熱系數(shù)值降低，從而減緩了傳熱過程，避免了溫度裂縫的形成。通過模擬得出，當混凝土導熱系數(shù)低于6 W/(m.k)后，即粉煤灰摻量10%，能夠有效避免裂縫產(chǎn)生。