喻 龍

（江西省贛西航道事務(wù)中心,江西 宜春 336000）

0 引言

混凝土水化熱溫度場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生溫度梯度和溫度應(yīng)力，在混凝土收縮受到約束后引發(fā)拉應(yīng)力，一旦超出混凝土極限抗拉強(qiáng)度，便會(huì)造成混凝土溫度裂縫，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)承載力、防水性和耐久性。溫度控制是港航工程大體積混凝土施工控制的關(guān)鍵，大體積混凝土溫度裂縫的發(fā)生較為隱蔽，且破壞性巨大，常規(guī)的經(jīng)驗(yàn)公式分時(shí)間點(diǎn)計(jì)算大體積混凝土內(nèi)部溫升，無法考慮溫度變化的連續(xù)性，計(jì)算過程復(fù)雜，結(jié)果缺乏可靠性。為此，該文采用有限元法展開港航工程大體積混凝土底板溫度場(chǎng)模擬分析，通過研究溫升規(guī)律，為溫度控制提供有效措施。

1 工程概況

某港口航道工程所處環(huán)境特殊，地區(qū)多年平均氣溫為32.3 ℃，最高氣溫一般出現(xiàn)在6—8月份。為避開航運(yùn)高峰，將底板施工對(duì)航道運(yùn)行的擾動(dòng)降至最低，底板大體積混凝土施工安排在2020年11月—次年7月進(jìn)行，施工過程涉及冬、春、夏三季，存在一定的溫度控制難度。考慮到該底板大體積混凝土截面尺寸大，混凝土澆筑及硬化過程中的水化熱必將引起溫度變化，造成混凝土收縮。在與外界約束條件共同作用后，溫縮應(yīng)力增大，引發(fā)大體積混凝土溫度裂縫的可能性也較大。

2 大體積混凝土底板有限元分析

2.1 模型構(gòu)建

應(yīng)用Midas有限元軟件展開大體積混凝土溫度場(chǎng)分布及變化規(guī)律模擬分析時(shí)，應(yīng)用有限單元法在空間域和時(shí)間域展開結(jié)構(gòu)離散[1]。在熱傳導(dǎo)分析時(shí)，主要考慮水泥水化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量、傳導(dǎo)、對(duì)流等因素隨時(shí)間變化的過程。

采用大體積混凝土和地基實(shí)體模型展開計(jì)算，底板混凝土長(zhǎng)46 m，寬44 m，厚1.7 m；地基長(zhǎng)72 m，寬65 m，厚2.6 m?？紤]到底板結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，為簡(jiǎn)化分析，取1/4展開模型構(gòu)建和分析，并通過對(duì)稱邊界條件查看底板內(nèi)部溫度分布。模型共包括8 697個(gè)單元和10 581個(gè)節(jié)點(diǎn)，具體見圖1。

圖1 模型簡(jiǎn)圖

混凝土入模溫度為23.5 ℃，澆筑施工時(shí)環(huán)境溫度為25 ℃。結(jié)合混凝土配合比設(shè)計(jì)確定水泥用量，進(jìn)而得到混凝土絕熱溫升[2]，公式如下：

式中，Th——混凝土最大絕熱溫升（℃）；mc——水泥實(shí)際用量（kg/m3）；K——摻合料折減系數(shù)，取0.30；F——活性摻合料用量（kg/m3）；Q——水泥28 d水化熱（kJ/kg）；C——混凝土比熱[kJ/(kg·℃)]；ρ——混凝土密度（kg/m3）。將相關(guān)參數(shù)值代入后求得混凝土最大絕熱溫升為47.6 ℃。

其余熱學(xué)參數(shù)取值情況見表1。

表1 材料熱學(xué)參數(shù)取值

2.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)所得到的大體積混凝土底板中心上層、中層和下層溫度變化曲線（圖2）可知，中心處水化熱最高，溫度峰值也最大，等溫區(qū)范圍內(nèi)溫度變化層次均較直觀[3]。大體積混凝土內(nèi)部各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)基本一致，即升溫階段頂面溫升迅速，中心溫升緩慢，底部溫升時(shí)間更長(zhǎng)；降溫階段頂面溫降迅速，中心及底部溫降緩慢，并以散熱降溫為主要特征。

圖2 大體積混凝土底板中心溫度計(jì)算曲線

上下表面和中間溫度在24 h內(nèi)相差不大，底板溫度場(chǎng)也較均勻。隨著齡期增大，溫度曲線逐漸右凸，頂面和中間溫度差增大，并表現(xiàn)出一定的溫度梯度，即臨近頂面的溫度梯度大，中心內(nèi)部溫度梯度小，在外界環(huán)境的影響下從中心向頂面溫度梯度越來越大。

上表面具備較好的散熱條件，故在10 d后基本與大氣溫度接近，但混凝土筏基深厚，平面尺寸大，中部混凝土散熱較難，故中心溫度最高，隨著水化熱的持續(xù)累積，中心最高溫度表現(xiàn)出相對(duì)滯后性。

3 底板施工溫度控制

造成港航工程大體積混凝土施工裂縫的原因主要有混凝土內(nèi)部應(yīng)力、收縮力度等方面。

（1）從混凝土內(nèi)部應(yīng)力角度看，大體積混凝土施工質(zhì)量受溫度的影響較大，若缺乏有效的溫控措施，必然出現(xiàn)不同程度施工裂縫。大體積混凝土制備過程中將產(chǎn)生大量熱量，混凝土澆筑后內(nèi)層散熱緩慢，造成內(nèi)外溫度差。過大的溫差會(huì)使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力，引發(fā)結(jié)構(gòu)裂縫。

（2）從收縮力度角度看，大體積混凝土澆筑結(jié)束后，應(yīng)預(yù)留出混凝土散熱時(shí)間，但港航工程施工環(huán)境特殊，此期間必然有水分浸入混凝土結(jié)構(gòu)，引發(fā)結(jié)構(gòu)收縮。當(dāng)混凝土收縮力度超出材料可承受范圍時(shí)，同樣引發(fā)結(jié)構(gòu)裂縫。該文在深入分析港航工程大體積混凝土施工裂縫原因的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地提出溫控措施。

3.1 改善混凝土抗裂性能

該港航工程混凝土底板采用P.O32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其7 d水化熱為253 kJ/kg，比42.5級(jí)硅酸鹽水泥水化熱低20 kJ/kg。為增強(qiáng)水泥材料補(bǔ)償收縮特性，其MgO含量為2.8%，燒失量較低。按照膠材用量的20%在水泥中摻加Ⅱ級(jí)粉煤灰，使膠材7 d水化熱降至222 kJ/kg。此外，摻加緩凝高效減水劑能降低混凝土拌和用水量和水泥用量，改善和易性，并能降低混凝土內(nèi)部溫升，提升混凝土材料失水收縮性能。

優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)確定最佳集料級(jí)配，提升混凝土和易性、黏結(jié)性及均勻密實(shí)性。二級(jí)配混凝土砂料細(xì)度模數(shù)為2.8時(shí)的最優(yōu)砂率為33.9%，中石與小石比為55∶45。石料含泥量應(yīng)不超出1.0%。

在配合比設(shè)計(jì)階段，主要進(jìn)行了粉煤灰摻量為0%、15%、20%以及摻加增密劑、緩凝劑、膨脹劑下混凝土性能試驗(yàn)，并檢測(cè)出齡期為3 d、7 d、14 d、28 d、90 d的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量等值。在混凝土抗?jié)B、抗壓、強(qiáng)度指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選擇極限拉伸大、軸心抗拉強(qiáng)度高、體積呈微膨脹變形的配合比，展開混凝土制備，以便從材料特性上增強(qiáng)混凝土抗裂性能。

配合比試驗(yàn)成果顯示，該港航工程大體積混凝土底板施工時(shí)C30混凝土中水泥、粉煤灰用量分別為272 kg/m3和68 kg/m3，28 d抗拉強(qiáng)度為3.22 MPa，極限拉伸值為0.87×10-4；7 d體積變形量為20.5×10-6；水膠比為0.5時(shí)，摻加20%粉煤灰后混凝土16 d絕熱溫升僅為22.7 ℃，對(duì)加強(qiáng)底板施工大體積混凝土溫度控制十分有利；混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)均高出同等級(jí)常規(guī)混凝土。

3.2 優(yōu)化約束條件

底板混凝土斷面突變結(jié)合部位為應(yīng)力集中區(qū)，因應(yīng)力集中引發(fā)結(jié)構(gòu)裂縫的可能性也較大。為此，應(yīng)同時(shí)進(jìn)行底板與底部混凝土澆筑施工，以分散和改善應(yīng)力條件。此外，應(yīng)加強(qiáng)底板混凝土澆筑施工間歇期控制，降低底板混凝土對(duì)后澆混凝土的約束[4]。間歇期一般為14 d左右。

3.3 控制內(nèi)部溫升

考慮到該港航工程底板施工工期長(zhǎng)，跨越冬、春、夏三季，必須針對(duì)不同季節(jié)展開混凝土內(nèi)部溫升控制。冬季施工時(shí)，應(yīng)用鍋爐加熱拌和水，罐車保溫，倉(cāng)面設(shè)置暖棚；夜間溫度較低的情況下?lián)郊臃纼鰟┗蛲Ｖ故┕?，將混凝土入倉(cāng)溫度嚴(yán)格控制在8 ℃以上，避免混凝土遭受低溫凍害。

夏季施工時(shí)，應(yīng)搭設(shè)集料遮陽(yáng)棚，并適當(dāng)增大料堆高度，以降低料堆中下部溫度；拌和用水采用加冰措施，并在倉(cāng)面搭設(shè)遮陽(yáng)棚，混凝土澆筑施工盡可能避開高溫時(shí)段；將混凝土入倉(cāng)溫度嚴(yán)格控制在28 ℃以下。

3.4 加強(qiáng)機(jī)械化施工

該港航工程底板施工時(shí)采用自動(dòng)化程度較高的4 m3拌和站生產(chǎn)混凝土，罐車配合運(yùn)輸，確保澆筑過程連續(xù)進(jìn)行。拌和站內(nèi)必須配備專職質(zhì)檢員，結(jié)合集料含水量、超遜徑變化調(diào)整配合比，確?；炷辆鶆?，并將混凝土出機(jī)塌落度和入倉(cāng)塌落度控制在5~7 cm和4~6 cm以內(nèi)。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，混凝土最大、最小塌落度分別為7.9 cm和4.1 cm，均值為5.0 cm。較低的塌落度對(duì)混凝土收縮裂縫控制十分有利。

底板混凝土采用吊罐和胎帶機(jī)配合的入倉(cāng)方式，因胎帶機(jī)具備自動(dòng)布倉(cāng)功能，能減少人工翻倉(cāng)平倉(cāng)工作量，并能提升混凝土均質(zhì)性和施工工效。澆筑結(jié)束后實(shí)測(cè)底板混凝土抗壓強(qiáng)度為29.8 MPa，均方差1.84 MPa，強(qiáng)度保證率達(dá)到99.6%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，混凝土均質(zhì)性及溫度控制效果均較好。

3.5 布設(shè)冷卻水管

結(jié)合溫控驗(yàn)算結(jié)果，應(yīng)在該港航工程底板大體積混凝土結(jié)構(gòu)中布設(shè)1層冷卻水管，間距為1.0 m，與周邊相距1.5~2.0 m，以有效降低混凝土內(nèi)部溫升，避免因溫度應(yīng)力過大而引發(fā)結(jié)構(gòu)裂縫。布設(shè)好冷卻水管后，應(yīng)合理控制通水時(shí)間，在水管處混凝土澆筑振搗結(jié)束后立即通水，并根據(jù)內(nèi)外溫差靈活調(diào)整通水時(shí)間。具體而言，第1 d按照4 h間隔調(diào)整1次水流方向；第2~3 d按6 h間隔調(diào)整1次水流方向；第4~5 d按12 h間隔調(diào)整1次水流方向。初始通水流量為0.9 m3/h，此后則根據(jù)通水時(shí)間和內(nèi)外溫差調(diào)整通水流量，增強(qiáng)冷卻效果。

3.6 加強(qiáng)保溫保濕養(yǎng)護(hù)

該港航工程大體積混凝土底板冬季澆筑施工時(shí)采用蓄熱法保溫，夏季則通過流水保濕降溫，以控制內(nèi)外溫差。冬季氣溫較低，澆筑過程中在模板外部粘貼2 cm厚的苯板保溫材料，澆筑結(jié)束后覆蓋土工布保溫，并將拆模時(shí)間延長(zhǎng)至14 d。拆模過程應(yīng)安排在溫度較高時(shí)進(jìn)行，拆模后及時(shí)用塑料布裹覆保溫，最外層包裹一層土工布。如遇氣溫驟降，應(yīng)加蓋草簾棉被，控制表面熱量散失過快；待來年氣溫回升且混凝土內(nèi)外溫差降至允許范圍內(nèi)后再將保溫材料完全拆除。

夏季溫度較高，待底板混凝土初凝后表面覆蓋塑料膜保濕，終凝后覆蓋土工布并灑水降溫；拆模后繼續(xù)覆蓋土工布養(yǎng)生14 d。在混凝土內(nèi)外溫差過大的情況下，必須降低冷卻水管進(jìn)水溫度、提升水流流速[5]。

3.7 加強(qiáng)溫度測(cè)控

在底板大體積混凝土內(nèi)不同部位埋設(shè)30支溫度計(jì)，展開溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集混凝土內(nèi)外溫度及環(huán)境溫度值；將混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差嚴(yán)格控制在20 ℃以內(nèi)，降溫速率不超出1.5~3.0 ℃/h。如果超出以上要求，必須立即采取控制措施?；炷翝仓跗诿扛? h展開1次溫度監(jiān)測(cè)，澆筑后期則每隔6 d進(jìn)行1次溫度監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，底板大體積混凝土內(nèi)外溫差最大不超出15 ℃。該港航工程大體積混凝土底板施工期間，混凝土最大絕熱溫度為48.8 ℃，表面溫度33.3 ℃，根據(jù)式（1）可以計(jì)算出大體積混凝土內(nèi)外溫差為15.5 ℃，計(jì)算值與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，表明該港航工程大體積混凝土溫控措施切實(shí)有效。

4 結(jié)論

綜上所述，通過有限元分析，提前確定出大體積混凝土底板在混凝土澆筑施工全過程中溫度場(chǎng)分布及變化趨勢(shì)，并得出不同澆筑時(shí)刻和養(yǎng)護(hù)齡期溫度計(jì)算值、溫度梯度，對(duì)可能發(fā)生溫度裂縫的部位展開預(yù)測(cè)，結(jié)合計(jì)算溫差和降溫速率提前采取可行的防控措施。在應(yīng)用該文所提出的溫控措施后，該港航工程底板大體積混凝土內(nèi)外溫差、結(jié)構(gòu)抗裂性能、施工質(zhì)量均得到較好控制，有效避免了混凝土內(nèi)外溫差引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，底板混凝土性能得以保證。底板混凝土于2020年10月2日拆模，此后持續(xù)觀測(cè)6個(gè)月，并未發(fā)現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)裂縫和溫度裂縫，取得了較好的大體積混凝土溫控效果，也為類似工程提供了成功經(jīng)驗(yàn)。