李小東LI Xiao-dong

（安徽送變電工程有限公司，合肥 230000）

0 引言

大體積混凝土是一種體積最小不超過1 米，由于水泥基體水化而發(fā)生溫差變形、開裂的大型混凝土。由于水泥水化的作用，將其分為表層裂縫、內(nèi)部裂縫和貫通裂縫三種類型。但因其熱導(dǎo)率低，且截面較大，導(dǎo)致其在水化反應(yīng)中散發(fā)的熱量較多，難以經(jīng)表層對流散熱，內(nèi)部溫差逐步增加，導(dǎo)致內(nèi)部溫度拉伸應(yīng)力持續(xù)增加，當(dāng)其超過其最大抗拉強度時就會出現(xiàn)表層裂紋。在寒冷條件下，大面積澆筑混凝土不但會加大其內(nèi)外表面溫度，還會加速其冷卻速度，從而加劇其產(chǎn)生內(nèi)、外裂紋及貫通裂紋的危險。如果控制不好則會導(dǎo)致混凝土耐久性下降，進而對其力學(xué)行為產(chǎn)生不利影響。為此，開展寒冷地區(qū)大體積混凝土的溫度控制與控制方法研究是一項十分必要的工作。目前，對于大體積混凝土在較低溫度條件下的溫度控制，已有較多的理論與技術(shù)積累。但其形成原因很多，如水泥水化熱、澆筑溫度、環(huán)境溫度和保溫措施等，都會對其產(chǎn)生很大的影響，因此，對于特定的工程還需要進行深入的研究和分析，從而制定出最優(yōu)的溫度控制措施。

1 水化熱控制

1.1 絕熱升溫

水泥水化熱是影響大體積混凝土溫度應(yīng)力場的重要原因，其水化后的熱能在混凝土中不斷累積，導(dǎo)致其溫升迅速增加，從而有效地防止其開裂。黑龍江省佳木斯松花江大橋主墩零號塊的設(shè)計強度為C55，按照GB50496-2018《大體積混凝土施工規(guī)范》中規(guī)定的方法，對3 種水泥摻量的混合比例進行熱力學(xué)分析，得出各種混合比例下的保溫溫度增值（詳見表1）。研究表明，水泥基材料摻量越多，其溫度增值越高，到達最高溫度的速度越快[1]。

1.2 混凝土強度發(fā)展

由溫差引起的內(nèi)部膨脹與收縮，內(nèi)外限制使得內(nèi)部應(yīng)力得不到有效釋放，從而在表層形成了拉伸應(yīng)力。根據(jù)GB/T50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》對C55 混凝土進行強度測試，獲得3 天、7 天、14 天、28 天、56天的抗壓強度，以及相應(yīng)的拉伸強度和彈性模量，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，得出不同齡期的混凝土在不同齡期下的不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能。

從表2 可以看出，在60 天齡期，其最大抗壓強度和最大抗拉強度分別達到61.5MPa 和4.39MPa，而早期的最大抗壓強度是很低的。從圖1 可以看出，在60 天齡期，其彈性模數(shù)是由大至小變化的，最高達35600MPa[2]。而混凝土的抗拉強度是決定其斷裂的關(guān)鍵因素，而其彈模又與其熱膨脹引起的溫度應(yīng)力有關(guān)，因此，早期的混凝土因其自身的強度不足，難以消除對其造成的不利影響。在工程準(zhǔn)備期進行混凝土的機械特性測試，可以為大體積混凝土的熱力計算與模擬研究，獲得更符合工程需要的溫度應(yīng)力場，從而獲得相應(yīng)的控制溫度。

圖1 混凝土彈性模量時程曲線

表2 C55 混凝土力學(xué)性能測試結(jié)果

1.3 入模溫度

通過對5℃，10℃，15℃，20℃4 種澆注溫度下的保溫升溫和熱導(dǎo)率的變化規(guī)律，得到不同澆注溫度下的保溫效果。根據(jù)表3 可以看出，澆注溫度對混凝土的最高溫升影響不大，但對其熱導(dǎo)率有很大的作用，因此，澆注溫度對其升溫速度有很大的影響[3]。GB50496-2018 規(guī)定，澆注溫度應(yīng)在5-30℃之間，但由于冬天的澆注溫度過高，因此應(yīng)將澆注溫度控制在5℃以下。

表3 不同入模溫度下混凝土絕熱溫升值及導(dǎo)熱系數(shù)

2 無保溫措施熱力耦合分析

2.1 網(wǎng)格剖分、邊界條件及荷載

零號塊為上段20 米，下段16 米，高7 米，厚度3 米，分層進行澆注。在考慮大氣對流作用、底部約束作用、溫度荷載和重力荷載作用的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)劃分為3360 個單元、4305 個節(jié)點（如表4）。

表4 混凝土熱工參數(shù)

2.2 溫度場分析

通過對零號段混凝土在72 小時內(nèi)的混凝土進行模擬計算，得出混凝土在72 小時內(nèi)的最大溫差。零號塊內(nèi)部的高溫高達最高值，由于空氣對流作用，表層熱能急劇下降，產(chǎn)生了明顯的溫差。結(jié)果顯示，在砼澆筑初期，由于水泥水化的作用，其釋放出的熱能要比向表層傳遞的熱能多，并在其內(nèi)部逐步累積。通過模擬計算，得出混凝土結(jié)構(gòu)中各個階段的最高、最低處的溫度，并給出相應(yīng)的溫度歷程。

從圖2 以看出，在澆注完以后，其內(nèi)部的溫度呈現(xiàn)出快速上升和緩慢下降的趨勢。零號區(qū)塊的混凝土在72 小時內(nèi)的最大溫 升速度分別為62.95°C、19.26°C/d 和41.65°C/d；低溫期的溫度變化幅度分別為-2.14℃/天和-5.19℃/天；混凝土表面溫度90 小時內(nèi)最大值為66.76℃；雖然溫度沒有超出規(guī)定的50 度，但是其冷卻速度、內(nèi)表面的溫度差已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計的規(guī)定[4]。

圖2 零號塊無保溫措施內(nèi)表溫度時程曲線

2.3 應(yīng)力場分析

通過對應(yīng)力場的解析，得到最大時間內(nèi)的應(yīng)力分布曲線，零件中的亮紅部分受拉，而藍(lán)光部分受壓。韓國的混凝土規(guī)程采用拉伸強度對溫度應(yīng)力的比值，也就是開裂率來表示裂紋的存在與否。在裂紋比超過1.5 的情況下無裂紋產(chǎn)生；當(dāng)裂隙比為1.2~1.5 時可防止裂隙的產(chǎn)生；當(dāng)裂隙率為0.7-1.2 時，可防止不利裂紋的產(chǎn)生。以混凝土的最大內(nèi)溫和最大外應(yīng)力作為參考點，并給出了相應(yīng)的裂紋率時間歷程圖（如圖3、圖4）。

圖3 零號塊無保溫措施應(yīng)力時程曲線

圖4 零號塊無保溫措施裂縫比率時程曲線

從圖3 和圖4 可以看出，零號塊的表面在混凝土的強度和彈性模數(shù)的變化中始終受到拉伸；早期的混凝土是受壓的，但隨著氣溫的下降，其受拉的程度也隨之增加。在砼澆筑60 小時內(nèi)，砼的最大抗拉強度達6.01MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過砼的容許抗拉強度。當(dāng)混凝土在500 小時以后，混凝土中的拉伸強度不斷增加，最高達6.93MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土的容許抗拉強度[5]。

3 保溫措施后熱力耦合分析

為了改善空心磚的抗裂性能，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)母魺岱椒?，消除由外界溫度突然變化引起的溫差，從而達到設(shè)計要求。根據(jù)GB50496-2018，熱導(dǎo)率為0.05W/（m·K），通過1000 小時模擬比較，檢驗所采用的隔熱方法的可行性。

3.1 溫度場分析

由內(nèi)溫差的最高值及表層點畫出采用隔熱處理后的零點的內(nèi)表溫度歷程。從圖5 可以看出，在澆注完以后其內(nèi)部的溫度呈現(xiàn)出快速上升和緩慢下降的趨勢；試驗結(jié)果表明，混凝土表面溫度低于設(shè)計值50 度，冷卻速度及內(nèi)表面溫度均在設(shè)計范圍之內(nèi)。

3.2 應(yīng)力場分析

在此基礎(chǔ)上，用最大的內(nèi)溫和最大的面應(yīng)力分別畫出零號段采用隔熱處理前后的應(yīng)力時域圖，并給出相應(yīng)的裂紋率時間歷程。從圖6 和圖7 可以看出，在砼灌注72 小時內(nèi)，砼的最大抗拉強度是1.49MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于容許抗拉強度；在48 小時內(nèi)，混凝土的最大開裂率為1.72，在混凝土比超過1.5 的情況下，基本不會產(chǎn)生開裂。

圖6 零號塊采取保溫措施后應(yīng)力時程曲線

圖7 零號塊采取保溫措施后裂縫比率時程曲線

3.3 保溫措施對比分析

圖8 是采用隔熱處理前、后零號塊混凝土柱內(nèi)溫最高值的比較曲線。從圖8 可以看出，采用隔熱處理后的最高溫升比沒有隔熱的高1.15℃，出現(xiàn)的持續(xù)時間延遲8 小時，上升過程中的平均上升速度下降3.50℃/天，最高上升速度增加0.04℃/天，下降速度下降1.33℃/天，最高上升速度增加4.32℃/天[6]。

圖8 零號塊溫度時程對比

大體積混凝土的澆筑時間都是在溫度最低的時候進行的，通過對其進行溫度調(diào)控、采用各種保溫技術(shù)等，可以有效地防止內(nèi)部和外部溫差過大，減緩溫度下降速率，防止溫度裂紋的產(chǎn)生。