摘 要：為降低多風干旱地區(qū)大體積混凝土擋墻早期開裂風險，確保其整體施工質(zhì)量，以內(nèi)蒙古某焦化廠煤堆取作業(yè)廠房混凝土擋墻為例，使用有限元方法，針對其有無布置冷水管，擋墻澆筑長度、高度和厚度進行參數(shù)化分析，得到混凝土澆筑后的溫度場和應力場，并開展現(xiàn)場溫度監(jiān)測。結(jié)果表明：布置冷水管可以降低混凝土擋墻內(nèi)部溫度及里表溫差；澆筑長度小于30 m時，收縮應力隨澆筑長度增加而增大，大于30 m時，收縮應力無明顯變化；澆筑高度超過4 m或墻體厚度超過1.5 m時，收縮應力值趨近于抗拉強度，開裂風險也隨之增加；現(xiàn)場溫度監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，冷水管作用下混凝土內(nèi)部最大降溫6.6 ℃，最大里表溫差降低4.7 ℃。有限元模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果相吻合。研究成果可為多風干旱地區(qū)的混凝土擋墻設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：墻體工程；大體積混凝土；水化熱；收縮應力；有限元

中圖分類號：TU755" 文獻標識碼：A""文章編號：1008-1534（2024）06-0443-07

Temperature control analysis of mass concrete retaining wall construction in Inner Mongolia region

LIU Weiran^{1，2，3}， WU Haotian¹， HAN Jiantian⁴， FANG Bin⁵， YU Haifeng^1，2，3， GAO Renqing⁴

（1School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2Innovation Center of Disaster Prevention and Mitigation Technology for Geotechnical and Structural Systems of Hebei Province （Preparation）， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 3Engineering Technology Research Center for Intelligent Low-Carbon Assembled Building， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 4Hebei Sijian Construction Engineering Company Limited （HEBSJ）， Shijiazhuang， Hebei 050051， China； 5Hebei Province Green Building Promotion and Construction Engineering Standard Compilation Center， Shijiazhuang， Hebei 050011， China）

Abstract：

To reduce the early cracking risk in mass concrete retaining walls in windy and arid areas and ensure the overall construction quality， the concrete retaining wall for coal collection operation of a coking plant in Inner Mongolia was taken as an example to carry out a parametic analysis on the parameters （including the installation of cold water piper， the length， height and thickness of retaining wall） by utilizing the finite element method. In this way， the temperature and stress fields after pouring were determined. Furthermore， the on-site temperature monitoring was performed as well. The results indicate that installing cold water pipes can effectively reduce internal temperatures and temperature differentials within the concrete retaining wall. Shrinkage stress increases when the length is less than 30 m， and remains relatively stable when it is greater than 30 m. Besides， when the height exceeds 4 m or the thickness exceeds 1.5 m， the shrinkage stress is close to the tensile strength， and the risk of cracking also increases accordingly. On site temperature monitoring indicates that the maximum temperature drop inside the concrete under the action of the cold water pipe is 6.6 ℃ and the maximum temperature differential on the surface decreases by 4.7 ℃. The finite element simulation results are consistent with the actual monitoring results. The research results can provide reference for the design of the concrete retaining walls in windy and arid areas.

Keywords：

wall engineering; mass concrete; hydration heat; shrinkage stress; finite element

大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土^[1-2]。大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中易因水化反應導致里表溫差過大、降溫速率過快，從而使混凝土收縮開裂，一旦發(fā)生開裂，將會影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性^[3-8]。因此，諸如擋墻等大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫控問題一直是工程施工中重點關(guān)注的技術(shù)問題。

為避免大體積混凝土墻體有害裂縫的產(chǎn)生，眾多學者對不同墻體防裂措施展開深入探討。曾旻等^[9]、黃必斌等^[10]研究了材料對擋墻內(nèi)部溫升的影響，通過優(yōu)化混凝土的配合比可以降低水化熱和減小收縮變形，減少墻體裂縫；卞建華^[11]、鄧金云等^[12]、徐芹文等^[13]從施工工藝方面探討擋墻裂縫產(chǎn)生原因，強調(diào)施工中應保持基坑干燥、加強養(yǎng)護和合理布置冷水管以降低墻體開裂風險；李志鵬等^[14]、張晉元等^[15]發(fā)現(xiàn)澆筑尺寸會影響擋墻邊界約束，降低墻體澆筑尺寸可有效減小墻體裂縫寬度。

綜上所述，目前針對不同擋墻裂縫控制已取得一定進展，研究顯示除受材料性能、施工工藝和澆筑尺寸影響外，地區(qū)環(huán)境條件也會影響大體積混凝土的開裂，其中對潮濕炎熱環(huán)境積累的相關(guān)經(jīng)驗較多，而對多風干旱環(huán)境下大體積混凝土擋墻的相關(guān)研究較少^[16-17]。多風干旱的環(huán)境會帶走混凝土表面水分，不利于其早期養(yǎng)護，從而發(fā)生開裂。本文以內(nèi)蒙古某焦化廠煤堆取作業(yè)廠房擋墻為例，對有無冷水管和擋墻澆筑尺寸，開展多風干旱環(huán)境下大體積混凝土擋墻溫度場與應力場分析，根據(jù)有限元仿真結(jié)果優(yōu)化冷水管布置和澆筑尺寸，進行現(xiàn)場溫度監(jiān)測，以期對類似工程提供施工建議。

1 擋墻實況及模型建立

1.1 工程概況

內(nèi)蒙古某焦化廠煤堆取作業(yè)廠房是冶金焦炭生產(chǎn)和冶煉焦化產(chǎn)品、加工、回收的專業(yè)工廠，預計年產(chǎn)量達300萬t。建筑使用面積約為39 520 m²，其中擋墻體長46 m，高22.1 m，擋墻斷面為變截面梯形，厚0.55～2.00 m。混凝土強度等級為C35，選用的膠凝材料為P.O42.5級水泥、Ⅱ級粉煤灰；粗骨料選用5～25 mm的碎卵石；外加劑為PA-1；細骨料為級配良好的中砂?；炷僚浜媳纫罁?jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ 55—2011）^[18]，如表1所示，水膠比為0.33（質(zhì)量分數(shù)，下同），砂率為43%。

1.2 有限元模型

本研究采用MIDAS FEA NX進行擋墻有限元模擬分析，由于結(jié)構(gòu)對稱，為簡化計算，取擋墻的1/2進行建模以及水化熱分析，模擬溫度監(jiān)測位置與實際測溫位置相同，大體積混凝土擋墻有限元模型如圖1所示。

根據(jù)混凝土配合比的水泥用量和粉煤灰含量，膠凝材料水化熱折減系數(shù)取值為0.951，根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料輸入晝夜溫度數(shù)據(jù)，平均溫度為20 ℃，混凝土入模溫度為14 ℃，相對濕度為44%，根據(jù)《大體積混凝土施工標準》（GB 50496—2018）^[2]計算得到絕熱溫升值為59.0 ℃，混凝土材料參數(shù)如表2所示。

結(jié)合施工實際，大體積混凝土擋墻邊界條件有：1）擋墻與大氣間的熱對流邊界；2）擋墻與底板接觸邊界；3）分層澆筑產(chǎn)生的上下?lián)鯄孛娼佑|邊界。其中1）屬于第Ⅲ類邊界條件；2）和3）均屬于第Ⅳ類邊界條件。

第Ⅲ類邊界條件是混凝土表面與流體接觸的對流邊界，熱交換系數(shù)取大氣邊界對流系數(shù)為11.79 kJ/（m²·h·℃）；第Ⅳ類邊界條件是固體與固體表面的熱量交換，熱交換系數(shù)取混凝土導熱系數(shù)為10.6 kJ/（m²·h·℃）。

2 有限元參數(shù)化分析

2.1 有無冷水管對擋墻水化熱的影響

有限元模擬中對比有無冷水管2種工況下對混凝土擋墻水化反應的溫度影響，冷水管布置圖如圖2所示，冷水管相關(guān)參數(shù)如表3所示。

提取有限元模擬中混凝土擋墻表面、次中心、中心3處的溫度數(shù)據(jù)，混凝土澆筑10 d內(nèi)溫度變化趨勢、擋墻里表溫差和布置冷水管后降溫結(jié)果如圖3所示。

由圖3 a）可知，混凝土擋墻澆筑后溫度呈先上升再下降的變化趨勢，在澆筑48 h時達到溫度峰值。

由圖3 b）可知，布置冷水管可顯著減小混凝土擋墻的里表溫差，且冷水管降溫有區(qū)域性，擋墻中心混凝土降溫幅值最大，而擋墻表面混凝土由于距冷水管位置較遠，主要與外界空氣進行熱交換，其降溫幅值最小，且速率較快。這表明布置冷水管可以起到很好的溫度控制作用，降低大體積混凝土擋墻開裂風險。

2.2 澆筑尺寸對擋墻應力的影響

2.2.1 澆筑長度參數(shù)化分析

在實際工程應用中，選擇適當?shù)臐仓L度對于控制混凝土收縮裂縫至關(guān)重要。為研究澆筑長度對墻體收縮應力的影響，以10 m為增量，對長度10～60 m的墻體進行收縮應力有限元分析。

通過分析混凝土澆筑0～20 d 應力變化趨勢可知，最大主應力出現(xiàn)在澆筑的第7天，由《大體積混凝土施工標準》（GB 50496—2018）^[2]計算C35混凝土第7天抗拉強度為1.93 MPa，當擋墻最大主應力（即收縮應力）超過相應齡期抗拉強度時，表明存在開裂風險。墻體收縮應力與澆筑長度（L）的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，當澆筑長度小于30 m時，混凝土墻體收縮應力隨著澆筑長度的增大而增大，但收縮應力增長幅值較小，當澆筑長度大于30 m時，收縮應力值與澆筑長度無明顯相關(guān)性；第7天收縮應力最大值均低于混凝土對應齡期的抗拉強度。結(jié)果表明，混凝土收縮應力由澆筑方向約束混凝土水化反應熱變形產(chǎn)生，隨著澆筑長度的增加，長度方向邊界對混凝土中心的約束作用降低，則收縮應力最大值與澆筑長度無關(guān)。

2.2.2 澆筑高度參數(shù)化分析

在實際工程中，會遇到墻體高度超出一次性澆筑的限制，需要分層澆筑施工。為研究墻體澆筑高度對墻體收縮應力的影響，以0.5 m為增量，對澆筑高度3～5 m墻體的收縮應力進行有限元分析。墻體收縮應力與澆筑高度的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，在墻體厚度和澆筑長度相同條件下，混凝土澆筑高度越高，混凝土墻體收縮應力越大；以7 d齡期的抗拉強度1.93 MPa為界限，可以觀察到當澆筑高度低于4.5 m時，墻體最大收縮應力值低于抗拉強度，混凝土開裂可能性較低，當澆筑墻體高度從4.5 m升高至5.0 m時，收縮應力值增長至抗拉強度以上，開裂風險增加，考慮適當安全儲備，建議墻體一次性澆筑高度不高于4.0 m。

2.2.3 墻體厚度參數(shù)化分析

為研究不同混凝土擋墻厚度對混凝土墻體收縮應力的影響，分別對混凝土墻體最大厚度分別為1.2，1.5，1.8和2.1 m的混凝土墻體進行有限元分析。混凝土墻體收縮應力與墻體厚度的關(guān)系如圖6所示。

由圖6可知，在混凝土墻體澆筑長度和高度相同條件下，混凝土墻體厚度越大，混凝土墻體的收縮應力也越大。當混凝土墻體厚度為1.2 m時，收縮應力遠低于抗拉強度；當混凝土墻體厚度為1.5 m時，混凝土墻體收縮應力值略低于抗拉強度。而當混凝土墻體厚度分別為1.8 m和2.1 m時，混凝土墻體收縮應力大于抗拉強度，故建議實際施工中混凝土擋墻厚度超過1.5 m后，采取布置冷水管等措施降低水化熱峰值，以減小混凝土墻體開裂風險。

3 實際工程溫度監(jiān)測

3.1 冷水管及測溫點布設(shè)

在內(nèi)蒙古某焦化廠煤堆取作業(yè)廠房大體積混凝土擋墻項目選取2段相同施工尺寸擋墻：1#擋墻未布置冷水管；2#擋墻布置冷水管。

對內(nèi)蒙古焦化廠煤堆取作業(yè)廠房1#和2#混凝土擋墻進行溫度監(jiān)測，研究有無冷水管對混凝土擋墻溫度的影響，擋墻長、寬、高尺寸分別為46 m×（1.5～1.2） m×3.7 m，混凝土擋墻現(xiàn)場布置如圖7所示。

監(jiān)測現(xiàn)場溫度時，首先在擋墻鋼筋綁扎后與混凝土澆筑前布設(shè)測溫點，測溫點布設(shè)位置與有限元模擬測溫點位置相同，然后在混凝土澆筑完成后進行測溫，持續(xù)10 d左右測溫結(jié)束。

溫度監(jiān)測方案為布置2個測區(qū)8個測溫點，其中A測區(qū)位于擋墻高度中心位置，沿厚度方向布置T1—T5共5個測溫點；B測區(qū)位于距澆筑擋墻底部100 mm處，沿厚度方向布置T6—T8共3個測溫點，測溫點布置詳見圖8。1#和2#混凝土擋墻測溫點布設(shè)位置相同。

冷水管采用Φ48×3.2鋼管，水箱采用厚度為4 mm的鋼板焊制，水泵采用揚程為25 m的潛水泵；冷水管豎向布置在擋墻中部，進水管距擋墻端1 200 mm，距擋墻澆筑底600 mm，每個冷水管回路長2 000 mm，管間距1 500 mm，實際距離可根據(jù)結(jié)構(gòu)形式調(diào)整，擋墻冷水管布置圖如圖9所示。

3.2 測溫結(jié)果分析

取3個測溫點進行分析，分別為表面測溫點T1、次中心測溫點T2和中心測溫點T3，實測與有限元模擬混凝土擋墻溫度對比如圖10所示。

由實測溫度數(shù)據(jù)可知，無冷水管混凝土擋墻最高溫度出現(xiàn)在中心測溫點T3位置，時間為澆筑后48 h，溫度為51.8 ℃，有限元模擬對應時刻溫度為51.72 ℃；有管混凝土擋墻最高溫度出現(xiàn)位置及時間與無管混凝土擋墻相同，實測最高溫度為45.2 ℃，有限元模擬對應時刻溫度為44.18 ℃；實測與有限元模擬混凝土擋墻表面測溫點T1、次中心測溫點T2和中心測溫點T3，3處吻合均較好。

無管混凝土擋墻實測最大里表溫差為11.9 ℃，有管混凝土擋墻實測最大里表溫差為7.7 ℃，較無管混凝土擋墻下降了4.2 ℃；冷水管對混凝土內(nèi)部降溫影響作用最大，布置冷水管后T1，T2和T3位置最大降溫分別為4.7，6.1和6.6 ℃。由此可見，布置冷水管可以帶走混凝土在水化反應中產(chǎn)生的熱量，有效降低了大體積混凝土擋墻里表溫差和內(nèi)部溫度，從而降低混凝土擋墻開裂風險。

4 結(jié) 語

本文以內(nèi)蒙古某焦化廠煤堆取作業(yè)廠房擋墻為例，開展多風干旱環(huán)境下冷水管布置和澆筑尺寸對大體積混凝土擋墻的影響研究，得出以下結(jié)論。

1）混凝土擋墻在不布置冷水管的情況下，內(nèi)部絕熱溫升較大，由于混凝土熱傳導率低，且多風干旱環(huán)境不利于混凝土表面的保溫和保濕，易形成較大的里表溫差，導致開裂的風險增加。

2）冷水管可對混凝土擋墻起到很好的溫度控制作用，最大降溫為6.6 ℃，有效降低了混凝土最大里表溫差，表明合理的冷水管布置是控制混凝土水化熱溫度的有效措施。

3）混凝土擋墻收縮應力由澆筑方向約束混凝土水化反應熱變形產(chǎn)生，澆筑長度小于30 m時，擋墻收縮應力隨澆筑長度增大而增大，30 m以上澆筑長度時，收縮應力無明顯變化，混凝土澆筑高度和厚度的增加會使擋墻收縮應力明顯增大，一次性澆筑高度不宜超過4.0 m，墻體厚度超過1.5 m時，應采取布置冷水管有效預防混凝土墻體開裂。

4）混凝土擋墻的溫度場有限元仿真結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本吻合。

本研究通過有限元模擬和現(xiàn)場實測對有無冷水管和不同澆筑尺寸下的擋墻溫度場與應力場進行了研究，后續(xù)應進一步討論材料配合比、冷水管進水溫度變化及冷卻水流量等因素對大體積混凝土施工的影響。

參考文獻/References：

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京：清華大學出版社，2014.

[2] GB 50496—2018，大體積混凝土施工標準[S].

[3] 周撥云，王繼偉，牛彬.大體積混凝土裂縫的成因及控制[J].河北工業(yè)科技，2013，30（2）：100-103.

ZHOU Boyun，WANG Jiwei，NIU Bin.Causes of mass concrete crack and the control method[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2013，30（2）：100-103.

[4] 耿鳴山，林爾姬，呂建兵，等.大體積混凝土承臺的水化熱分析及溫控研究[J].混凝土，2021（9）：50-55.

GENG Mingshan，LIN Erji，LYU Jianbing，et al.Hydration heat analysis and temperature control of mass concrete pile cap[J].Concrete，2021（9）：50-55.

[5] 黃必斌，徐衛(wèi)春，駱朋輝，等.墻體大體積C50混凝土通水冷卻效果[J].工業(yè)建筑，2023，53（增刊2）：240-244.

HUANG Bibin，XU Weichun，LUO Penghui，et al.Water access cooling effect of wall mass C50 concrete[J]. Industrial Construction，2023，53（sup2）：240-244.

[6] 曹倩，吳先敏，李楊.水閘工程大體積混凝土施工溫度控制數(shù)值模擬研究[J].山東農(nóng)業(yè)大學學報（自然科學版），2023，54（6）：897-906.

CAO Qian，WU Xianmin，LI Yang.Numerical simulation of temperature control in mass concrete construction of sluice project[J].Journal of Shandong Agricultural University（Natural Science Edition），2023，54（6）：897-906.

[7] 王年豐，陳云鋒.橋梁主墩承臺大體積混凝土溫度控制技術(shù)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（增刊2）：1450-1453.

WANG Nianfeng，CHEN Yunfeng.Research on temperature control technology for large volume concrete of bridge main pier bearing platform[J].Building Structure，2023，53（sup2）：1450-1453.

[8] 呂國兒，湯群益，王定仕，等.大體積混凝土水化熱損傷計算方法[J].河海大學學報（自然科學版），2024，52（4）：29-34.

LYU Guoer，TANG Qunyi，WANG Dingshi，et al.Calculation method of heat damage by hydration of mass concrete[J].Journal of Hohai University（Natural Sciences），2024，52（4）：29-34.

[9] 曾旻，張繼明，魏兆峰，等.大體積混凝土擋浪墻裂縫控制[J].混凝土，2007（10）：103-106.

ZENG Min，ZHANG Jiming，WEI Zhaofeng，et al.Crack control of mass concrete anti-billows wall[J].Concrete， 2007（10）：103-106.

[10]黃必斌，徐衛(wèi)春，章艷，等.超長墻體大體積C50混凝土開裂特征與成因分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2023，53（增刊1）：1589-1594.

HUANG Bibin，XU Weichun，ZHANG Yan，et al.Cracking characteristics and cause analysis of C50 concrete for super large volume wall[J].Building Structure，2023，53（sup1）：1589-1594.

[11]卞建華.直立式護岸工程現(xiàn)澆混凝土擋墻防裂分析[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（1）：120-120.

[12]鄧金云，呂興建.地下室超長鋼筋混凝土擋墻裂縫控制技術(shù)研究與應用[J].四川建筑，2016，36（6）：175-176.

[13]徐芹文，莫齊偉.重力式碼頭胸墻水化熱及溫控措施研究[J].低溫建筑技術(shù)，2019，41（10）：1-5.

XU Qinwen，MO Qiwei.Analysis on hydration heat and temperature control measures of breast wall of gravity wharf[J].Low Temperature Architecture Technology，2019，41（10）：1-5.

[14]李志鵬，羅奇星，韓慶華，等.大體積混凝土墻水化放熱溫度場分析[J].天津大學學報（自然科學與工程技術(shù)版），2023，56（8）：878-885.

LI Zhipeng，LUO Qixing，HAN Qinghua，et al.Analytical solution for the temperature field of the hydration heat in a mass concrete wall[J].Journal of Tianjin University（Science and Technology），2023，56（8）：878-885.

[15]張晉元，蔣昱楠，張璐，等.澆筑尺寸對混凝土長墻收縮性能的影響研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（增刊1）： 1422-1427.

ZHANG Jinyuan，JIANG Yu’nan，ZHANG Lu，et al.Study on the effect of pouring size on shrinkage performance of super-length concrete walls[J].Building Structure，2022，52（sup1）：1422-1427.

[16]秦會來，周予啟，陳青，等.干熱沙漠地區(qū)大體積混凝土底板施工溫控分析[J].工業(yè)建筑，2020，50（11）：190-194.

QIN Huilai，ZHOU Yuqi，CHEN Qing，et al.Temperature control in construction process for mass concrete foundation slab in hot and dry desert area[J].Industrial Construction，2020，50（11）：190-194.

[17]鄭豪杰，梁思明，門小雄，等.濕熱濱海地區(qū)大體積混凝土底板施工溫控分析[J].混凝土，2023（5）：138-143.

ZHENG Haojie，LIANG Siming，MEN Xiaoxiong，et al.Temperature control analysis of mass concrete floor construction in wet and humid coastal area[J]. Concrete， 2023（5）： 138-143.

[18]JGJ 55—2011，普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S].

責任編輯：王淑霞

基金項目：河北省自然科學基金 （E2021208010）；中央引導地方科技發(fā)展資金項目 （236Z5408G）；河北省高等學?？茖W技術(shù)研究項目（CXY2024045）

第一作者簡介：劉衛(wèi)然（1977—），男，河北保定人，副教授，碩士，主要從事土木工程施工技術(shù)方面的教學與研究。

通信作者：于海豐教授。 E-mail： skipperyhf@163.com

劉衛(wèi)然，吳昊天，韓建田，等.內(nèi)蒙古地區(qū)大體積混凝土擋墻施工溫控分析［J］.河北工業(yè)科技，2024，41（6）：443-449.

LIU Weiran，WU Haotian，HAN Jiantian，et al.Temperature control analysis of mass concrete retaining wall construction in Inner Mongolia region［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2024，41（6）：443-449.