大体积混凝土温度场分析

摘要：本文以某大厦筏基为背景，利用大型通用有限元软件ANSYS对其分层浇筑施工过程温度变化进行模拟，得到温度变化曲线；针对该实际工程提出了一些降低大体积混凝土内部温度的措施，在实际工程中取得了较好的效果

关键词：大体积混凝土、温度裂缝、措施

中图分类号：TV331文献标识码： A

何谓大体积混凝土？有关规范、学著均作了明确的规定，基本一致认为:结构物最小断面尺寸达到80cm以上、由水化热所引起的混凝土内最高温度与外界环境气温之差超过25℃时的混凝土，均称为大体积混凝土。大体积混凝土较其他一般钢筋砼相比，有着以下特征：结构较为笨重厚实、施工技术要求高、混凝土量大等特点。由于其独特的施工特性，使其在建设和使用的过程中，均会出现不同程度的施工裂缝，严重地影响着工程质量的使用。那么，究竟这些施工裂缝是如何产生的？结合一些工程经验，根据裂缝产生的原因对大体积混凝土裂缝的类型作了如下归类：温差裂缝、收缩裂缝以及安定性裂缝。其中，温度裂缝是大体积混凝土结构物中较为普遍的一种，也是最为常见的一种裂缝。笔者以某大厦基础筏板为背景，利用ANSYS对其浇筑过程混凝土内部温度进行模拟计算，找出大体积混凝土浇筑过程中混凝土内部温度变化规律。

1.工程背景

某建筑物为综合性建筑，地上35层，地下2层，建筑面积约21000平方米左右，建筑总高度152.30m(室外地坪至机房顶平面)，主要使用功能为银行营业大厅及办公用房。本工程采用框剪－钢混结构，结构安全等级为二级，建筑设计基准期为100年。基础底板厚2600mm，混凝土强度为C50，抗渗等级为S10，筏基按照分层浇筑。

2.温度裂缝

温度裂缝其主要产生原因为混凝土在凝结初期即水化反应期间，水泥释放出大量的水化热，由于结构本身体积大，累积在内部的水化热不易散发，致使内部温度在一定的时间内不断上升，而结构表面的热量则散发较快，因而造成结构内外温差较大，在表面产生拉应力，当温差产生的拉应力大于混凝土的极限抗拉应力时，便会在结构表面出现温度裂缝。

混凝土内部最高温度是造成混凝土裂缝的关键因素。混凝土内部最高绝热升温值为：

（1）

其中，Q1为水泥的水化热，Q2为JEA的水化热，W1为水泥用量，W2为JEA用量，C为混凝土比热，ρ为混凝土密度，FA为混合材用量(粉煤灰的掺量)。进一步求得混凝土中心最高温度[2]为：

（2）

其中，Tj为混凝土浇筑时的温度，取20℃，ξ为不同浇筑厚度、不同龄期时的降温系数。

为了更好控制混凝土内外温差，需求出混凝土的绝热升温曲线。混凝土的绝热温升曲线最好由实验测定，在缺乏直接测定的资料时，也可根据水泥水化热估算。本文中，笔者尝试了利用实测值对经验公式参数进行修正，使得理论值与实测结果更加吻合。混凝土绝热升温经验公式为：

（3）

式中：W为水泥用量，C为混凝土比热，ρ混凝土密度，Q(τ)为龄期水泥水化热，K为折减系数，对于粉煤灰，可取0.25。水泥的水化热是依赖于龄期，笔者分别用将水泥水化热的指数式和复合指数式表达式代入(2)式，获得两组理论结果。在此基础再根据现场的混凝土测温记录比较哪种方法更符合实际情况。其中

指数式：

（4）

复合指数式：

（5）

其中，Q(τ)为在龄期τ时积累水化热，kJ/kg；Q0为τ∞时的最终水化热；τ为龄期；m为常数,随水泥品种、比表面及浇筑温度不同而不同，根据某些实验资料，常数m取值范围在0.3～0.5之间；a、b为常数，根据文献，a=0.36，b=0.74。根据实验结果与经验公式对比可知，经验公式能够求出混凝土最高积温值，其中，指数式与实测结果更接近。但是经验公式存在的不足是：①没有考虑实际工程中热量散失情况。②由于受多种因素影响，目前尚未得到合理参数，导致温度的计算峰值比实测结果有明显滞后。针对上述不足，在实际工程中需要加强现场温度监控力度，特别注意温度峰值出现的时间。

为了控制混凝土中心与表面的温差以及混凝土表面与环境温度的温差，需预测混凝土最高温升时和各龄期在保温材料覆盖下的表面温度。通常，表面最高温度计算[5]为：

（6）

式中：Tb(τ)为龄期τ时混凝土的表面温度；Tq为龄期τ时大气的平均温度，取20℃；H为混凝土的计算厚度；h为混凝土的实际厚度；h′为混凝土的虚厚度；ΔT(τ)为龄期τ时，混凝土内部最高温度与外界气温之差，。

（7）

式中：K为计算折减系数，取0.666；λ为混凝土的导热系数，取2.33；β为混凝土模板及保温层的传热系数

（8）

式中：Si为各种保温材料的厚度(m)；λi为各种保温材料的导热系数(W/m・k)；βq为空气层传热系数，可取23W/m2・k；随着混凝土龄期的发展,混凝土中心温度不断下降，两个温差将进一步减小。有效预测混凝土内部温度与深度的关系是建立优化混凝土内部降温措施的前提条件，混凝土内部温度与深度关系计算[5]为：

（9）

3.计算结果

由计算可知，在整个施工过程中，混凝土内部的温度都较高，必须采取相应的措施来降低内部温度。

图2最高温度变化曲线

4.施工中采用的措施

1)在原材料方面进行控制,主要是对水泥、粗骨料及外加剂的控制

(1)宜采用降低水泥用量的方法来降低混凝土内部的水化温度，使混凝土强度在形成初期的结构内外温差的控制难度降低，在保证混凝土设计强度的情况下，应尽可能地降低水泥用量。

(2)对于粗骨料,宜采用改善的骨料级配，夏天温度较高进行施工时，在拌制混凝土前宜浇水将碎石湿润冷却，以降低混凝土的浇筑温度。

(3)在混凝土拌制过程中，掺加一定类型的外加剂，改善混凝土施工性能，可提高抗裂性能。

(2)在结构设计时对配筋进行优化

在钢筋混凝土中，在混凝土浇筑时，内部过高的水化温度，往往在混凝土内部会产起较大的拉应力。有时温度应力可超过其他外荷载所引起的应力，根据温度应力变化规律，在进行结构设计时对结构的配筋应予以优化。当所配的钢筋直径细而密时，对提高混凝土抗裂性有较好的效果。

3)在施工工艺方面进行控制

(1)在气温较高浇筑混凝土时，应严格控制分层浇筑厚度,以利用浇筑层面进行散热。

(2)根据各地气候、不同施工季节制定合理的拆模时间，及时对结构表面进行覆盖保温,避免表面发生急剧的温度梯度,特别是施工中长期暴露的混凝土表面或薄壁结构,在寒冷季节应采取保温措施,防止表面裂缝。

(3)合理地对结构进行分缝分块;避免基础过大起伏。

5.结束语

本文针对工程实例,对大体积混凝土浇筑时温度变化进行了模拟计算,利用混凝土绝热升温公式准确求得混凝土最高温度,使用混凝土内部温度与深度关系公式求得了内部各点温度分布,在此基础上建立了一套有效的温控措施,避免裂缝出现,保证了施工质量。大体积混凝土浇筑后采取保温覆盖潮湿养护,对减小混凝土的内外温差和表面急剧热扩散防止混凝土因温差过大引起的温度收缩应力导致出现有害裂缝具有重要作用。同时,由于缓慢降温,延长养护时间,可充分发挥混凝土的应力松弛效应,对提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸能力也具有重要意义。

参考文献：

[1]朱伯芳.大体积混凝土的温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999.

[2]现行建筑施工规范大全[M].北京:中国建筑工业出版社,1994.

[3]邵世明.筏板基础大体积混凝土温度控制与现场监测[J].淮南职业技术学院学报,2005,5(1):21-24.