水利工程大体积混凝土温度变化规律研究

摘要：随着现代科技的发展，大体积混凝土在水利工程中的应用日益加强，成为土木工程的研究热点之一。本文从实际工程出发，利用有限元分析软件，大体积混凝土进行了数值分析，探讨了大体积混凝土中的温度场和温度应力变化规律。最后，对大体积混凝土的产生的裂缝提出了控制措施，为大体积混凝土的研究和应用奠定了基础。

关键词：大体积混凝土；温度应力；裂缝

中图分类号：TU991.34+1 文献标识码：A

随着现代化建设的发展，大体积混凝土越来越广泛地应用于现代水利工程结构中。我国大体积混凝土定义为：当基础厚度大于1m，边长大于20m，体积大于400m3的现浇混凝土称为大体积混凝土。在大体积混凝土中，施工的关键为温度控制问题。由于大体积混凝土体积大，水泥水化热不易散发，这样在外界环境或混凝土内力的约束下，极易产生温度收缩裂缝，给工程带来不同程度的危害甚至会造成经济上的巨大损失，如何从水化热产生的温度变化这一角度进一步认识大体积混凝土，成为大体积混凝土施工中的一个重要的课题。据大体积混凝土所具有的特点，在其结构的设计中，通常是要求不出现拉应力或者出现很小的拉应力，但是由于混凝土自身的性质决定了在施工的过程中，在大体积混凝土结构中往往由于温度的变化很大而产生很大的拉应力，这正是研究大体积混凝土温度应力的所在之处。因此，对大体积混凝土的温度场以及温度应力的研究也成为一个重要的研究课题。

1 生裂缝的原因

1.1 水化热

水泥的水化热能在混凝土内部引起温度应力和温度变形，导致大体积混凝产生裂缝。硬化初期，由于混凝土的强度和弹性模量都很低，对水化热温升约束不大，则相应的温度约束应力较小。随着水泥水化龄期的不断增加，弹性模量的增加，大量的水化热使混凝土内部温度不断上升。当混凝土内部与表面的温差过大时，就会产生温度应力和温度变形，这种内外温差使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当这个拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂缝。

1.2 约束条件变化

结构物在变形过程中，必然会受到一定的“约束”而阻碍变形，这就是指“约束条件”。大体积混凝土，由于温度变化产生变形受到约束，便产生了应力，而当应力超过某一个数值时，便引起裂缝。混凝土内部孔隙水蒸发变化时，混凝土产生收缩变形，由干混凝土收缩变形引起的温度应力。

1.3 环境温度变化

外界气温变化对大体积混凝土的影响很大，混凝土的内部温度是浇筑温度、水化热的绝热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和，外界气温愈高，混凝土的结构温度也愈高，如外界温度下降，会增加混凝土的降温幅度，特别是在外界气温骤降时，会增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度.温度应力是由温差引起的变形造成的，并且有较大的延续时间。

2 工程实例温度应力数值分析

浙江省某大桥，桥墩具有体积大、钢筋密、是典型的大体积混凝土。配合比应该考虑强度。其他因素通过试验确定。

表1 混凝土配合比指标

新浇混凝土与邻接的已硬化混凝土的温差不得大于15摄氏度，混凝土内部开始降温前不得拆模。混凝土桥墩为对称结构，选择其1/4进行研究。模型采用空间八结点等参单元划分网格(20×20×8)，网格划分如图1所示。

图1网格划分

根据水化热公式：，Q0为330kJ/kg，a为0.69，b为0.56。为准确分析在施工阶段大体积混凝土的温度场、温度应力和温度引起的位移的变化。每一施工阶段预留一定的时间以便使混凝土可以充分水化。施工阶段控制点温度、应力图形如图2～4所示。

图2第一施工阶段中心温度和变化图

图3第一施工阶段中心温度和变化图

图4第一施工阶段中心温度和变化图

从分阶段施工模拟结果来看，控制点的温度和温度应力，在大体积混凝土中的间控制方法。可以采取降低水化热，实现减少温度差和干缩，采用水泥裹沙工艺，减少水泥的用量。采用管冷的方式，采用低水化热水泥等措施以达到降低水化热的目的，在温度变化较高部位起到降低温度应力。这样在混凝土的容许应力范围内，不致引起温度裂缝。

图5匹配曲线

大体积混凝土，由于水泥水化温升，使大体积混凝土在浇注后第3天达到峰值。接下来。混凝土内外温差均开始下降，在10天趋于平缓。

3 防范措施

大体积混凝土施工中，容易引起温度裂缝，采取适当措施减少水泥用量，合理使用外加剂。还可以满足现场混凝土的坍落度要求。大体积混凝土中埋设冷却水管。通过冷却循环带走混凝土内部的部分热量，降低中心混凝土与表面混凝土之间的温差。控制混凝土的出机温度和浇注温度，水的比热较大，但它所占质量只为总质量的6%左右，所以降低砂石的温度效果最显著.控制混凝土的浇注温度，根据工程经验，一般可以采用改进搅拌工艺、改进混凝土的浇注温度、合理的处理施工缝和混凝土的外表面等方法。

结语

考虑多种因素影响下大体积混凝土温度应力。利用有限元分析，研究大体积混凝土在温度应力作用下的温度应力。利用有限元分析软件，针对实际工程传感器检测的温度应力，进行了数值模拟分析，并和现场测得的数据进行比较，推导大体积混凝土内部的温度应力的变化。研究表明，数值分析结果和现场试验结果吻合，为进一步研究和工程应用提供了技术支撑。

参考文献

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