大体积混凝土温度应力研究

邓福康，陈小芳

（宿州学院 管理工程学院，安徽 宿州 234000）

大体积混凝土温度应力研究

邓福康，陈小芳

（宿州学院 管理工程学院，安徽 宿州 234000）

阐述了大体积混凝土温度应力的类型以及形成过程，并对大体积混凝土温度应力的影响因素进行了理论分析，通过工程实例所测数据分析了大体积混凝土温度应力的变化规律.结果表明：温度变化大致可分为温度快速增长、温度快速下降以及温度缓慢下降三个阶段，钢筋应力变化可分为压应力快速增长和压应力缓慢减小直至部分钢筋受拉两个阶段，混凝土内部的钢筋应力曲线与温度呈负相关性变化.

大体积混凝土；温度应力；钢筋应力

大体积混凝土是一次浇筑量大于1000m3或混凝土结构实体最小几何尺寸等于或大于1m，且混凝土中胶凝材料水化热会导致温度变化和收缩而产生有害裂缝的混凝土[1].而温度应力是指由于温度升降变化而引起的应力.在大体积混凝土施工时，由于混凝土浇筑数量大，水泥中的胶凝材料，特别是其中的铝酸三钙，释放热量大且快，导致混凝土内部温度急剧上升并产生破坏性的温度应力.因此，本文通过对某大体积混凝土基础的现场温度监测，研究其温度和应力的变化规律，为相应的防治措施提供理论依据.

1 大体积混凝土温度应力

混凝土水化热大量释放的所产生的温度应力可以分为两大类：(1)自约束应力：当混凝土处于静定状态，且内部各单元体的温度呈非线性分布，由于应变差而产生的应力；(2)外约束应力：不论混凝土内部各单元体的温度呈线性还是非线性分布，由于混凝土的自由变形受到约束而产生的应力.

混凝土温度应力发展分三个阶段：

1.1 早期

从开始浇筑到水化热释放完毕，大概30天.此阶段，温度快速上升，表现出两个特性：一是胶凝材料水化产生大量的热；二是混凝土逐渐凝结，弹性模量剧烈变化，由于这个原因，在早期阶段，混凝土内形成残余应力.

1.2 中期

从水化热释放完毕到混凝土冷却至稳定温度时止，此阶段，温度较快下降，产生的温度应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝上的弹性模量变化不大.

1.3 晚期

从混凝土冷却至稳定温度开始的整个寿命期，温度应力主要由于混凝土结构外界温度变化而产生，并与前两阶段的残余应力叠加.

2 大体积混凝土温度应力的影响因素

2.1 弹性模量

从混凝土水化反应开始，即出现温度应力和弹性模量，两者呈正比例变化关系.且随着温度场的变化，弹性模量时刻发生变化.因此，在计算温度应力的时候，需考虑弹性模量和温度场的关系和变化.在浇筑早期阶段，混凝土呈塑性状态，弹性模量较小，由于温度升高产生的温度应力能够得到及时释放，相应的温度应力也较小.随着混凝土的逐步凝固硬化，弹性模量快速增加，温度场产生的温度应力也快速增加.因此，在对大体积混凝土温度应力计算时，混凝土弹性模量的变化，是应重点考虑的因素.

2.2 徐变

除了温度场产生的变形，在长期荷载作用下，混凝土会产生跟荷载大小无关的长期的变形，称为混凝土徐变.徐变有利于抵消一部分温度应力产生的变形，有利于温度应力裂缝的控制.所以，大体积混凝土施加荷载后，再研究和计算温度应力时，则应充分考虑到非线性变形的徐变对温度应力的抵消作用.

2.3 水分场

大体积混凝土内部温度场与水分迁移相互作用、相互影响，水的比热容大，其迁移对温度场产生很大影响.考虑两场的交叉耦合机制，为混凝土失水收缩提供重要的理论依据，且在大体积混凝土温度应力研究方面，提供了另外一个角度的理论研究.大体积混凝土的应变和温度应力的一部分存在形式是收缩应力，由收缩变形引起，水分场作为影响大体积混凝土温度应力的因素，应受到充分重视.

3 某大体积混凝土工程实测数据分析

依托某大体积混凝土工程，借助钢筋计、温度探头、温度采集系统等软硬件设备，收集现场大体积混凝土不同部位温度场和温度应力数据变化，可时刻监视大体积混凝土的降温措施的效果及产生裂缝的情况，进而保证工程的安全施工.通过监测元件的测试及数据采集，分析得出大体积混凝土内部温度及应力的发展规律，如下图1所示：

由图1可知，测点温度变化大致可分为三个阶段[3]：温度快速增长阶段—温度快速下降阶段—温度缓慢下降阶段.每阶段的具体分析如下：

图1 测点温度随时间变化曲线

3.1 温度快速增长阶段

大体积混凝土浇筑后，由于水泥中胶凝材料的化学反应而放出大量的热，在第1~2d后，导致整个混凝土产生足以使混凝土本身温度升高到80度左右.由于外界环境的影响，表层混凝土的热量快速传递给大气，表层的温度上升很小；内部的热量较难传递给外界，内部的温度上升的很高.因此，此阶段，大体积混凝土内外部产生过高的温差，会导致混凝土产生大量有害的裂缝.所以，大体积混凝土浇筑早期，必须采取各种手段，降低混凝土的内外温差，防止有害裂缝的产生[4].

3.2 温度快速下降阶段

进入这个阶段，混凝土水化热基本释放完毕，由于内外部的热量交换，混凝土内部温度快速下降，逐步趋于环境温度，温度应力快速增加.此外，混凝土的弹性模量增加较快，当温度应力达到混凝土的极限抗压强度时，内部容易出现裂缝，严重的情况下，甚至出现贯穿裂缝.这个阶段，应该采取外保温措施，防止内部温度过快下降.

3.3 温度缓慢下降阶段

进入最后一个阶段，水泥水化反应结束，且水化热释放完毕，混凝土结构与外界仍然存在温差，热交换导致混凝土温度缓慢下降，产生的应力与前两阶段残余应力叠加.

自混凝土浇筑后，混凝土内部的钢筋应力曲线与温度呈负相关变化，钢筋应力值随时间变化表现为先减小后增大的过程，具体如下图2所示.钢筋应力变化可分为两个阶段[5]：

（1）压应力快速增长阶段：混凝土属于一种热惰性材料，水化热产生的热量不容易散失，导致整个混凝土结构膨胀，其中，钢筋的线膨胀系数与混凝土的近似相等.但是，钢筋的弹性模量是混凝土的7~15倍.由于混凝土边界的约束作用，钢筋压应力增大，如图2所示：伴随混凝土温度的急剧下降，钢筋压应力反急剧增大，温度降到最低时，钢筋压应力达到最大值.

（2）压应力逐步消失直至部分钢筋出现拉应力.随着水化热基本释放完毕和外围热量的进一步散去，整个结构的外围温度开始下降，混凝土结构出现收缩变形.另外由于混凝土的散热而产生收缩，伴随着水分的蒸发和混凝土的继续硬化，促使混凝土快速硬化收缩.但是，由于混凝土受到外围约束，不可避免产生有破坏性的拉应力，只要将拉应力控制在一定范围内，就达到了目的.

图2 钢筋应力随时间变化曲线

4 结言

4.1 通过现场对大体积混凝土温度和应力的实测，结合大体积温度场的变化规律，得出大体积混凝土温度应力的变化分为三个阶段：初期急剧上升阶段、中期急剧下降和后期缓慢下降阶段.

4.2 大体积混凝土一旦浇筑，就面临着高水化热的极大影响，表现为温度迅速上升，大概一天左右，最高温度就可达到80℃左右，混凝土内外温差很大，必须采取温度裂缝控制措施;

4.3 由图2钢筋应力随时间变化曲线可知，大体积混凝土钢筋应力曲线与温度呈负相关性.随着时间的推移，钢筋应力值的变化表现为开口向上的抛物线变化趋势.钢筋应力变化可分为两个阶段：第一阶段为快速增长阶段的压应力，第二阶段为缓慢下降的压应力，直到一些钢筋出现拉应力.

〔1〕大体积混凝土施工规范.GB 50496-2009.

〔2〕朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].中国电力出版社，1998.4-5.

〔3〕王衍森，等.特厚冲积层中冻结井外壁温度实测研究[J].中国矿业大学学报，2006,35(4):468-472.

〔4〕彭立海，等.大体积混凝土温控与防裂[M].郑州：黄河水利出版社，2005.

〔5〕王衍森，等.特厚冲积层中冻结井外壁钢筋应力的实测研究[J].中国矿业大学学报，2007,36(3):287-291.

TU755

A

1673-260X（2012）05-0050-03

宿州学院硕士基金项目（2010yss09）