大体积混凝土水化热分析与处理方法探讨

王月华

（泰州职业技术学院建筑工程系，江苏泰州225300）

近年来，我国桥梁事业以及其它工程建设发展迅猛，结构形式日趋大型化、复杂化，质量要求日趋严格，施工工期相对缩短，因此，大体积混凝土水化热引起的裂缝问题越来越受到重视。现以大块体混凝土结构作为算例分析如下:

1 温度场计算

1.1 一维温度场差分法

混凝土的水化热宏观上表现为混凝土凝结过程中混凝土的温度场。根据已知的初始条件，求解热传导方程就可以得到混凝土的温度场，求解方法有理论法、差分法、有限单元法。现采用60m×40m×4m块体模型计算大体积混凝土的温度场，因其平面尺寸足够大，可采用一维差分法计算。即对无限大平板的温度场，设板的厚度为L，把板在厚度方向等分成n-1层，每层厚度为h=L/n－1，用差分法代替微分，然后求出不同时间各层面上的温度值。

1.2 计算理论

1.2.1 内点温度计算

混凝土的一维热传导方程[1]为，将混凝土块体分成n-1薄层，每层厚度为h，设Ti,τ代表第i点在τ的温度，试取出相邻的i-1，i，i+1三点来分析。根据差分原理，忽略截断误差，求出温度的各阶偏导数，再应用向前差分计算出δT/δτ及δθ/δτ，代入一维热传导方程，即可得到内点温度计算公式

1.2.2 热传递的初始条件和边界条件

（1）初始条件：一般初始瞬时的温度分布可以认为是均匀的，在混凝土温度计算过程中，初始温度即为浇筑温度[1]。

（2）边界条件：在计算过程中，暴露表面属于第三类边界条件，当混凝土与空气接触时，表面热流量与混凝土表面温度T和气温Tα之差成正比[1]，即)，式中β是表面放热系数。混凝土与土接触，根据土温变化规律，土层中的温度场按绝热温升变化量Δθ =0时的内点计算公式进行计算。

1.2.3 混凝土的绝热温升

假定混凝土处于上下左右都不能散热量的绝热状态，可以先测定水泥水化热[1]Q(τ)=Q0(1-e-mτ)，再根据水化热及混凝土的比热、容重和水泥用量计算混凝土的绝热温升。由于水化热的作用，在绝热条件下混凝土的温度上升速度为因此，混凝土的温度上升规律即可由)确定，从而得到混凝土的绝热最高温升式中W为水泥用量 （kg/m）3；Q0为每1 kg散热量 （J/kg）；C为比热；ρ为混凝土密度（kg/m）3。

1.3 大体积混凝土60m×40m×4m温度场计算

根据大体积混凝土的特点，减少水泥用量，可降低水化热引起温升，拟采用以下计算参数：

根据以上数据，代入内点温度计算公式、边界计算公式和土层计算公式，经计算得到表层温度、中心层温度、底层温度数据，如图1所示。

2 温度应力计算

2.1 应力计算公式

为了较为确切地计算早期混凝土的温度应力，考虑弹性模量的变化及松弛系数随时间的变化，将温差分为许多段ΔT，各段内将E(τ)及H(t,τ)看作常量，最后叠加得到考虑徐变作用的应力计算公式其中，将温升的峰值至周围气温总降温差分解为n段，ΔTi为第i段温差；Ei(τ)为相当于第i段降温时的弹性模量；Sh(t,τi)相当于第i段龄期τi，经过t至τi时间的应力松弛系数；t为由峰值温度降至周围气温的时间。

2.2 应力计算

在温度应力计算中，主要考虑基础总降温差引起的外约束力。总降温差偏于安全地取实测最高温升冷却至某时的环境气温差（取20℃），并将总降温差按步距3天分成台阶式。

考虑非均匀温度分布及平均降温差、各龄期混凝土收缩当量温差、台阶式综合降温差及总综合温差、各龄期混凝土弹性模量的不同、各龄期混凝土应力松弛提高混凝土极限变形能力等影响因素，并将实测数据代入最大应力计算公式进行计算，计算结果如表1、表2、表3所示。

表1 温度应力计算表

表2 温度应力计算表

表3 温度应力计算表

3 冷却水管降温计算

为避免大体积混凝土由于水化热温升引起的裂缝，拟采用钢管外径为1.25cm，水平间距为1.7m，布置24根，铅直间距为1.6m，布置两层，在混凝土浇筑时同时通水冷却，计算验证如下。

3.1 一期水管冷却

混凝土一期水管冷却（有热源）由于是线形问题，可按公式[2]Tm=TW+X(T0-Tw)+X1θ0计算。式中Tm为混凝土的平均温度（℃）；Tw为冷却水水温（℃）；T0为开始冷却时混凝土初温（℃）；θ0为混凝土绝热温升（℃）；X、X1为水管散热残留比，可查规范[2]得到。

现取实际计算参数值：Tw=15℃；T0=20℃；θ0=40.5℃；ac=0.0035m2/h；λc=10.0×103kJ/（m·h·℃）； b=1.0m； D=2.0m； L=1381.2m；Cw=4.187kJ/(㎏·℃ )； ρw=1000kg/m3； qw=15.0 L/min；c=0.0125m。由于 b/c=1.00/0.0125=80与图表给出的b/c=100不符，根据换算关系[1]a'=计算得到a'=0.00368m2/h。

冷却体的半径[1]由计算，其中S1为水平间距，S2为铅直间距。实际施工时，水管往往按矩形排列，冷却效果略有降低。为了考虑这一因素，根据计算，应把冷却面积加大7%，则冷却体的半径若取S1=1.7m，S2=1.6m，则b=1.00m。

3.2 混凝土最高温度计算

由以上公式算出来的是混凝土的平均温度，假定混凝土温度按抛物线形分布T(y)=T0如图2所示，式中T0为混凝土的最高温度；h为1/2的混凝土厚度；y为混凝土沿厚度方向的值。对温度场积分由面积相等可知进而可求出混凝土的最高温度T0，计算如表4所示。

表4 水管冷却温度计算表

3.3 温度应力计算

根据以上计算数据代入温度应力计算公式计算应力如表5所示。

由表中计算结果可知 σmax=0.11+0.12+0.14+0.22=0.59MPa，，C20混凝土，取Rf=1.3MPa，则安全系数

1.15，满足抗裂条件，结果表明冷却水管降低水化热效果明显。

表5 冷却水管温度应力计算表

3.4 冷却水管布置

根据以上计算结果，采用钢管外径为1.25cm，水平间距为1.7m，布置24根，铅直间距为1.6m，布置两层，如图3所示。

4 温度场及温度应变监测

前期所做的预测性计算准确与否，要通过实际施工监测来完成。根据监测结果可对施工进行信息反馈，实现信息化施工。监测点的布置要具有代表性，以真实地反映出混凝土块体的里外温差、降温速度及环境温度为原则。布置监测点如图4和图5所示。测试工作每天6次，每4小时一次。6、7点只布置温度元件，其余各点布置温度元件和应变元件。

在温度应力分析的基础上，大体积混凝土施工过程中，加强现场温度监测与试验，是控温、防裂的重要技术措施，可为施工组织者及时提供块体内温度变化的实际情况以及施工技术措施的效果，从而为施工组织者及时准确地采取温控对策提供科学依据，实现信息化施工。

5 其他温控综合措施

大体积混凝土结构裂缝控制[3]，施工现场一般采用留永久性变形缝做法，或用冷却水管来降低水化热，或使用微膨胀混凝土。这些方法都需通过现场监测结果反馈降热效果，不仅造价高，而且不完全可靠。因此，大体积混凝土温控措施是一个系统的工作，应从设计、材料、施工、养护等多方面综合考虑：合理进行结构平面和立面设计，避免截面突变，从而减小约束应力；合理布置分布钢筋，尽量采用小直径、密间距；变截面处加强分布筋；避免用高强混凝土，尽可能选用中低强度混凝土；科学地选用材料、设计配合比，用较低的水灰比、水和水泥用量；严格控制砂石骨料的含泥量；尽量采用保温隔热法对大体积混凝土进行养护；控制水化热的升温，混凝土中心与外表面的最大温差不高于25-30℃，总降温差30℃；控制降温速度等，真正做到精心设计、计算、严格施工、精心养护。

6 结论

（1）大体积混凝土温度场的预测,不管采用何种方法进行，其安全最高温升控制在30℃以内，内外温差控制在25-30℃以内，混凝土一般不会产生贯穿性裂缝。

（2）温度变化引起的应力预测。在大体积混凝土中，温度变化引起的应力对结构具有重要影响，应力预测结果往往可以用来判别是否需要采取冷却水管等特殊措施降低水化热。

（3）大体积混凝土，主要从降低温度应力和提高混凝土极限拉伸强度两方面，控制裂缝开展：1)做好冷却和保温工作。2)提高混凝土的极限拉伸、缓慢降温，可充分发挥混凝土的应力松弛效应，提高抗拉性能，这是防止裂缝开展的有效措施。

（4） 在综合考虑温控措施的基础上，实施温度场和温度应变监测，根据监测结果对混凝土施工进行信息反馈、及时纠偏，可实现信息化施工。

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

[2]中华人民共和国水利部.混凝土拱坝设计规范[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[3]刘秉京.混凝土技术[M].北京:人民交通出版社,2004.