越冬后混凝土坝新浇混凝土成熟度仿真计算研究

吕风英，孟宪磊，李 斌，贾 晋，王 波，刘重阳

(1.河北丰宁抽水蓄能有限公司， 河北 丰宁 068350；2.华北科技学院 安全工程学院， 河北 廊坊 101601)

某水利枢纽工程区位于青藏高原东北侧的祁连山系中，主要受青藏高原气候的影响，基本为高寒半干旱气候。该工程主体部分采用碾压混凝土施工，不分纵缝、通仓浇筑，冬季采用越冬长间歇式，新混凝土在次年天气转暖后浇筑，其上的新浇混凝土温度快速上升而形成巨大的新老温差，拆模时间的确定，将直接决定着坝体混凝土是否开裂。

混凝土强度，不仅与本身的水化作用有关，而且与温度和时间也有密切关系。英国学者绍尔认为同一种配合比的混凝土，只要具有同样的成熟度，混凝土的强度就是一样的[1]。罗倩钰等[2]结合仿真算例与某混凝土的实测数据对比分析，得出有效与可行性的识别标准。李占超等[3]将混凝土结构性态作为一个动态过程，建立一个有效的模型。伍静等[4]对混凝土材料强度与铺装厚度等分析提出了改进措施。张正亚等[5]通过分析不同材料对超贫碾压混凝土的影响，得出影响主要因素。

成熟度理论经过不断发展和完善，时至今日，已经有大量文献(研究)均将成熟度用于冬季施工中，如我国北京建工总公司对各种水泥、各种外加剂和各种施工工艺条件下的成熟度规则进行了大量的研究，并相继开发了成熟度的实地检测设备，为成熟度规则实际工程应用提供了技术手段。应用混凝土成熟度来估算强度，在冬季施工中效果显著，所以国外均将此法列入有关规程，如《水工混凝土施工规范》规定混凝土早期允许受冻临界强度应满足强度不应低于7.0 MPa(或成熟度不低于2 800℃·h)。郭成举[6]阐述了混凝土成熟度的表达形式。余概宁等[7]利用成熟度方法预测水泥混凝土路面的早期强度，结果表明成熟度方法可以较好的预测水泥混凝土路面的早期强度，且对于控制水泥混凝土路面的早期裂缝具有重要的工程实用价值。

Ma=∑(T+10)Δt

(1)

其中:T是指混凝土的养护温度;Δt为硬化时间增量。

采用成熟度理论能够得到混凝土各点的即时强度和构件总体的评定强度，及时掌控混凝土强度增长情况，对混凝土工程质量控制、减少工期、提升设备周转率，改善经济效益，有很大的实际意义[8]。

因此，本文通过应用成熟度理论，采用三维有限元[2,9-12]的方法，直观展示了混凝土早期强度增长规律，为碾压混凝土坝拆模时间提供了依据和借鉴。

1 计算方法

在温度场仿真计算中[13]，不稳定温度场热传导方程如下：

(2)

式中：T、τ、α分别为混凝土的温度、龄期和导温系数;φ是与绝热温升有关的函数;θ0为最大绝热温升。考虑边界及初始条件，依据变分原理，采用空间域离散，时间域差分求得有限单元法下的温度场方程：

(3)

式中:H、R、Fn+1是与形函数、边界条件及绝热温升相关的已经知道的函数。由已知的上一时刻的Tn，即可以计算出下一时刻的Tn+1。

本文仿真计算[9-12]采用ANSYS、FZFX 3D软件完成。

1.1 计算模型及基本资料

计算模型采用3#挡水坝段，模型采用六面体八节点单位剖分网格，网格划分见图1。基岩底部为三向约束，侧面施加法向约束。其余面为自由面。坝体上下游面及基岩顶面为第三类边界，其余面为绝热边界。

图1三维有限元模型

1.2 参数信息

浇筑计划见表1。

表1 浇筑计划表

仿真计算中混凝土采用C20的碾压混凝土，材料热力学参数见表2。

表2 材料属性表

混凝土的绝热温升曲线采用双曲线进行拟合：

(4)

根据工程区气象特征，参照朱伯芳院士[8]并考虑1℃太阳辐射，拟合得到的大坝外界气温变化过程公式如下：

(5)

主体混凝土材料的自身体积变形见表3。

表3 混凝土自身体积变形表

混凝土徐变C(t,τ)采用8参数公式计算：

C(t,τ)=(x1+x2τ-x3)|1-e-x4(t-τ)|+(x5+x6τ-x7)[1-e-x8(t-τ)]

(6)

式中：参数x1～x8的值见表4；t为计算天数；τ为混凝土龄期。

表4 主体混凝土C20徐变参数

1.3 计算工况

计算工况见表5。

2 结果与讨论

2.1 内外层成熟度增长规律

提取来年新浇混凝土的第一仓从中心向上游每隔2 m特征点进行分析，分析结果见图2。

因从中心点到上游或者下游对称，现只研究从中心点到上游典型点的成熟度来研究混凝土早期强度增长规律。

由图2可知，工况1到工况4，在冬季不施工的情况下，对于来年第一仓混凝土的内部，混凝土在相同的龄期内的成熟度是相同的，但当距上游表面只有2 m时，混凝土的成熟度有不同程度的下降。这是因为在表面热交换较多，导致在相同龄期内混凝土的温度较低，附近的混凝土较内部的成熟度低，这更加重了新浇混凝土的内外温差。

表5 计算工况表

图2不同工况下成熟度发展规律(内外层)

由图2(a)可知，工况1不采用表面保温的情况下，对于混凝土内部的成熟度影响程度不大，但对于距表面2 m范围内的成熟度增长较内部混凝土缓慢，而且，随着龄期的增加，差距越大，在龄期为6 d时，差距高达20.6%，从图中可以看出，无保温措施下，对表层混凝土成熟度影响较大，在龄期5 d时，成熟度超过2 800 ℃·h，达到早期强度发展要求，满足拆模条件。

由图2(b)可知，工况2采用5 cm XPS保温后，对于混凝土内部的成熟度影响不大，增幅小于6%，但对于距表面2 m混凝土作用巨大，随着龄期的增加，表层混凝土成熟度增长迅速，增速可达200%以上，大大加速了表层混凝土的成熟度，在龄期5 d左右，成熟度超过2 800 ℃·h，满足拆模条件。

由图2(c)可知，工况3采用8 cm XPS保温后，混凝土的成熟度较5 cm XPS仍有增长，但是增长速率有所下降，增幅小于5%，龄期达到5 d后，达到2 800 ℃·h，满足拆模要求。

由图2(d)可知，工况4浇筑温度由8℃提升到12℃，浇筑温度的提高，使得从内部到表面的混凝土成熟度都有不同程度的提升，但是表层的混凝土提升略大。混凝土成熟度随着龄期的增大，成熟度提升逐渐减小，从18%下降到8 d后的12.5%。在龄期4 d后，成熟度超过2 800 ℃·h，达到拆模要求。

2.2 沿高程方向成熟度增长规律

提取来年新浇混凝土第一仓沿高程方向每隔0.5 m的特征点进行分析见图3。

图3不同工况下成熟度发展规律(高程方向)

由图3可以看出，沿高程变化的混凝土的成熟度在浇筑仓中心高程的成熟度时最大的，混凝土成熟度基本延仓面中心高程对称分布。

由图3(a)可知，工况1在没有表面保温条件下，沿高程方向的成熟度在中部高程的成熟度增长较快，在混凝土上下两个仓面附近，混凝土成熟度增长十分缓慢，在龄期8 d时，依然没有达到拆模要求，仓顶面的成熟度较越冬面的影响更大(因顶面散热条件更好)，中心高程的成熟度与表面的成熟度差距巨大，且随着龄期的增加，差距越大，差距可达200%以上。

由图3(b)可知，工况2采用5 cm的XPS保温板后，内部成熟度影响不大，在上下两个仓面影响巨大，在龄期达到6 d后，混凝土龄期的成熟度超过2 800 ℃·h，满足拆模要求。

由图3(c)可知，工况3采用8 cm的XPS保温板后，沿高程方向各特征点成熟度都有提升，总体来说，增幅小于5%。

由图3(d)可知，工况4浇筑温度提升至12℃后，对于混凝土成熟度提升较大，中部高程的提升最大，在龄期达到5 d时，成熟度超过2 800 ℃·h。

2.3 冬季连续施工时的混凝土成熟度研究

工况5为冬季连续施工，本工程冬季施工主要采用蓄热法及暖棚法，浇筑计划的间歇期定为15 d。得到冬季连续施工的成熟度图形见4、图5。

图4成熟度发展规律(内外)

图5成熟度发展规律(沿高程)

本次研究中棚内温度取8℃，采用暖棚法以及8 cm XPS保温板后，从仓面中心到上下游表面的成熟度发展规律，可以看出，成熟度增长稳定且迅速，在龄期5 d后，成熟度增长到2 800 ℃·h，满足拆模条件。对于沿高程变化的成熟度图形，可以看出，由于采用冬季不停止浇筑，之前的越冬面受到下层混凝土水化热影响，使得其成熟度大于中心高程的成熟度，使得中心与两个仓面的成熟度差距减少，在龄期到达5 d后，成熟度超过2 800 ℃·h。满足拆模条件。

3 工程应用

通过应用成熟度理论得到相关结论：在冬季间隙情况下，采用8 cm XPS板、浇筑温度12℃工况下，此工程3#挡水坝段经历2016年漫长冬季后，与2017年4月1日和2017年4月16日新浇筑两仓混凝土拆模时间定为5 d，随后对这两仓混凝土早期裂缝情况进行普查。结果表明，裂缝较少，未出现贯穿性裂缝，效果较为良好。本次实践也将为后续碾压混凝土施工提供参考依据。

4 结 论

(1) 采用表面保温和提高浇筑温度措施后，对于沿高程方向的混凝土成熟度影响更剧烈，两种方式都可以提高混凝土早期强度，有助于缩短拆模时间。

(2) 保温层厚度对于外层混凝土成熟度提升大；浇筑温度则对内部混凝土成熟度更敏感。

(3) 保温层厚度提升到一定成熟后，对成熟度的提升影响变小。

(4) 通过成熟度理论分析冬季不间歇的情况下，采用暖棚法和合适的保温层厚度，可以满足早期拆模要求。