潮白河特大桥承台大体积混凝土水化热分析

韩磊

潮白河特大桥承台大体积混凝土水化热分析

韩磊

（中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001）

温度控制是大体积混凝土施工控制中不可忽略的重要因素。如果水化热现象严重，控制措施不力，内外温差过大容易造成混凝土开裂。水化热导致的温度不均是混凝土开裂的重要原因之一。以京沈客专京冀段潮白河特大桥主桥承台大体积混凝土施工为例，用混凝土绝热温升公式进行计算，并以此建立三维有限元模型，将理论数据与实测数据比较分析，得出水化热温度场分析计算、温度测控及防裂等应注意的问题。

大体积混凝土；水化热；绝热温升；三维有限元模型

1 工程概况

京沈客专京冀段潮白河特大桥结构形式为65 m+ 85 m+178 m+93 m的非对称双塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，是世界上首座高铁非对称矮塔斜拉桥，如图1所示。该桥主墩承台采用二级长方体钢筋混凝土结构，一级结构尺寸为29.7 m×21.2 m×4 m，混凝土方量为2 519 m3；二级结构尺寸为23.2 m×13 m×2.5 m，混凝土方量为754 m3。一级承台属大体积混凝土结构，为确保其施工质量，须对承台混凝土施工水化热进行分析和有效控制。

图1 潮白河矮塔斜拉桥立面图（单位：cm）

2 混凝土绝热温升和数学模型

2.1 混凝土绝热温升

混凝土绝热温升是进行大体积混凝土水化热分析的主要参考因素，混凝土绝热温升以“热源函数”的形式输入程序，而其参数的正确试验和选取是计算的关键。测定混凝土绝热温升的方法有两种，一种为直接法，即用绝热温升设备直接测定；另一种为间接法，根据水泥最终水化热和水化过程曲线来计算。由于绝热温升试验所需的仪器设备昂贵，专业性强，导致大部分施工现场都不具备做绝热温升试验。此时，混凝土绝热温升曲线主要靠选用拟合公式获得。

混凝土的绝热温升指混凝土由于胶凝材料的水化放热，使得温度逐步上升并最终达到稳定的过程，因此绝热温升的速率和最终温值是反应混凝土绝热温升过程的主要参数。影响混凝土胶凝材料水化反应及其放热特性的因素很多，如胶凝材料的品种、组成及用量、水胶比、反应起始温度、外加剂品种等。

混凝土温度场的计算，基于如下三维瞬态热传导方程：

式（1）中：为时间，h；为导热系数，kJ/（m·h·℃）；为比热，kJ/（kg·℃）；为混凝土容重，kg/m3；为混凝土的绝热温升，℃。

2.2 数学模型

目前，常用的绝热温升计算公式有以下几种：

（）=0（1－－at） （2）

（3）

式（2）（3）（4）中：为混凝土绝热温升；为龄期；0为混凝土最终绝热温升；a、b、c为常数。

3 三种绝热温升模型计算公式的比较

3.1 与已有数据的拟合

利用已有的工程试验成果指导本文模型水化热绝热温公式的选取。确定的参数值如下。

公式（2）：10 ℃∶a=0.318，25 ℃∶a=0.384。

公式（3）：a=0.69，b=0.56。

公式（4）：a=0.039 5，b=0.777 2，c=0.415。

公式（2）为GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》中的公式，公式（3）和（4）为朱伯芳根据大量的试验数据提出来的公式，其中公式（4）考虑了温度对混凝土水泥水化反应放热速率的影响。三个公式以相同的最终绝热温进行对比。

试验数据曲线拟合如图2所示。

从图2可以看出，不同公式的计算值早期相差大，后期相差较小。10 ℃时，公式（2）和（4）在前三天，其温升的上升速率与实测数据接近，三天过后，公式（2）的温升上升要比公式（4）和实测数据快；公式（3）的早期温上升要比公式（4）快，且比其他公式的计算值高出5 ℃。25 ℃时，公式（2）在早期温升上升较其他公式及实测数据慢，公式（3）的温升走势与公式（4）及实测数据接近。

注：横轴单位为d，纵轴单位为℃。

3.2 本模型选择的数据

由于公式（4）需要使用大量的试验数据，确定出不同配合比的混凝土在各种浇筑温度下计算水化热绝热温升的参数a、b、c，而目前为止，这方面的研究特别少，研究成果中也没对此类公式进行详细的说明，从而限制了公式（4）在工程中的应用。本文根据GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》中提供的公式来计算混凝土的最终绝热温升，分别求出公式（2）和（3）的绝热温升曲线。实际浇筑温度已达到30 ℃。温热温升计算公式选取的参数如下。

公式（2）：30 ℃∶a=0.406。

公式（3）：a=0.69，b=0.56。

3.3 承台混凝土绝热温升曲线

混凝土的物理性能如表1所示。

表1 承台混凝土成份热性能表单位体积原材料用量（单位：kg/m）

水泥砂石子粉煤灰水合计 质量30672311301311562 446 质量百分比/（%）12.5129.5646.205.366.38100 λi4.5911.114.190.92.16 Ci0.540.750.760.7984.187

用加权平均方法计算混凝土的导热系数和比热，可以得到：c=10.6 kJ/（m·h·℃），c=0.995 kJ/（kg·℃），c= 0.004 357 m2/h。

注：横轴单位为h，纵轴单位为℃。

从图3可以得出，早期温升上升，公式（2）比公式（3）快；后期温升上升，公式（2）和公式（3）趋于一致。

4 主桥承台实测温度与FEA软件模拟情况对比分析

混凝土的最终绝热温升使用GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》中的公式，分别求出公式（2）和（3）的绝热温升曲线，在此基础上采用midas FEA对承台浇筑进行三维有限元模拟并进行水化热分析。

4.1 模型参数

承台施工前，已浇筑了3.5 m厚的封底混凝土，建承台模型的同时也建立了封底混凝土的模型，不考虑其热源效应。承台采用C40混凝土，封底混凝土采用C20混凝土，材料和主要热特性如表2所示。

表2 材料和热特性数据

承台混凝土C40封底混凝土C20 比热/（kJ·kg-1·℃-1）0.990.91 容重/（kN·m-3）2524 热传导率/（kJ·m-1·hr-1·℃-1）10.610.5 对流系数/（kJ·m-1·hr-1·℃-1）顶面50（裸露于空气） 侧面9（等效对流系数） 28天抗压强度/MPa4035 强度发展系数/ACIa=4.5，b=0.95 28天弹性模量/MPa 3.25×1043.15×104 热膨胀系数1×10-51×10-5 泊松比0.20.2 水泥用量/（kg·m-3）306 热源函数系数自定义 空气温度根据实测数据定义 水温/℃假设为25

混凝土浇筑时空气温度的实测结果如图4所示。

4.2 模型边界的选取

在边界条件处理时，封底混凝土受承台混凝土传热的影响，温度也会变化。

注：横轴单位为h，纵轴单位为℃。

为减小计算误差，将封底混凝土考虑并计入有限元模型，此时可视为第一类边界条件。混凝土表面与空气接触，混凝土侧面外围用1.2 m厚的混凝土直接作模板。此时，可按第三类边界条件计算。

4.3 各种绝热温升模型条件的理论计算与实测结果的对比

部分实测数据与midas FEA软件的量论计算数据对比分别如图5、图6所示。

注：公式（2）对应的热源函数；横轴单位为h，纵轴单位为℃。

注：公式（3）对应的热源函数；横轴单位为h，纵轴单位为℃。

从图5、图6中可以得出，理论计算的最大混凝土水化热温升值与实测的相差较大，这说明最终绝热温升值的计算值偏低，即参考水工混凝土使用的中热或低热425号水泥，其水化热偏低；实测数据的早期温升值比理论数据要大，这说明目前使的P.O42.5号水泥不同于原来的425号水泥，其成分与细度已有了很大变化，造成现在的425号水泥早期的水化放热速率要大于原来的425号水泥，从而导致混凝土早期温升速率增大。

5 温控措施

5.1 混凝土配合比设计及原材料选择

为使大体积混凝土具有良好的抗侵蚀性、体积稳定性和抗裂性能，混凝土配制应遵循如下原则：选用低水化热和含碱性量低的水泥；在满足混凝土强度要求的基础上降低单方混凝土中胶凝材料及硅酸盐水泥的用量；使用性能优良的高效减水剂，尽量降低拌和水用量。

5.2 施工控制

混凝土施工应严格按照《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》及《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》执行。为提高混凝土的均匀性和抗裂能力，确保大体积混凝土施工质量，必须对每一环节的施工进行控制：混凝土拌制前，请计量部门计量标定各种衡器，称料误差符合规范要求，严格按确定的配合比拌制；混凝土水平分层浇筑，浇筑厚度不大于30 cm，混凝土浇筑连续不间断进行，如必须间断，间断时间不能大于已浇混凝土的初凝时间；如果超过应按施工缝处理；混凝土浇筑要密实，浇筑混凝土要力求均匀、密实，减小混凝土的开裂倾向；避免塑性裂缝，混凝土处于塑性状态时，适时予以拍打、二次抹面，促其闭合，恢复整体性，借以消除塑性裂缝及泌水毛孔等缺陷，提高混凝土质量。在干热或有风天气，进行覆盖保湿或及时喷雾、喷水，避免混凝土蒸发脱水。

6 结论

通过以上分析可得出水化热温控计算方面应注意以下几点：混凝土绝热温升拟合公式及其参数取值不具有普通适用性，与混凝土绝热温升试验测定的数值相比，可能有很大差异，因此，混凝土的绝热温升需通过试验实测获得；当只能用拟合公式预测混凝土的绝热温升时，需要考虑胶凝材料的规格、组成及起始温度等条件对绝热温升速率和绝热温升值的各种影响，必要时需对公式参数进行调整；现在的水泥与原来水泥相比，在成分、细度方面发生了很大的变化，导致混凝土的最终绝热温升值、早期温升速率的都有很大的提高；现行标准与研究成果中，高入模温度下最终绝热温升公式（公式（4））中参数的选取，具体研究成果较少，限制了其在工程中的应用；原材料选择和施工工艺方面严格按计算结果及规范执行。

［1］朱伯芳.考虑温度影响的混凝土绝热温升表达式［J］.水力发电学报，2003（2）：69-73.

［2］仲晓林，林松涛，彭宣常，等.GB 50496—2009大体积混凝土施工规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.

［3］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.

［4］危鼎.混凝土绝热温升计算问题的探讨［J］.商品混凝土，2009（1）：67-70.

U445.57

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.003

2095－6835（2020）12－0009－03

韩磊（1979—），男，硕士研究生，高级工程师，科技管理科主任，主要从事桥梁施工工艺及混凝土技术的研究工作。

〔编辑：严丽琴〕