初始温度对大体积混凝土水化热的影响

王 松

(淮南联合大学 建筑与艺术学院，安徽 淮南 232001)

在浇筑体积较大的混凝土构件时，会产生较多的热量并且热量不能快速地散发出去，所以混凝土构件中心节点部位的热度在浇筑后的3～4 d内不断上升，这样就可能使得构件表里温差超过限值，从而产生过大的温度应力，使构件出现有害裂缝，影响结构的承载能力[1].目前，对水化热的研究比较多，如：陶建强等[2]研究了从混凝土运输、浇筑到后期养护，整个过程中水化热的影响因素；郭宁等[3]分别使用Midas 和Ansys 2种软件对水化热进行模拟，其结果与实际情况相符；宋福春等[4]研究了在承台内部如何设置冷水管，才能达到最好的降温效果.

目前，关于大体积混凝土水化热数值模拟的研究也有很多，但这些研究并没有考虑模板及混凝土表面养护时覆盖的薄膜对水化热产生的影响.在对混凝土构件水化热的模拟中，通过设置模板和覆盖薄膜的对流系数，来分析混凝土内外热度和温度应力的发展规律，其结果更趋于实际.

1 工程案例

某桥梁工程，其主墩承台平面为长方形，长宽为11.3 m×8.2 m，承台高2 m，采用Midas 软 件模拟混凝土浇筑后30 d 内的水化热变化情况.

2 不同初始温度下的水化热模拟

承台构件内部的温度主要由初始温度、与周围环境的热交换以及水化热产生的热量决定.承台产生结构裂缝是因为温差产生的温缩拉应力大于构件本身的抗张强度，而降低温差是减少承台出现结构裂缝的关键[5].基于Midas 软件环境，通过设置混凝土材料、地基基础的热力学参数及大体积混凝土与周边环境的对流系数来模拟整个水化热过程.

2.1 热力学参数设置

根据工程实际并结合混凝土水化热试验资料，确定承台及地基基础的相关参数，见表1.

表1 混凝土及地基基础热力学参数

2.2 混凝土对流边界参数设置

在整个工程施工中，混凝土浇筑在1.8 cm 厚的木模板中，木模板的对流系数为 26.6 kJ/(m2·h·℃)[6].承台浇筑完成后，在表面覆盖薄膜，薄膜的对流系数为12.7 kJ/(m2·h·℃)[7].

2.3 建立水化热分析模型

采用Midas 软件进行模拟时，只考虑周围环境和地基基础对热量的传递作用.地基基础可视为刚性约束，地基尺寸比混凝土承台宽和长各超过3 m.混凝土的上部铺设薄膜，铺设时间为3 d，混凝土除顶面外，其余四周各面均设置模板.

图1 混凝土承台和地基基础模型

3 模拟结果分析

在实际工程中，可采取相应措施改变混凝土初始温度，并通过监测得到水化热的变化过程.选用Midas 软件进行模拟时，选取承台表面中心和承台内部中心节点为研究对象，通过计算得到表面和中心节点的热度和温度应力的发展趋势，以此来分析混凝土入模时，在20，25，30 和35 ℃混凝土水化热的实际情况[8].图2 和图3 分别是承台在25 和30 ℃时的应力和温度云图.

图2 应力云图

图3 温度云图

图4 为根据模拟结果绘制的混凝土在20，25，30 和35 ℃初始温度下，承台构件温度与养护时间的关系.

图4 不同初始温度下承台构件中心节点的温度

图4 表明混凝土内部温度呈先升后降的趋势，且升温速度明显快于降温速度；随着初始温度的升高，承台中心节点部位温度到达的峰值也不断提高，比如，在养护第4 d 时，20 ℃对应承台内部节点温度为53 ℃；35 ℃对应承台内部节点温度在66 ℃；同时承台在养护第4 d 时达到温度的峰值，随着初始温度的上升，承台内部温度达到峰值的时间也越早[9].

图5 不同初始温度下对应的最大温度应力值

从图5 中可以看出，在混凝土养护第6 d 时， 内部应力到达峰值，且在最初提升较快，后期降低速率较慢，所以在实际工程中一定要注意前期温缩应力大于构件本身抗张强度的情况.从曲线变化中还可以了解到，承台中的最大应力值随着初始温度的升高而提高，比如在浇筑养护第6 d时，20 ℃对应承台内部应力峰值为2.85 MPa；35 ℃对应承台内部应力峰值为3.7 MPa.同时，从模拟的结果来看，混凝土承台的温度应力一般分布在承台侧面下部及顶面四周.

因为温度应力很大程度上取决于混凝土的内外温差，所以研究承台表面与中心部分的温差对控制承台内部温缩应力有很大帮助.20，25，30和35 ℃初始温度下混凝土的内外温差见图6.

图6 不同初始温度下承台的内外温差

从图6 中可以得出，随着初始温度越高，承台的表面与中心部分的温度差越大.承台浇筑养护第4 d 时，20 ℃对应表面与中心部分的温度差为19 ℃；35 ℃对应温度差为25 ℃.一般在第4 d时承台表面与中心部分的温度差到达峰值，承台在养护第4 d 时达到温度的峰值，且随着初始温度的上升，达到峰值的时间也越早[10].在实际工程中，承台内外温度差超过25 ℃时，温缩应力大于构件本身的抗张强度可能性越大.

为了研究不同初始温度下承台内部节点降温规律，绘制了承台降温差的曲线图，见图7.

图7 不同初始温度下承台的降温差

从图7 中可以看到承台内部温度前期降温比后期要快.这是因为前期水化热反应强烈释放了大量热量，又来不及传递给周围环境，所以承台内部温度升高快；随着水化热反应减弱，释放的热能减少，所以降温速度下降[11].从曲线变化中可以得出承台的降温差与初始温度成正比关系.这主要是因为初始温度高，反应迅速，产生的热能多，降温差也就越大，反之，初始温度低，降温差就越小.

4 结语

1)大体积承台混凝土在浇筑后，混凝土内部温度呈先升后降的趋势，且温度升高时的速度比降温速度快，随着初始温度的升高，承台中心节点部位温度到达的峰值也不断提高，承台在养护第4 d 时达到温度的峰值，且随着初始温度的上升，达到峰值的时间越早.

2)在混凝土浇筑后第6 d 时，内部应力到达峰值，且在最初提升较快，后期降低速率较慢；承台中最大应力值随着初始温度的升高而提高.从模拟的结果来看，承台构件的温度应力一般分布在侧面下部及承台顶面四周.

3)当浇筑初始温度为35 ℃时，承台表面与中心部分对应温度差为25 ℃，当温差超过25 ℃时，承台内部很可能产生裂缝，因此，在实际工程中可采取措施降低混凝土的浇筑初始温度.

4)承台内部温度前期比后期降温速度要快，且承台的降温差与初始温度成正比关系.