养护方式对夏季大体积混凝土施工温度场的影响研究

王 俊, 郭 鑫, 邱文会, 孔亚美

(1.河南省建筑固废生态高质化利用工程技术研究中心,河南 许昌 461000; 2.许昌学院土木 工程学院,河南 许昌 461000;3.中建七局建筑装饰工程有限公司, 河南 郑州 450003; 4.河南金诺混凝土有限公司, 河南 许昌 461000)

近年来,我国基建规模持续扩大,大体积混凝土应用更为广泛.大体积混凝土在浇筑后产生大量的水化热,混凝土的上、下表面温度与大气或地基接触使其热量较易散发,而混凝土内部热量却得到有效储存,造成混凝土里表温差过大,出现超过混凝土自身抗拉能力的温度应力而引发有害裂缝,进而影响结构可靠性能[1,2].养护方式对混凝土浇筑后热量散发路径影响极大,炎热天气条件下大体积混凝土施工时,混凝土入模温度较高,导致大体积混凝土结构内部的峰值温度过高,加大了基础结构中温度应力裂缝出现的可能[3-5].

结合炎热天气条件下施工的某2 m厚筏板基础工程案例,采用MIDAS-FEA软件,分析了筏板基础的温度场,并与工程现场的温度监测值进行对比,验证了采用该软件分析大体积混凝土浇筑后温度场的可行性.进一步采用该软件分析了不同养护条件下,筏板基础内部不同区域的温度变化及不同区域间的温差时程规律,得出了有益结论,可供大体积混凝土施工时参考.

1 工程背景

中原地区某医院高层病房楼主楼钢筋混凝土筏板基础,基础尺寸为119×34×2 m,沿纵向设置了三道后浇带,混凝土量分别为2 100 m3、2 987.6 m3、2 100 m3.施工时间为夏季,日均气温达30 ℃左右,最高温度达36 ℃[6].

选取筏板基础Ⅱ段为研究对象,施工现场测温孔布置如图1所示,每个测温点沿筏板高度方向4个位置测温,具体做法如图2所示.筏板基础采用设计龄期28 d强度的C40P6防水混凝土,配合比如表1所示.施工时对混凝土出机温度和入模温度实时监控,本次混凝土浇筑时测定34组入模温度数据,最高值达32 ℃,最低值为28.5 ℃,平均值约为29.6 ℃.

图1 Ⅱ段测温孔布置平面图

图2 温度监测孔沿筏板高度布置图

表1 C40P6混凝土配合比/kg·m-3

2 MIDAS-FEA软件分析大体积混凝土温度场的可行性分析

2.1 分析思路

图3 有限元模型

在MIDAS-FEA软件对大体积混凝土筏板基础运行求解分析,获取大体积混凝土温度场相关数据[7,8].模拟本工程筏板基础一次性浇筑完成,定义了一个水化热施工阶段,将地基、筏板基础、对流边界及热源函数等一次性激活.取筏板基础1/4建模分析,为了更准确地反映底板的约束情况及水化热传播的过程,在筏板基础结构底部设置了厚度为5 m的地基,小长方体模拟的是筏板基础,大长方体模拟的是地基,有限元模型如图3所示.

有限元分析时地基底部所有节点设置为20 ℃的常温,混凝土绝热温升值为热源函数,本案例的混凝土绝热温升值为60.3 ℃;上部对流边界条件按蓄水12 cm养护,对流系数为4.35 W/(m2·℃);混凝土入模温度设定为30 ℃,设定环境温度30 ℃.

2.2 有限元分析结果与工程监测值对照分析

选取图1中的4个测点在图2所示的a、b、c、d四个不同高度处温度值,与采用MIDAS-FEA分析获取测点8相应位置的温度值进行对比,如图4所示.

从图4(a)中看出,实测温度时程曲线与有限元值对照分析表明,两者峰值温度接近,分别为58.5 ℃、60.8 ℃,但实测峰值温度出现时间较有限元分析值早20 h,且实测降温速率较快,这主要与表面蓄水养护的条件和环境温度变化有关.

从图4(b)、(c)可知,筏板基础中部区域不同测点的温度时程曲线基本接近.有限元分析值比施工现场监测温度值略低,分别为76. 8℃、79 ℃,但绝热温升均没有超过50 ℃,满足大体积混凝土规范规定[9],实测值和有限元值温度时程曲线规律比较近似.

图4(d)表明筏板基础底部区域,有限元分析值比施工现场监测值略高,但均符合规范要求[9].实测的峰值温度出现时间较有限元分析结果明显早,且实测的降温速率快,降温阶段有限元值均比实测值高.

综上所述,有限元分析的温度场数据基本可以反映大体积混凝土浇筑后温度场变化规律.考虑施工现场入模温度、蓄水效果、环境温度等因素与有限元软件设定恒定状况的差异引起的偏差,采用MIDAS-FEA软件分析大体积混凝土温度场是可行的.

图4 监测值与有限元分析值的温度时程曲线对比

3 不同养护条件下大体积混凝土夏季施工温度场有限元分析

3.1 分析思路

以工程案例为研究对象,采用MIDAS-FEA软件,分析筏板基础自浇筑混凝土后360 h内,在不同对流边界条件下的温度场数据,有限元模型同图3.不同养护方式对应软件库的对流边界条件及对流系数[8]如表2所示.

提取筏板基础中间区域某处的距上、下表面5 cm[9],以及中心处的温度时程曲线如图5所示.分析不同对流边界条件下结构的上、中、下几个区域代表性节点峰值温度、峰值温度出现的时间、降温速率,讨论不同养护条件对筏板基础中上及中下里表温差值时程规律及其对温度应力的影响.

表2 不同边界条件下对流系数

3.2 分析结果讨论

3.2.1 代表性区域节点温度场分析

获取不同边界条件下大体积混凝土筏板基础内部不同区域代表性节点的温度时程曲线,如图5所示.

图5(a)表明,自然洒水养护、蓄水12 cm、薄膜+麻袋湿水覆盖等不同对流边界条件下,峰值温度分别为41.4 ℃、56.6 ℃、60.5 ℃.自然洒水养护较其他两种对流边界条件峰值温度分别降低15.2 ℃、19.1 ℃,明显降低上部区域的温度峰值.蓄水深度对温度场影响较大,蓄水4 cm、8 cm、12 cm时,峰值温度分别是45.3 ℃、52.9 ℃、57 ℃,达到峰值温度的时间分别在浇注混凝土后50 h、72 h、72 h,降温速率基本接近.

对上部区域,不同对流边界条件对混凝土表面热量散发效果影响明显,对峰值温度影响较大,峰值温度出现的时间差亦较大,洒水自然养护工况下出现峰值在混凝土浇筑后50 h,而薄膜+麻袋湿水覆盖是在混凝土浇筑后72 h.不同对流边界条件下筏板基础的降温速率总体比较接近.

图5 不同对流边界条件下筏板基础不同区域温度时程曲线

图5(b)中,自然洒水养护、蓄水12 cm、薄膜+麻袋湿水覆盖等三种工况下,峰值温度分别为76.5 ℃、77.3 ℃、77.8 ℃,较入模温度增加值均不超过50 ℃,满足规范要求.自然洒水养护较其他两种对流边界条件峰值温度分别降低4.9 ℃、5.4 ℃.自然洒水养护峰值温度出现时间在浇筑完成后60 h,其他三种工况峰值温度出现的时间基本一致,均在浇筑完成后72 h.

蓄水深度对中部区域温度场影响不大,蓄水4 cm、8 cm、12 cm时,峰值温度分别是76.7 ℃、77.3 ℃、77.5 ℃,达到峰值温度的时间基本一致,降温速率基本接近.

对筏板基础沿高度的中部区域,自然洒水养护与其他工况一样,对筏板基础中部区域温度场影响不大.

图5(c)表明,对流边界条件下对筏板基础下部区域温度场影响不大,几种工况的峰值温度均为59 ℃左右,不同工况下出现峰值温度的时间基本一致,均符合规范要求.究其因主要是下表面水化热量主要以向地基传递为主,散热途径基本一致.

3.2.2 里表温差及其对温度应力的影响分析

大体积混凝土的温度应力包括两项,一是混凝土受到周边基础等形成的外约束拉应力,二是混凝土自约束拉应力.以混凝土自约束拉应力为例,分析不同养护条件对大体积混凝土不同区域温度差以及对混凝土自约束拉应力的影响.

混凝土自约束拉应力的计算可按下式计算.

式中,α为混凝土线膨胀系数,取为l×10-5.

ΔTli(t)为龄期t时,第i计算区段混凝土浇筑体里表温差的增量(℃).

Hi(t,τ)为混凝土松弛系数,取1.

Ei(t)为龄期t时混凝土的弹性模量.

公式表明,温差因素是影响自约束拉应力的主要因素.结合有限元分析的温度场数据,对大体积混凝土中心区域和上、下表面区域间的温差时程曲线进行分析,进而可探究对流边界条件对温度应力的影响.养护方式对筏板基础量表温差分析如图6所示.

图6 养护方式对筏板基础里表温差分析

由图6(a)可知,养护方式对中、上里表温差影响极为明显,自然洒水养护、蓄水12 cm、薄膜+麻袋湿水覆盖三种工况下,中上里表温差分别为33.4 ℃、21.6 ℃、18.6 ℃,温差的比值分别是1∶0.65∶0.56.蓄水深度对中上温差影响亦较大,蓄水4 cm、8 cm、12 cm,中上里表温差分别是31.8 ℃、24.4 ℃、21.6 ℃,温差比值分别是1∶0.77∶0.70,由式(1)可知,不同养护方式对温度应力影响显著.

由图6(b)可知,养护方式对中、下里表温差有一定影响,自然洒水养护、蓄水12 cm、薄膜+麻袋湿水覆盖等不同对流边界条件下,中下里表温差分别为20.5 ℃、21.2 ℃、21.7 ℃,温差的比值分别是1、1.03、1.06,几种工况下的中下里表温差基本一致.蓄水深度对中下温差基本不影响,蓄水4 cm、8 cm、12 cm,中上里表温差分别是20.7 ℃、21.2 ℃、21.7 ℃.温差比值分别是1、1.02、1.05.

将区段累计温差因素进行简化处理,可清晰看出养护方式对大体积混凝土结构中、上区域温度应力影响极大,但对中、下区域温度应力影响不大.根据大体积混凝土施工规范要求,混凝土浇筑体里表温差不宜超过25 ℃,从以上数据分析看出,采用自然洒水养护、蓄水4 cm情况时,里表温差均不符合要求.在具体工程中,选用何种养护方式,要结合工程实际情况综合考虑.

4 结语

(1)MIDAS-FEA软件分析大体积混凝土时,与工程现场实测相比,峰值温度接近,降温速率更趋平缓,出现峰值温度的时间延后,但总体可以反映大体积混凝土温度场变化规律.

(2)养护方式对筏板基础上部区域的峰值温度、峰值温度出现时间及降温速率均有影响,对峰值温度影响极大,但对中部区域和下部区域的温度场指标影响不大.

(3)养护方式对大体积混凝土不同区域得温度差影响极大,进而对温度应力也有明显影响;蓄水深度大和“薄膜+麻袋湿水覆盖”养护对降低温度差和温度应力是有利的.