拉各斯航站楼独立基础大体积水化热控制研究

李茂达

摘要：基于拉各斯航站楼项目，通过数值模拟手段建立大体积独立基础模型，分析混凝土浇筑温度、养护条件以及粉煤灰掺量对其温度场的影响。研究结果表明，为了有效控制基础混凝土中心温度，粉煤灰掺量范围应为30%～50%。通过设置XPS板保温措施能够有效降低混凝土表面拉应力和内外温差，避免产生温差裂缝。提高浇筑温度会明显增大基础混凝土中心温度，但在浇筑温度超过25℃后，基础温度受浇筑温度提高的影响较小。不同养护条件下的前期中心升温速度基本一致，且各养护条件的中心温度最大值相差较小，但当温度下降时不同养护条件下的温降速度差别较大。

关键词：大体积基础；水化热；数值模拟；浇筑温度；温差裂缝

0   引言

在混凝土施工过程中，因为水泥水化反应会产生大量的热量，使得混凝土内部温度迅速提高，进而引发一系列问题，如裂缝、强度降低等，因此对基础大体积混凝土水化热的有效控制显得尤为重要，这也是当前众多学者研究的热点[1-2]。

付婷婷等[3]以某商业筏板基础工程为例，计算了工程中大体积混凝土的温度，并提出了相应的养护方案。胡桂海[4]借助有限元软件，通过数值模拟的方式对大体积混凝土浇筑施工过程里的温度变化进行了模拟，并提出大体积混凝土温度控制方案。陈聪等[5]结合工程特点，提出了相应的大体积混凝土温度裂缝控制方案。

本文基于尼日利亚拉各斯航站楼项目，通过数值模拟手段建立大体积独立基础模型，分析了混凝土的浇筑温度、养护条件以及粉煤灰掺量对其温度场的影响。

1   项目概况

拉各斯机场航站楼项目建筑面积49000m2左右，建筑高度为28.325m，共4层，其中一层主要用于行李处理、办公室、设备间；二层主要用于进港、行李提取、海关、银行等；三层主要用于售票、值机、离港、免税店；四层主要为酒店。

独立基础为航站楼基础结构形式，现浇钢筋混凝土框架结构为其主体结构形式，钢结构为其屋盖结构形式。地基场地类别Ⅲ类，基础设计等级乙级，厚度为50mm。对于其独立基础的施工，难点在于大体积混凝土浇筑质量和裂缝控制，基础所用混凝土强度等级为C25。

2   基础浇筑過程的模拟

2.1   参数选择

结合拉各斯当地气温来选择基础大体积混凝土温度场数值模拟的各项材料参数，具体见表1。空气和混凝土对流系数取49.347W/（m2·K），钢模板对流系数取48.187W/（m2·K），空气与地基对流系数取52.944W/（m2·K）。

2.2   建立基础模型

工程中所用大体积柱下独立基础大小为8m×8m×3m。根据上述相关参数建立有限元模型，并且设置厚度为1m的土基来对基础底部的传热过程进行模拟。模型共有10480个单元和12630个节点，模型下部为地基，上部为基础。

3   影响温度场和温度应力因素分析

导致混凝土出现裂缝的主要原因是温度应力作用在混凝土表面，使其产生的拉应力大于自身的极限抗拉强度，从而出现裂缝。混凝土的浇筑温度、养护条件、混凝土配合比等都会对其温度场变化造成影响。与此同时，混凝土是否会形成温度裂缝，主要通过其表面拉应力、内表温差和中心温度峰值来进行判断。

所以根据已建立的有限元模型，将基础顶部中心部位的拉应力、内表温差以及基础中心温度，作为指标来分析混凝土浇筑温度、养护条件、混凝土配合比对大体积基础的影响。

3.1   粉煤灰掺量的影响

不采取保温措施，并设置浇筑温度为20℃，参考配合比对模拟参数进行调整，分别模拟30%、40%、50%、60%这4种粉煤灰掺量下混凝土基础的温度场变化趋势，各粉煤灰掺量下基础中心温度变化趋势、内表温差变化趋势和表面拉应力变化趋势分别如图1、图2和图3所示。

综合分析图1至图3能够看出，基础中心最高温度在粉煤灰掺量为30%时的值为67℃，当粉煤灰掺量增大到60%时，基础中心最高温度减小到55.54℃。内表温差在粉煤灰掺量为30%时的值为39.14℃，当粉煤灰掺量增大到60%时，内表温差减小到28.93℃。表面最大拉应力在粉煤灰掺量为30%时的值为4.75MPa，当粉煤灰掺量增大到60%时，表面最大拉应力减小到3.47MPa。据此能够看出随着粉煤灰掺量的增加，3项指标均呈现为逐渐降低的趋势。

同时能够发现，基础中心温度在粉煤灰掺量范围处于30%～50%之间时变化较为明显，而温度变化幅度在粉煤灰掺量超过50%时逐渐减小，所以为了有效控制基础混凝土中心温度，粉煤灰掺量范围应为30%～50%。在理论上，主要由于粉煤灰的火山灰反应较迟钝，在初始水化反应阶段释放出的热量较少，所以在混凝土中加入粉煤灰能够显著减小混凝土的水化热，避免混凝土表面产生温度裂缝。

3.2   混凝土养护条件的影响

在浇筑温度为20℃、粉煤灰含量为30%时，分别对进行3cmXPS板保温、2cm土工布保温和裸露养护3种保温措施下基础温度场的变化趋势进行模拟，模拟时通过改变对流系数来满足不同的保温工况。在各保温条件下，基础中心温度变化趋势、内表温差变化趋势和表面拉应力变化趋势分别如图4、图5和图6所示。

综合分析图5至图7能够看出，3种养护条件下的前期中心升温曲线基本重合，中心温度最大值范围为67.43～69.29℃，三者相差较小。但当温度下降时，3种养护条件下的温降速度差别较大，降温速度最大的是表面裸露养护条件，达到1.85℃/h；降温速度最小的是XPS板保温，达到1.05℃/h。

同时能够看出，表面拉应力和内表温差变化较为明显，5.09MPa和39.86℃分别为裸露养护时的最大拉应力和最大内表温差。与其相比，XPS板保温和土工布保温时的表面最大拉应力分别减小2.37MPa和2.01MPa，最大内表温差分别减小19.62℃和15.12℃，但裸露养护下基础的内表温差在浇筑时间超过180h后，反而小于另外两种保温条件下的值。

由此能够得出，通过设置合理的外保温措施，能够在一定程度上减小基础混凝土表面拉应力和内外温差，有助于控制混凝土裂缝的产生和发展。但要注意的是，要对保温时间进行合理地控制，当混凝土内外温差将要到达临界值时撤去外保温措施，提高基础内外温度的降低速度。

3.3   混凝土浇筑温度的影响

不进行外保温措施，将混凝土粉煤灰含量设置为30%时，对模型的初始温度进行调整，分别对浇筑温度在35℃、30℃、25℃、20℃和15℃时基础的温度场变化趋势进行模拟，各温度下基础中心温度变化趋势、内表温差变化趋势和表面拉应力变化趋势分别如图7、图8和图9所示。

综合分析图7至图9，能够看出，当提高浇筑温度时，基础中心温度、内表温差和表面拉应力均有所提高，基础中心最高温度在浇筑温度为15℃时的值为59.32℃，在浇筑温度提高至25℃时为66.09℃，增大了6.77℃；而中心最高温度在浇筑温度从25℃升增大至35℃时仅提高了2.12℃。

这表明浇筑温度的增大，会在一定程度上提高混凝土中心温度。但在浇筑温度超过25℃后，基础温度受浇筑温度提高的影响较小，并且基础前期温度增大速度会随着浇筑温度的增大而增大。

观察基础内表温差变化趋势和表面拉应力变化趋势，发现同样存在此现象。在浇筑温度15℃提高到35℃时，内表温差和中心温度最大值提前了40h，表面拉应力最大值增大了0.32MPa，内表温差最大值从30.79℃增大至38.61℃。

通过上述分析可知，在高温度地区，为了有效控制基础混凝土中心温度，粉煤灰掺量应设置在30%～50%之间。同时可通过设置XPS板保温措施，来降低基础混凝土表面拉应力和内外温差，避免产生温差裂缝，但要注意合理控制保温时间。

4   结束语

本文以拉各斯航站楼项目为研究对象，通过有限元软件建立大体积独立基础模型，分析了不同因素对其中心温度、内表温差、表面拉应力的影响，主要得出以下结论：

基础中心温度在粉煤灰掺量范围处于30%～50%之间时变化较为明显，而温度变化幅度在粉煤灰掺量超过50%时逐渐减小，所以为了有效控制基础混凝土中心温度，粉煤灰掺量范围应为30%～50%。

通过设置XPS板保温措施能够在一定程度上减小基础混凝土表面拉应力和内外温差，有助于控制混凝土裂缝的产生和发展。但要注意的是，要对保温时间进行合理地控制，当混凝土内外温差将要到达临界值时，应撤去外保温措施，提高基础内外温度的降低速度。

当提高浇筑温度时，基础中心温度、内表温差和表面拉應力均有所提高，但在浇筑温度超过25℃后，基础温度受浇筑温度提高的影响较小。

参考文献

[1] 查进，葛新民，曾艳，等.野三河大桥主墩底座高强大体积混凝土防裂施工技术[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2007（6）：1006-1009.

[2] 俞亚南，张巍，申永刚.大体积承台混凝土早期表面开裂控制措施[J].浙江大学学报（工学版），2010，44（8）：1621-1628.

[3] 付婷婷，江锋，姚成.筏板基础大体积混凝土的温度计算及养护措施[J].石材，2023，389（7）：93-95.

[4] 胡桂海.大体积混凝土承台温控设计与现场应用效果研究[J]科学技术创新，2023（17）：159-162.

[5] 陈聪，孙冬，杨春峰，等.低温条件下大体积混凝土温控与防裂措施[J].水泥工程，2023，.214（3）：91-94.