水化热参数化分析

课题背景及任务来源随着我国交通事业的迅速发展，大跨度桥梁大量出现，在桥梁中大体积混凝土承台、锚碇、塔等亦随之大量出现。

目前所生产的水泥放热速度较过去大为提高，这使得大体积混凝土的温度裂缝问题日益突出，已成为普遍性的问题。

大体积混凝土在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和约束作用，由此而产生的温差和温度应力是导致混凝土出现裂缝的主要因素，从而影响结构的整体性、防水性和耐久性，成为结构的隐患。

因此大体积混凝土在施工中必须考虑裂缝控制。

大体积混凝土温度裂缝问题十分复杂，涉及到结构、建筑材料、施工、环境等多方面因素，工程建设领域目前对桥梁中所使用的大体积混凝土的研究还不够深入、全面，相关的规范条文还不够完善，对很多工程实践中的问题只能依靠经验处理，缺乏适当的理论依据，这会造成许多不必要的人力、物力、财力的浪费，大体积混凝土施工质量控制的结果也不很理想。

在总结大体积混凝土温度裂缝产生的原因的基础上，本文结合邕江四线特大桥，以及对承台试块的模拟试验，研究分析了大体积混凝土内部温度场和温度应力变化的规律和工程中采用的温控措施的实际效果。

本文在大体积混凝土工程中所采用的温度监测和裂缝控制措施，为今后同类工程施工提供了有用信息，也为今后开展深入的理论研究提供了试验和理论参考依据。

组成结构通过midas来模拟大体积混凝土在水化热情况下温度与应力应变的变化，并且通过不加冷水管和加冷水管的情况下进行对比分析，并得出相应的结果。

功能与技术能够直观的看到混凝土内部在水化热的情况下温度随时间的变化，并且通过精确的数值进行分析。

从而使我们对水化热有进一步的认识，进而通过温度变化趋势分析混凝土可能会产生的裂缝的位置，从而提前做好防护措施，尽可能是裂缝降到最小。

成果的主要特点通过对大体积混凝土水化热的分析，我们能更加深入的了解混凝土内部温度度的变化情况，从而对混凝土浇筑﹑养护﹑防护提前做出应对措施。

尤其是咋此过程中温度对其裂缝的影响。

课题背景及任务来源随着我国交通事业的迅速发展，大跨度桥梁大量出现，在桥梁中大体积混凝土承台、锚碇、塔等亦随之大量出现。

目前所生产的水泥放热速度较过去大为提高，这使得大体积混凝土的温度裂缝问题日益突出，已成为普遍性的问题。

大体积混凝土在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和约束作用，由此而产生的温差和温度应力是导致混凝土出现裂缝的主要因素，从而影响结构的整体性、防水性和耐久性，成为结构的隐患。

因此大体积混凝土在施工中必须考虑裂缝控制。

大体积混凝土温度裂缝问题十分复杂，涉及到结构、建筑材料、施工、环境等多方面因素，工程建设领域目前对桥梁中所使用的大体积混凝土的研究还不够深入、全面，相关的规范条文还不够完善，对很多工程实践中的问题只能依靠经验处理，缺乏适当的理论依据，这会造成许多不必要的人力、物力、财力的浪费，大体积混凝土施工质量控制的结果也不很理想。

在总结大体积混凝土温度裂缝产生的原因的基础上，本文结合邕江四线特大桥，以及对承台试块的模拟试验，研究分析了大体积混凝土内部温度场和温度应力变化的规律和工程中采用的温控措施的实际效果。

本文在大体积混凝土工程中所采用的温度监测和裂缝控制措施，为今后同类工程施工提供了有用信息，也为今后开展深入的理论研究提供了试验和理论参考依据。

组成结构通过midas 来模拟大体积混凝土在水化热情况下温度与应力应变的变化，并且通过不加冷水管和加冷水管的情况下进行对比分析，并得出相应的结果。

功能与技术能够直观的看到混凝土内部在水化热的情况下温度随时间的变化，并且通过精确的数值进行分析。

从而使我们对水化热有进一步的认识，进而通过温度变化趋势分析混凝土可能会产生的裂缝的位置，从而提前做好防护措施，尽可能是裂缝降到最小。

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水泥水化热研究与分析作者：鲍安娜来源：《商情》2014年第33期在水泥较长的散热过程中，水泥浆会逐渐凝结和硬化。

水泥内部物质处于高能状态，随着时间推移，水泥浆体性质将会趋向于稳定。

针对于水泥水化热的研究，不仅可以保证结构物的施工质量，还能适当降低工程成本造价，首先介绍了影响水泥水化热大小的影响因素以及计算法方法，然后根据经验讲述了几种降低水泥水化热的措施。

水泥水化热措施配合比增加热量随着国家经济的快速发展，越来越多的工程建筑拔地而起，市场对于水泥需求量也是越来越大。

水泥在水化过程中产生的热量将会聚集在结构物内部不易散失出去，将会导致混凝土温度提高，在未受地基约束的部位，如果混凝土的内外温差过大，内部温度较高的混凝土约束外强度远大于其抗拉强度，将在混凝土的表层产生拉应力，若此时混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时就会产生表层温度裂缝。

若养护不当，表面裂缝将会进一步发展成深层裂缝。

在受地基约束的部位，将会产生较小的压应力。

因混凝土的散热系数较小，它从最高温度降至稳定温度需要较长时间，在此期间，混凝土的变形模量有了很大的增长，较小的变形就能产生较大的应力。

由于混凝土的早期体积变形，主要来自于水泥的水化热温升，并且降低水化热是防止混凝土早期开裂的有效途径，因此，我们有必要对水泥混凝土的水化热进行研究，以尽量避免温度裂缝的出现。

一、水化热的计算与分析1、水泥水化热分析水泥在水化时会发生温度变化，这主要源于几种无水化合物组分的溶解热和几种水化物在溶液中的沉淀热。

这些热值的代数和就是水泥在任何龄期下的水化热。

国家标准GB T 12959-2008规定了水泥水化热的测定方法，但是水泥水化热的测定较复杂，一般水泥厂都不会配备有这方面的仪器，有些水泥厂曾经添置过水泥水化热的测试仪器，但也没能很好地使用，关键是水化热测试对仪器和操作技术的要求较高，一般的工人难以熟练掌握该技术。

水泥水化热大小与水泥内部矿物质成分有一定的关系，在同等量的水泥情况下，具有C3A的水泥水化热最大，其次是C3S，最后是C4AF。

课题背景及任务来源随着我国交通事业的迅速发展，大跨度桥梁大量出现，在桥梁中大体积混凝土承台、锚碇、塔等亦随之大量出现。

目前所生产的水泥放热速度较过去大为提高，这使得大体积混凝土的温度裂缝问题日益突出，已成为普遍性的问题。

大体积混凝土在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和约束作用，由此而产生的温差和温度应力是导致混凝土出现裂缝的主要因素，从而影响结构的整体性、防水性和耐久性，成为结构的隐患。

因此大体积混凝土在施工中必须考虑裂缝控制。

大体积混凝土温度裂缝问题十分复杂，涉及到结构、建筑材料、施工、环境等多方面因素，工程建设领域目前对桥梁中所使用的大体积混凝土的研究还不够深入、全面，相关的规范条文还不够完善，对很多工程实践中的问题只能依靠经验处理，缺乏适当的理论依据，这会造成许多不必要的人力、物力、财力的浪费，大体积混凝土施工质量控制的结果也不很理想。

在总结大体积混凝土温度裂缝产生的原因的基础上，本文结合邕江四线特大桥，以及对承台试块的模拟试验，研究分析了大体积混凝土内部温度场和温度应力变化的规律和工程中采用的温控措施的实际效果。

本文在大体积混凝土工程中所采用的温度监测和裂缝控制措施，为今后同类工程施工提供了有用信息，也为今后开展深入的理论研究提供了试验和理论参考依据。

组成结构通过midas来模拟大体积混凝土在水化热情况下温度与应力应变的变化，并且通过不加冷水管和加冷水管的情况下进行对比分析，并得出相应的结果。

功能与技术能够直观的看到混凝土内部在水化热的情况下温度随时间的变化，并且通过精确的数值进行分析。

从而使我们对水化热有进一步的认识，进而通过温度变化趋势分析混凝土可能会产生的裂缝的位置，从而提前做好防护措施，尽可能是裂缝降到最小。

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尤其是咋此过程中温度对其裂缝的影响。

桥梁承台基础大体积混凝土水化热温度分析与控制摘要:混凝土在浇筑后，由于水泥水化热而产生的温度应力，容易导致混凝土产生裂缝。

因此，必须对混凝土水化热温度进行分析，进而采取控制措施以防范裂缝的出现。

本文结合桥梁承台基础大体积混凝土工程实例，对水化热温度进行了分析，论述了施工中的温控措施，有效控制温度裂缝的出现，可供参考。

关键词:大体积混凝土；水化热温度；监测；控制众所周知，混凝土是应用最为广泛的工程结构材料。

近年来，随着交通建设事业的发展，大型、复杂的桥梁工程大量出现，使得大体积混凝土在桥梁的基础中得到了广泛的应用。

大体积混凝土在浇筑后，由于水泥水化热，内部温度上升，在一定约束条件下会产生较大的温度应力，导致混凝土产生裂缝，影响工程质量。

因此，在施工中如何控制水化热温度，采取相应的温控措施，避免混凝土出现有害的温度裂缝是保证工程质量的首要问题。

某桥梁墩承台尺寸为13.6m×15.2m×4.0m，一个承台约C30混凝土836m3，属于大体积混凝土。

为保证桥梁承台大体积混凝土工程质量，对桥梁承台基础大体积混凝土水化热温度分析与控制。

1 承台水化热有限元分析1.1 有限元模型建模时周边地基土尺寸取为19.2m×17.6m×4.0m，模型中考虑了冷却水管，有限元模型见图1。

图1 承台水化热分析有限元模型1.2 相关计算参数桥梁承台大体积混凝土理论配合比见表1。

表1 承台混凝土理论配合比kg/m3根据施工方案，承台混凝土四周采用钢模板，顶面混凝土保温材料为30mm 厚棉被和0.1mm厚塑料布。

保温材料导热系数见表2。

模型环境温度取为固定值18℃，地基边界为固定温度条件，温度值也取18℃。

冷却水管内径0.048m，水流速度为0.6m/s。

表2 保温材料导热系数1.3 计算结果及分析为了研究承台大体积混凝土内部和表面温度发展，在有限元分析和现场测试中分别取1/4承台的顶面、深2m，深4m处各8个测点进行研究。

第一章设计说明第二章大体积混凝土承台水化热有限元分析2.1 概论2.1.1 大体积混凝土定义目前国际上对大体积混凝土仍无一个统一的定义。

就如美国混凝土学会的定义：任何就地现浇的混凝土，其尺寸到达必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂的，称之为大体积混凝土。

又如日本建筑学会对大体积混凝土的标准定义：结构断面最小尺寸在80cm以上；水热化引起混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过25℃的混凝土。

而我国《大体积混凝土施工规范》认为，混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土属于大体积混凝土。

由以上可见，大体积混凝土主要是依靠结构物的断面尺寸和水化热引起的温度变化来定性的。

2.1.2 大体积混凝土温度裂缝成因施工期间水泥的水化热作用，在其浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段。

大体积混凝土自身有一定的保温性能，因此在升温期其内部温升幅度较其表层的温升幅度要大得多,而在降温期内部降温速度又比其表层慢得多,在这些阶段中，混凝土各部分的温度变形及由于其相互约束及外界环境温度约束的作用，在混凝土内产生的温度应力是相当复杂的。

由于混凝土的抗拉能力比较弱，一旦温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时，混凝土就会出现裂缝。

因此必需掌握其水化热的变化规律，从而为混凝土配合比的修改及养护方案的制定提供依据。

2.1.3 本章研究的主要内容(一)利用MADIS有限元软件建立大体积混凝土承台模型，并对其进行仿真水化热计算。

(二)对其水化热进行参数分析。

2.2 承台仿真分析2.2.1 工程基本概况松柏山水库特大桥位于松柏山水库上游，为贵安新区黔中大道（三期）道路工程的一个控制性桥梁。

左、右幅主桥均采用100+180+100m （桥梁中心线对应跨径）变截面预应力混凝土连续刚构桥，墩顶梁高12.0m ，跨中梁高4.2m ，采用挂篮悬浇施工。

考虑管冷的水化热分析北京迈达斯技术有限公司目录概要 1模型的基本数据 3材料和热特性数据 5建立模型 6设定操作环境 6定义材料特性 7定义时间依存特性 8时间依存材料连接 9结构建模 10输入水化热分析数据 26水化热分析控制数据 26输入环境温度 27输入对流系数 28定义热源函数 31输入管冷数据 33定义施工阶段 36运行结构分析 38查看分析结果 38查看温度变化 39查看应力变化 43查看时程图形 47动画查看结果 512概要对于建筑物的基础以及桥梁的基础、桥墩等大体积混凝土需要考虑水化热引起的温度应力。

温度应力引起的裂缝具有裂缝宽、上下贯通等特点，因此对结构的承载力、防水性能、耐久性等都会产生很大影响。

大体积混凝土的温度应力是由于浇注混凝土后，水泥的水化反应（放热反应）导致的混凝土体积的膨胀或收缩，在受到内部或外部的约束时而产生的。

混凝土水化热引起的应力可以分为内部约束应力和外部约束应力两大类。

内部约束应力是指由于混凝土内部不同的温度分布引起的不同的体积变化而导致的应力。

即，水化反应初期由于中心部分温度比表面温度高，会导致表面产生拉应力；而温度开始下降时中心部分的收缩会比表面部多，此时中心部会产生拉应力。

内部约束应力的大小与内外温差成比例。

外部约束应力是指新浇筑的混凝土，由于水化热而发生的体积变化，受到与其接触的已浇筑混凝土或者地基等的约束而产生的应力。

外部约束的作用与接触面积的大小和外部约束的刚度等因素相关。

水化热分析包括热传导分析(Heat Transfer Analysis)和热应力分析(Thermal Stress Analysis)两个过程。

热传导分析是通过考虑水泥水化反应时产生的热量、对流、传导等因素计算随时间变化的各节点的温度的过程。

热应力分析是利用计算得到的各节点的不同时间的温度，考虑随时间和温度变化的材料特性、干缩、随时间和应力变化的徐变等，来计算大体积混凝土各施工阶段的应力的过程。

大体积混凝土水化热分析FEA 在建筑工程领域，大体积混凝土的应用越来越广泛，如大型基础、桥梁墩台、大型水坝等。

然而，由于大体积混凝土在浇筑后水泥水化反应产生的大量热量难以迅速散发，容易导致混凝土内部温度升高，从而产生温度应力。

当温度应力超过混凝土的抗拉强度时，就会引发裂缝，严重影响混凝土结构的安全性和耐久性。

因此，对大体积混凝土水化热进行分析是十分必要的。

有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）作为一种有效的数值分析方法，为大体积混凝土水化热的研究提供了有力的工具。

一、大体积混凝土水化热的产生机理水泥在水化过程中会释放出大量的热量，这是大体积混凝土内部温度升高的主要原因。

水泥的水化反应是一个复杂的化学过程，其放热量与水泥的品种、用量、水化程度等因素有关。

一般来说，水泥的水化热在浇筑后的前 3 天内释放较快，之后逐渐减缓。

在大体积混凝土中，由于混凝土的导热性能较差，热量在内部积聚，导致内部温度迅速升高。

而混凝土表面与外界环境接触，热量可以通过对流和辐射等方式散失，使得表面温度相对较低。

这种内外温差会在混凝土内部产生温度梯度，从而引起温度应力。

二、大体积混凝土水化热的影响因素1、水泥品种和用量不同品种的水泥水化热不同，一般来说，早强型水泥的水化热较高。

水泥用量越大，水化热产生的热量也就越多。

2、混凝土配合比混凝土中骨料的种类、粒径、级配以及水灰比等都会影响混凝土的导热性能和热容量，从而影响水化热的分布和传递。

3、浇筑温度浇筑时混凝土的初始温度越高，内部温度峰值也会相应升高。

4、环境温度外界环境温度的高低和变化会影响混凝土表面的散热速度，进而影响混凝土内部的温度分布。

5、结构尺寸和形状大体积混凝土结构的尺寸越大，热量越难以散发，内部温度升高越明显。

结构的形状也会影响热量的传递和分布。

三、有限元分析（FEA）在大体积混凝土水化热分析中的应用1、建立模型首先，需要根据大体积混凝土结构的实际尺寸和形状建立有限元模型。

新佳田铁路立交特大桥主墩承台水化热分析报告1、工程概况某立交特大桥主墩承台有两种类型，尺寸长⨯宽⨯高分别为1220⨯1320⨯350（cm）（承台1）和1220⨯1670⨯350（cm）（承台2），混凝土采用C40。

混凝土厚度达3.5m，可能会因混凝土中的凝胶材料水化热引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生，属于规范规定的大体积混凝土。

2参数分析采用有限元软件Midas Civil对承台大体积混凝土进行水化热计算。

大体积混凝土浇筑后的温度变化与混凝土配合比、混凝土的入模温度、混凝土与外部的热交换、内部冷却水管的布置等多种因素有关。

此工程为对称的立方体结构，为节约计算时间、提高计算效率，承台按照1/2模型进行计算。

取两个承台中较大承台进行分析（承台2）。

为了准确模拟承台向地基热传导过程，模型包括承台部分以及包括地基部分，其中地基向承台外拓展3m的长度，厚3m，有限元模型如图2-1所示。

图2-1 1/2承台有限元模型（承台2）2.1 边界设置1、热分析边界（1）承台顶板和侧面施加相应的对流边界，对流系数大小和风速、保温层以及模板有关。

不同边界设置对应的对流系数如表2-1。

表2-1 不同情况对应对流系数表（2）大气温度没有实测数据，根据最近气温情况取固定值15℃。

地基土侧面、底面以及除了和承台接触部分的顶面施加固定温度，固定温度取与大气平均温度一致，为15℃。

2、力学边界地基土侧面、底面施加固定约束，结构对称面约束对应方向的法向自由度。

2.2计算参数混凝土的绝热升温K 可通过式（2.1）计算。

()0Q W kF K c ρ+=（2.1）式中：Q 0——水泥最终水化热，kJ/kg ，取377； W ——单位体积混凝土中水泥用量，kg/m 3； F ——单位体积混凝土中混合材料用量，kg/m 3；k ——混合材料水化热折减系数，粉煤灰取0.25，矿粉取0.463； c ——混凝土比热kJ/(kg ℃)，取0.96； ρ——混凝土密度，kg/m 3，取2500。