大体积混凝土温度场分析及控温措施

大体积混凝土温度场分析及控温措施

摘要：近年来，大体积混凝土结构应用日渐广泛。但由于大体积混凝土结构自身的特性导致其出现裂缝的可能性相对于普通混凝土结构要大，而混凝土内部温度场又是导致裂缝产生的重要因素，因此通过对大体积混凝土温度场理论和有限元分析两方面进行分析，结合工程实践中的温度场的实测值，总结出大体积混凝土内部温度场及内外温差的变化规律，并以此为基础提出了可行的控温措施，以期为同类型工程的大体积混凝土温度控制以及裂缝控制值实践提供了参考。

关键词：大体积混凝土；控温措施；温度场；温度场理论；有限元分析；温度控制

1大体积混凝土温度场及控温措施的研究意义

近年来， 应用于建筑工程上的大体积混凝土结构越来越多， 该类结构由于产生的水化热和混凝土与空气的热对流作用使混凝土内部与表面产生温差， 形成随龄期变化的温度场。[1]大体积混凝土在硬结过程中，因水泥水化影响下，其内部会产生大量水化热，导致其内部温度升高。因混凝土本身导热性较差， 且体积较大， 散热性不足，导致在混凝土内部其温度较高。在温度影响下， 大体积混凝土内部温度增加出现膨胀，表面温度较低，其膨胀率较小，则会在其内部出现压应力，在其表面出现拉应力，当混凝土表面拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，

则会出现混凝土裂缝。因此大体积混凝土内部温度场及控温措施的研究对于混凝土裂缝控制有着十分重要的意义。

2大体积混凝土温度场理论分析

2.1大体积混凝土温度场

大体积混凝土温度场指的是在某一时间内混凝土结构内部 与表面各点所表现出的温度状态。在大体积混凝土施工中，因混 凝土内部水化热较大，且导热性不足，则容易引起混凝土内外温 差较大，导致其温度裂缝产生。进行混凝土温度场研究，需要进 行混凝土温度场计算，即求解热传导方程。取一微单元 dxdydz 作为研究对象。

2.2 初始条件及边界条件

在热传导方程中，主要表现的是混凝土温度、时间与空间三者的关系，能够满足热传导的解是无限的，为此应确定其初始条件及边界条件以确定温度场。其中初始条件为在初始阶段瞬时的问题内部的温度分布所呈现的规律，边界条件为混凝土周围介质与混凝土表面之间温度相互作用所表现的规律。大体积混凝土的边界条件一般属于第三类边界条件 ，即当与空气接触时，混凝土表面热流量与表面温度 Tb和大气温度Ta之差成正比， 即：

式中，n为混凝土结构表面法线方向，β为放热系数[2]。

初始条件为混凝土的入模温度。

2.3混凝土的水化热Q(τ)

水泥水化热Q(τ)属于混凝土龄期的函数，其表达公式为：

Q(τ)=Q0(1-e-mτ),

式中Q(τ)代表的是τ龄期时混凝土累计水化热，τ为龄期，m为常数，其取得因水泥品种及浇筑温度不同而不同。

2.4绝热温升计算

在设定混凝土结构四周没有散热及热损失的基础上，其水化热全部转化为温度值，考虑外加剂掺量因素，则有： 式中：W代表的是每立方混凝土中的水泥用量，C代表的是混凝土的比热，ρ代表的是混凝土密度，K为折减系数，F为混凝土料用量，Q(τ)为水泥水化热。

2.5混凝土内部最高温度：

在进行混凝土中心最高温度Tmax计算时，可以应用如下公式：

Tmax=T+θmax*ε（τ）

式中T代表的是混凝土浇筑时的温度，θmax代表的是最高绝缘温升，ε（τ）代表的是在τ龄期时混凝土降温系统。

2.6混凝土表面温度：

式中：Tb(τ)代表在τ龄期时混凝土表面温度，Tτ代表的是在τ龄期时大气温度，ΔTτ代表在τ龄期时混凝土最高温度与外界气温之间的差值，H为混凝土计算厚度，h为混凝土实际浇筑厚度。

3 温度场的有限元分析

本次仿真分析使用成都市二环路高架桥桥墩的原始数据进行仿真分析，分层浇筑的浇筑形状及实际温度测试的点位分布。

本次MIDAS分析选用的单元为1/8体积的浇筑混凝土，长宽高各取1/2,在对称面上取对称约束。经MIDAS分析后的不同龄期下混凝土内部温度场。

MIDAS模拟分析的不同龄期下大体积混凝土中心温度、表面温度和内外温差的温度值。

通过大体积混凝土内部温度测试所得到的不同龄期下大体积混凝土中心温度、表面温度和内外温差的实测值。

表1：实测的不同龄期下混凝土各个位置的温度

各位置温度（℃） 龄期

10h 30h 60h

100h 130h

160h

200h

中心温度

28.6

41.2

48.2 52

51．2 48 44.3

表面温度

27.6

34.9

37.4 36.5 33.3 32.6 29.9

内外温差 1 6.3

10.8 15.5 17.9 15.4 14.4

由图表可以得到，大体积混凝土结构内部温度在100h时达到峰值，表面温度在60h时达到峰值，其内外温差在130h时达到接近20℃的峰值，其内外温差大于普通混凝土结构。

4 控温措施

由仿真分析及实测值得分析可以得到，大体积混凝土结构的内外温差大于普通混凝土结构，又由于内外温差是导致混凝土出现裂缝的重要因素，因此降低内外温差是温度控制的核心。

(1)在能满足设计强度的条件下，尽量选用低标号的混凝土，以此减少水泥的用量，降低水化热，达到降低内外温差的目的。

(2)条件许可下，可选用低水化热的矿渣硅酸盐水泥，同时为了减少水泥用量，施工中可加入适量的粉煤灰以改善混凝土和易性、降低内部温度峰值、减小收缩。 (3)应优先选用热膨胀系数小的粗细骨料，并注意骨料的连续级配(尽量用粒径大的骨料)。因为采用连续级配的骨料，可以提高骨料在混凝土中的所占体积，既提高了混凝土的密实性，也可以节约水泥，同时降低了水化热和减少用水量。而且石块本身也具有吸收发热量的功能，能使水化热进一步降低，同时混凝土的收缩和泌水也随之减少。

(4)在施工过程中，应注意尽量避免在低温季节施工、降低混凝土的入模温度、采用分层浇筑法和预埋水管通水冷却，这些措施都能有效地达到降低内外温差的目的[3]。

(5)混凝土内部温度达到峰值后，混凝土表面在降温阶段最容易出现裂缝，加强表面的保温蓄热养护，可以减缓气温骤降的冲击，减小表面的降温速度和温度梯度，以达到降低内外温差的目的。

5 总结

本文通过有限元软件和现场测试对不同龄期下大体积混凝土的中心温度、表面温度、内外温差进行了分析，论证了大体积混凝土结构的内外温差高于普通混凝土结构。又通过大体积混凝土温度场的理论分析，展示了内外温差与水化热、绝热温升、表面降温速度和温度梯度等因素的关系，提出了以达到降低水化热、降低绝热温升、减小表面降温速度和温度梯度等目的的控温措施，以达到降低内外温差从而控制大体积混凝土裂缝的目的。

参考文献

[1]张衍龙，张同波，邹传学，于德湖，王胜. 不同因素对大体积混凝土温度场的影响及模板选择标准 [J]. 施工技术, 2010, (39) :93-94

[2]李童. 大体积混凝土温度场构成因素分析[J]. 四川建材, 2011,37(4) :26-28

[3]戎浩声. 大体积混凝土温度场理论以及裂缝控制技术漫谈[J].建材发展导向,2014,(2):56-57