大体积混凝土水化热分析与监测

大体积混凝土水化热分析与监测
[摘要]：采用 Midas FEA NX有限元软件建立模型，通过水化热分析得出筏板大体积混凝土浇筑后不同时间的的温度分布图，现场同时进行数字化智能监测,实时温度监测得到的实测数据对比软件模型计算数据。

通过上述手段，可以有效地、准确地对大体积混凝土进行监测。

[关键词]：筏板；大体积混凝土；数字化智能监测；水化热分析
0 引言
随着工程建设的需要，筏板也逐渐往大厚度、大体积的方向发展。

筏板大体积混凝土在混凝土浇筑过程中产生的水化热反应容易导致温度和收缩应力变化较大，产生对结构自身的有害裂缝。

本文以某项目为例，对筏板大体积混凝土的水化热进行数值模拟，计算其温度分布，对比得出最大温升位置，从而对该位置温度变化进行分析。

1 分析对象
本工程地下室共二层，筏板厚度600mm、1800mm、2500mm，根据《GB50496 大体积砼施工规范》，1000mm以上筏板属大体积混凝土施工。

其中，B栋主楼核心筒部位筏板厚度2.5m，非核心筒部位筏板厚度0.6m。

此筏板长约34.4m，宽约20.9m，大筏板布置有12个电梯井基坑及2个集水井，导致大筏板洞边现浇C40P8混凝土厚度较深且体积较大，厚度最厚处达到7.2m，最薄处为2.5m，剖面位置见图1。

大体积混凝土的设计配合比，常规参照以往项目经验，得出的结果不准确，而利用有限元软件模拟计算优化的混凝土设计配合比，计算出的数据较为准确，有利于质量控制。

浇筑后，规范规定温控监测每昼夜不少于4次，频率低，未能反应温度变化数值的及时性、有效性，导致误差较大，而利用数字化智能监测手段，数据实时上传至软件平台，每间隔15min～60min测量记录温度1次，并设置报警值，方便及时反应、采取措施。

图1 分析区域位置图
2 分析目的
本工程B塔楼核心筒区域筏板混凝土体积大。

大体积混凝土浇筑时，混凝土的内部会释放出大量的水化热，导致温度急剧上升，产生较大的温度应力。

由于筏板厚度、各部位散热条件等不同，因此筏板内各点温度存在一定差异。

如果在混凝土凝固降温过程中对温差控制不当的话，会造成混凝土内部裂缝的出现及发展。

为避免B塔楼底部混凝土筏板基础在浇筑凝固过程中因温度应力超过混凝土本身的抗拉强度而产生温度裂缝，常规做法是按经验优化混凝土设计配合比，并安排专人使用电子测温仪对大体积混凝土进行温度监测。

相对于本工程，在施工前对浇筑方案进行有限元仿真模拟评估，根据评估结果制定出合理的温度实时监测方案；施工过程中若出现超过温控限值，则温度在线监测系统通过线上平台对现场管理人员进行实时预警；同时，在后续养护过程中施工人员需要根据预警情况有针对性地不断调整现场的养护方案，并经有限元模拟分析验证后实施，达到减少试错成本的目的，最终实现大体积混凝土施工的精准化养护。

3 有限元模型模拟
3.1有限元软件的选用
本项目决定选用Midas FEA软件进行混凝土水化热参数化分析，可以准确地模拟水化热反应导致的混凝土开裂情况。

3.2有限元软件的建模流程
建立平面模型→建立筏板基础初步实体模型→定义基础以及地基材料特性→定义边界条件、对流系数以及土壤强制温度→定义时间特性参数→定义环境温度
和混凝土入模温度→定义热源→定义水化热施工阶段和分析工况→整理模型计算结果并与实测值相对比。

3.3模型的建立
根据项目施工专项方案及相关图纸资料，建成的筏板基础模型如图 2所示。

图2 筏板基础模型图
3.4边界的定义
3.4.1热分析边界
1、筏板顶面施加相应的对流边界，对流系数大小和风速、保温层有关，筏板顶面覆盖1层薄膜和麻袋片，厚度达到15mm，取导热系数0.209 kJ/(m2h℃)，风速1m/s，根据以上条件计算对流系数为11.79 kJ/(m2h℃)。

电梯井侧壁存在着钢模板支护，经计算对流系数为76.6kJ/(m2h℃)。

2、大气温度根据最近气温情况取固定值20℃。

地基土侧面、底面由于常年在地表以下，温度较为稳定，所以固定温度取22℃，地面与大气相交部分固定温度取与大气平均温度一致，为20℃。

3.4.2力学边界
模型侧面、底面施加固定约束，底面施加竖向约束。

3.5参数的取值
根据大体积混凝土施工标准中规定的配合比设计值和常规经验，取值如下表1中所示。

C40混凝土配合
比表1
混凝土绝热温升、入模温度和土壤的强制温度依据现场的实测数据取值；环
境湿度取浇筑期间每日环境湿度的平均值；混凝土比热、热传导率根据经验取值；混凝土热膨胀系数和弹性模量根据混凝土型号，系统自动计算取值。

混凝土导热系数通过下列公式（1）计算：
（1）
混凝土比热容通过下列公式（2）计算：
（2）
其中、、、、、；、、、、、；、、、、、分
别表示混凝土水泥、砂子、石子、水、粉煤灰的每立方混凝土所占百分比(%)、
导热系数和比热容。

混凝土的绝热升温K通过下列公式（3）计算：
（3）
式中：Q0——水泥最终水化热，kJ/kg，取461；
W——单位体积混凝土中水泥用量，kg/m3；
F——单位体积混凝土中混合材料用量，kg/m3；
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0.967；
——混凝土密度，kg/m3，取2400。

混凝土绝热升温公式按下列公式（4）计算。

（4）
混凝土采用普通硅酸盐水泥，水泥添加量260kg/m3，粉煤灰添加量50kg/m3，矿粉添加量100kg/m3，浇筑温度为20℃，则最大绝热升温为K=59.1℃，导热系
数随水泥品种、表面比及浇筑温度不同而不同，浇筑温度为20℃可取n=0.015
（1/hr）。

3.6水化热分析
3.6.1温度场分布
根据B塔楼底部筏板构造特征，部分位置存在着厚度7.2m的混凝土筏板基础。

由于最大温度一般出现在厚度中心处，定义该剖面位置为B剖面，设置B中
心点，如图3所示。

图3 B点位平面位置（左）与B中心点位竖向位置（右）
依据有限元模型对该位置进行模拟分析，B剖面位置混凝土浇筑七天内温度场分布如下表2所示，并提取该点处温度变化绘制曲线。

筏板温度场分布图表2
浇筑后24h筏板温度分布图浇筑后96h筏板温度分布图
浇筑后168h筏板温度分布图图4 B中心测点模拟值
由于最大温度一般出现在厚度中心处，故提取该位置处温度变化绘制曲线，如图4。

由图可见，浇筑混凝土的第1到8天升温速率最快，在第10天左右达到最高温度，此时内部最高升温温度小于50℃，满足温控标准。

10天后筏板内部温度逐渐下降。

筏板混凝土自第10天达到最高温度后，至25天左右时，温度下降曲线斜率最大，降温最快，经计算每天下降约0.7℃，满足温控标准2℃/d的要求。

4 数字化智能监测
4.1测温点布设
根据本项目情况，在B塔楼筏板三种深度的筏板洞口边各布置一个测位分别为B1、B2、B3。

为避开桩位，测位间距最小值为5.3m。

具体测位布置见图5（左）。

并分别在每个测温位的表层、中心、底层及中上、中下5个部位设置测温点，为防止现场施工损坏设备，中心位置多布置一个测点增加冗余，即每个温
度测位处布置6个温度测点，因此，B塔楼筏板布置3个温度测位，共计19个温
度测点。

现取筏板厚度最大处的测位B2作为研究对象，详见图5（右）剖面布置。

图5B塔楼筏板区域测点平面布置图（左）与B2测点传感器布置(1-1剖面图)（右）
4.2监测设备安装
将温度传感器固定在竖向支撑钢筋骨架上。

在浇筑混凝土前，将带温度传感器的支撑钢筋骨架插入到位，使用铁丝绑扎固定，且与结构钢筋及固定架金属体绝热，引线高出浇筑面1m，高出部分塞入槽钢中进行绑扎保护，并连接无线数据采集仪，如图6（左）所示。

采集仪使用电箱进行保护。

引线绑扎好后，确定电缆走向，尽可能使多个断面的电缆沿同一位置走线，减少电缆穿管工作量，并将电缆头做好标记，详细标注对应的点位号，防止后期接入采集仪时电缆错乱而分不清对应的点位。

在混凝土浇筑过程中，对传感器周围进行保护，下料时不得直接冲击传感器及其引出线，振捣时，振捣器不得触及传感器及引出线。

4.3实测数据分析
现场实测B2-3测温点与有限元软件Midas FEA建模模拟的B中心点一致，选取现场测温点B2-3进行模拟值与实测值进行对比验证，如图6（右）所示。

经对比发现，模拟值与现场实测数值拟合较好，说明通过有限元软件模型对筏板大
体积混凝土水化热的分析，得到的筏板温度变化数据是准确的，有限元分析是合理的。

因此，该模型可以用于后续分析。

图6 无线数据采集仪（左）与B2-3测点模拟值与实测值对比图（右）
5 温控措施
5.1冷却水降温措施
现场施工采用电梯井注水降温方式，电梯井内灌注冷却水能够明显降低梯井周边混凝土水化热温度，影响范围包括7.2m厚度现浇混凝土筏板区域，该做法对局部位置的效果较为显著。

同时，冷却水存在蓄热特性可以避免梯井表面降温过快，能够保护梯井表面不开裂，避免了垂直工作面保温作业，极大地降低保温作业成本。

5.2降低混凝土温度差
浇筑混凝土时应尽量避开炎热天气，本工程大筏板施工处于秋季，混凝土入模时可选择下午低气温的时段，避免阳光直晒导致较高入模温度，并采取一些物理降温措施，如混凝土公司在搅拌水池中加冰，对骨料进行通风、喷雾冷却，降低混凝土入模温度等措施。

5.3加强浇筑后养护
浇筑完成后，及时对筏板进行薄膜和麻袋片覆盖，起到保湿保温的效果，减小混凝土浇筑完成后的内外温差，控制裂缝的向内发展。

6 结论
通过现场实测技术得到的实测值与Midas FEA NX软件模型计算数据进行比对，现场实测数值与模拟值拟合较好，验证了有限元软件Midas FEA NX模型对筏板大体积混凝土水化热的分析，得到的筏板温度变化数据是准确的，有限元分析是合理的。

通过三维数值模型对筏板大体积混凝土水化热的分析，得到了筏板温度变化的数据，经过对数据的对比分析，得到的结论如下：
（1）选取的良好的混凝土级配及混凝土降温、养护措施得当，对大体积混凝土的水化热起到了很好的控制作用；
（2）绝热温升和入模温度是影响大体积混凝土中心最高温度的主要因素。

因此，建议降低混凝土中水泥比重，以及在气温较低时开始浇筑混凝土，尽可能降低入模温度。

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