大体积承台混凝土水化热分析及温控措施

在接触面上热流量和温度都是连续的[3] ,即
λ1
5 T1 5z
= λ2
5 T2 5z
, T1 = T2
(4)
1. 3 水泥水化热与混凝土绝热温升
不同品种和等级的水泥具有不同的水化热量 ,根
据文献[ 1 ,4 ,5 ] ,累计水化热可表示为
Q ( t) = Qa (1 - e- mt )
(5)
其中 , Q ( t) 为龄期 t 时的累计水化热 ( kJ ) ; Qa 为水泥
边界条件 ,当混凝土与空气接触时 ,表面热流量与混
凝土表面温度 T 和气温 T a 之差成正比[2 ] ,即
-
λ5 5
T n
= β( T
-
Ta)
(3)
其中 ,β为导热物体表面放热系数 ( kJ / m2 ·h ·℃) ;
Ta 为空气温度 ( ℃) ; n 为导热物体表面外法线方向 。
承台混凝土与地基的接触面为第四类边界条件 ,
(向空气散热) ,考虑混凝土收缩徐变对混凝土应力的
影响 ,分层浇筑间歇取 8 d 。计算模型如图 1 所示 ,冷
却水管布置 1/ 2 模型如图 2 所示 。
2. 3 温控计算结果
(1) 下层浇筑施工阶段 。 ① 混凝土内部最大温
升 。下层浇筑施工阶段节点温度峰值出现在浇筑后
的第 5 天 ,温度峰值为 55. 3 ℃,有效地控制了内部温
根据施工方案 ,进行承台施工阶段水化热模拟 , 分析承台施工期的温度场和温度应力场分布 。温控 计算采用有限元计算软件 M IDA S 进行 ,该计算模拟 承台混凝土的整个浇筑过程 ,考虑混凝土的分层浇 筑 、分层厚度 、浇筑温度 、混凝土水化热的散发规律 、 养护方式 、冷却水管降温 、外界气温变化 、混凝土弹模
1 理论分析
1. 1 热传递方程
受混凝土水化热的影响 ,承台温度随时间而变
化 ,为非稳定温度场 ,热传递方程[1] 为
5T 5t
λ = ρc
52 T 5 x2
+
52 T 5 y2
+
52 T 5 z2
+
5θ 5t
(1)
其中 ,λ为热传递系数 ( kJ / m ·h ·℃) ; ຫໍສະໝຸດ Baidu 为混凝土的
比热 ( kJ / kg ·℃) ;ρ为混凝土密度 ( kg/ m3 ) ;θ为混
[ 3 ] 季日臣. 承台大体积混凝土温度场计算与温控防裂措施 [J ] . 混 凝土 ,2006 , (9) :92 - 95.
[ 4 ] 陈应波 ,李秀才 ,张 雄. 大体积混凝土浇筑温度场的仿真分析 [J ] . 华中科技大学学报 ,2004 ,21 (2) :36 - 39.
[ 5 ] 王 铁 梦. 建 筑 物 的 裂 缝 控 制 [ M ] . 上 海 : 上 海 科 学 技 术 出 版 社 ,1993.
材龄 的 抗 压 强 度 为 30 000 M Pa , 放 热 系 数 为
50 000 J / m3 ·h ·K。冷却水管冷却模拟 : 冷却水管
管径 0. 032 m ,单位时间通水流量 1. 2 m3 / h ,水管进
水口温度 20 ℃,下层水管通水时间 12 d ,上层水管通
水时间 15 d 。
升 ,承台温度分布如图 3 所示 。该温度峰值节点的温
度历程图如图 4 所示 。 ② 应力峰值 。该时刻 (浇筑 施工后第 5 天) 节点的主拉应力也达到最大值 ,该值 为 2. 17 M Pa 。
此时的应力分布如图 5 所示 。最高主拉应力节 点应力历程如图 6 所示 。
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(8)
其中 , Qs 、Qg 为砂 、石的含水量 ,以 %计 ; W s 、W g 、W c 、
W w 为每方混凝土中砂 、石 、水泥和水的质量 ; Ts 、Tg 、 Tc 、Tw 为砂 、石 、水泥和水的温度 。
混凝土拌和前 ,应该把石子 、砂子 、拌和用水预先
进行冷却处理 ,降低混凝土的出料口温度 ,从而降低
160 m + 90 m 预应力混凝土变高度直腹板连续梁 ,下 部结构主墩采用带帽梁圆柱实体墩 ,主墩基础采用 12 根 <2. 0 m 的钻孔灌注桩基础 。墩帽 、墩身采用 C40 号混凝土 , 承台采用 C30 号混凝土 , 桩基采用 C30 号水下混凝土 。每个主墩承台的混凝土方量达 到 1 400 m3 ,为大体积混凝土 ,为解决水化热问题 ,采 用分层浇筑 ,并设置循环水冷却 。 2. 2 温控计算模拟分析
计 ; T0 为拌和温度 ,即
T0
=
(0. 2 + Qs ) W s T s + (0. 2 + Qg ) W g T g 0. 2 (W s + W g + W c) + W w
+
0. 2W c T c + ( W w - Qs W s - Qg W g ) Tw 0. 2 (W s + W g + W c) + W w
( 3) 冷却水管的出水口温度计算 。 ① 下层水 管 :第一层水管在通水结束后出水口温度为32. 8 ℃。 第二层水管在通水结束后出水口的温度为34. 8 ℃。 ②上层水管 :第三层水管在通水结束后出水口温度
1 6 《工程与建设》 2008 年第 22 卷第 1 期
〔参考文献〕
[ 1 ] 刘兴法. 混凝土结构的温度应力分析 [ M ] . 北京 :人民交通出版 社 ,1991.
在施工 过 程 中 应 采 取 措 施 控 制 裂 缝 的 产 生 。 ①在满足设计强度的前提下 ,尽可能采用低标号混 凝土 。 ②选用低水化热的矿渣硅酸盐水泥 ,为减少 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 、降低温升 、减小收缩具有良好的效果 ,从而提 高其抗裂性 。 ③骨料的选择应优先选用热膨胀系数 小的骨料 ,并强调骨料的连续级配 (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 ,提高混凝土的密实性 ,并可以 节约水泥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充分利用 低温季节施工 、降低混凝土的入模温度 、分层浇筑和 预埋水管通水冷却 ,能有效地降低混凝土内部的温度 峰值 。 ⑤混凝土内部温度达到峰值后 ,降温阶段最 容易出现裂缝 ,加强表面的保温蓄热养护 ,减缓气温 骤降的冲击 ,减小表面的降温速度和温度梯度 ,可以 达到降低内外温差的目的 。
混凝土的浇筑温度 。
最终绝热温升为
T = 300 ×330/ (0. 96 ×2 400) = 42. 98 ℃
计算分析时取为 43 ℃。
2. 2. 3 计算模型
根据承台结构特点 ,均取 1/ 4 镜像结构进行网格
划分计 算 。模 型 的 单 元 总 数 为 822 , 节 点 总 数 为
1 288 。计算时 ,承台顶面及四周为第三类边界条件
水化热总量 ( kJ ) , m 为水泥发热速率 。
由 (5) 式可得出混凝土的绝热温升为
θ( t) = θ0 (1 - e- mt )
(6)
其中 θ, 0 = W Q a/ ( cρ) 为混凝土的最终绝热温升 ( ℃) ;
W 为单位体积混凝土的水泥用量 (kg) 。
2 算 例
2. 1 工程概况 某淮河大桥上部采用五跨布置为 96 m + 3 ×
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为 33. 0 ℃。第四层水管在通水结束后出水口温度为 30. 0 ℃。冷却水管起到了很好的冷却效果 。
3 结束语
大体积混凝土的体积变形 ,主要来自水泥的水化 热温升 ,混凝土在硬化过程中使自身温度升高 ,又在 环境温度作用下逐渐下降 ,直至达到稳定 。由于混凝 土导温系数小 ,又受边界的影响 ,相对于初始温度 ,在 大体积混凝土内部各点的温度不同 ,存在整体降温及 非线性温度场 ,既受外部约束又有内部约束 ,因而产 生温度应力 ,当上述温度应力超过混凝土的抗拉强 度 ,将会导致裂缝 。
[ 2 ] Kevin Z T , David J P. Creep s hrinkage and t he rmaleffect s on mass concrete st ruct ure [J ] . Journal of t he Engineering Mechan2 ics Division ,1991 , (6) :31 - 33.
2. 2. 2 根据方案计算模拟分析所需数据
混凝土的浇筑温度 Tp 为 T p = T0 + ( Ta - T0 ) (θ1 +θ2 + … +θn) (7)
其中 , T p 为混凝土运输和浇筑时的气温 ;θ1 、θ2 , …,θn 为系数 ,其数值如下 :混凝土装 、卸和转运 , 每次θ= 0. 032 ;混凝土泵送时θ= 0. 001 8τ,τ为运输时间 ,以 min 计 ;浇筑过程中θ= 0. 003τ,τ为浇捣时间 ,以 min
收稿日期 :2007212217 作者简介 :黄志福 (1963 - ) ,男 ,安徽霍邱人 ,安徽省交通投资集团有限责任公司高级工程师.
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黄志福 ,等 :大体积承台混凝土水化热分析及温控措施
大体积承台混凝土水化热分析及温控措施
黄志福1 , 叶雨霞2
(1. 安徽省交通投资集团有限责任公司 ,安徽 合肥 230011 ;2. 安徽省公路勘测设计院 ,安徽 合肥 230041)
摘 要 :由于水泥的水化热作用 ,大体积混凝土浇筑过程中将产生大量的水化热 。混凝土浇筑初期 ,外部混凝土收缩受到内部混 凝土约束产生拉应力 ,当其超过材料的抗拉强度时产生裂缝 。文章首先介绍混凝土水化热产生的机理和水化热发生的过程 ,然后 通过工程实例详细介绍了大体积混凝土浇筑过程中的水化热影响及如何降低混凝土内部的绝热温升 ,施工时应采取温控防裂措 施 ,减小混凝土的水化热和内外温差 。 关键词 :大体积混凝土 ;水化热 ;温控措施 中图分类号 : TV544. 91 ; U443. 25 文献标识码 : A 文章编号 :167325781 (2008) 0120014203
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变化 、混凝土徐变等因素 。
2. 2. 1 根据施工方案确定的参数
施工时气温为 25 ℃,混凝土物理热学性能参数 :
热传导率 9 660 J / m ·h ·K ,比热 960 J / kg ·K ,28 d
图 6 主拉应力和容许应力的历程图
(2) 上层浇筑施工阶段 。 ① 混凝土内部最大温 升 。上层浇筑施工阶段节点最高温度出现在下浇筑 后的第 13 天 ,最高温度为 55. 4 ℃,温度分布如图 7 所示 。 ②应力峰值 。浇筑施工后第 13 天 ,节点的主 拉应力也达到最大值 ,该值为 1. 8 M Pa 。由图 8 可 见 ,承台表面蓝色区域内的节点主拉应力很接近其张 拉容许应力 ,需要加强表面混凝土的养护措施 。最高 主拉应力节点应力历程如图 9 所示 。
凝土的绝热温升 ( ℃) 。
1. 2 热传递的初始条件和边界条件
(1) 初始条件 :一般初始瞬时的温度分布可以认
为是均匀的 ,在混凝土温度计算过程中 ,初始温度即
为浇筑温度[2 ] 。
T ( x , y , z , t) | t = 0 = T0 = 常数
(2)
(2) 边界条件 :在计算过程中暴露表面为第三类