某大体积混凝土工程温升控制.pdf

汤艳红 ： 某大体积混凝土工程温升控制 1 2 5 某大体积混凝土工程温升控制 汤艳红 ( 杭州欣盛房地产开发有限公司 。 杭州3 1 0 0 1 4 J 【 摘要】 大体积混凝土温度 一 应力场分析的一个重要前提就是水泥水化放热模型的确定。基于化学反应 动力学 、 微观水化模型， 提出了新的水泥绝热温升模型。在此水泥绝热温升模型基础上， 结合有限元软件， 对某大 体积混凝土工程进行了温度 一应力场分析 ， 并由此确定其温升控制措施。工程施工后， 表面温度裂缝较少， 较好 地保证了此工程的施工质量。 【 关键词】 混凝土； 绝热温升； 温度 一 应力场； 管冷 【 中图分类号】 T U 7 5 5 7 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 1 1 0 1 2 5 0 2 大体积混凝土由于水化放热 ， 浇注后温度会经过升高、 降低、 稳定的过程， 在温度变化过程中， 如果结构物的温度 变形受到约束， 则在混凝土内部会产生应力， 若此温度应力 超过这个时刻混凝土的最大允许应力 ， 则大体积混凝土会 产生裂缝， 严重影响工程的安全性、 耐久性 J 。为避免破坏 性温度裂缝的产生， 需要对承台进行温度 一应力场分析。 温度 一应力场分析的一个重要前提就是混凝土水化放 热的确定。目前我国学者已经提出了各种不同的混凝土绝 热温升模型： 朱伯芳等 提出的估算经验公式 ， 包括指数、 双曲线、 复合指数三种形式； 规范 G B 5 0 4 9 6 2 0 0 9 即采用 了双曲线式模型； 张子明等提出的基于等效时间的绝热温 升模型【 3 J 。凌道盛等提出的混凝土放热模型 J 。 混凝土凝结硬化实质上是复杂的物理化学反应。估算 经验公式忽略了温度、 水化反应物浓度等因素的影响， 很难 精确计算混凝土温升； 凌道盛等的水化放热模型， 由某时刻 温升与最终温升的比值来反映浓度， 较为粗糙。文中在 A r - r h e n n i u s 定理基础上， 考虑微观水化过程， 用未反应水泥颗 粒内核与水的接触面积来考虑反应物浓度， 提出了新的绝 热温升计算式。在此模型基础上， 结合有限元软件， 对某大 体积混凝土工程温度 一应力场进行了分析 并由此而定其 温升控制措施。 1 混凝土绝热温升模型的建立 1 1 混凝土微观水化过程 国外学者 K V a i l B r e u g e l 、 K i B o u n g P a r k 【 6 均提出过 微观水化模型， 认为水化过程中包括未水化水泥颗粒、 水化 产物以及存在于外部水化产物毛细孔隙中的水等三种成 分， 随着水化反应进行， 外部反应产物形成 的空隙逐渐减 少 ， 水与未反应的水泥颗粒内核的接触面积逐渐减小， 所 以 反应速率逐渐降低。 假设混凝土颗粒为尺寸均匀的球体 ， 如 图 1所示。其 中， R 。 为颗粒初始半径； R 为达到水化最大程度 时的未 水化内核的半径； 为外部水化产物半径； r 为处于中间状态 时的颗粒半径； f 为考虑水的等效立方体尺寸。 反应时， r 由 凡 逐渐减小至R 。 ， 由于水化产物的体积大 于参与反应的水泥体积( 1 ) ， 所以 不断扩大； 由于水不 断减少， z 不断减小。假设参与反应 的水都集中于球与立方 体的空隙中， 则伴随球体的不断扩大、 立方体尺寸的不断减 小， 水与颗粒的接触面积不断减小， 如图2所示。 未水化内核 内部水化产物 外部水化产物 图1 微观水化示意图 R R R n r R R 雩 穹c R 譬 图2 水与水泥内核接触示意图Is 定义相对面积 S ) 为： S )= s ( 4 t r R 2 ) ( 1 ) 则此相对面积就是基于混凝土微观水化过程的反映水 化反应物浓度的计算式。 1 2 混凝土绝热温升模型的建立 单位体积混凝土温升由水泥放热引起， 设初始温度为 ，任意时刻温度为 ， 则混凝土绝热温升 0 为： ： 一 ： 一 ( 2 ) c ( + +1 ) 。 P P 。 式中， p 为水泥的密度， P 为水的密度， P 为砂石的 平均密度， S为水泥的比表面积， P 。 为浇注后的整体平均密 度， 为水灰比， 为砂灰比。 1 2 6 低温建筑技术 2 0 1 0年第 1 1 期( 总第1 4 9期) 由上式可知温度确定此刻的未水化内核的半径， 、 R 由 A r r h e n n i u s 定理， 化学反应速率与反应温度、 反应物浓度有关。 d O d r：( A ) e “ S ) ( 3 ) T= +0 ( 4 ) 联立式( 3 ) 、 ( 4 ) ， 即为文中的绝热温升计算模 型。A、 B、 m可由实测数据通过最小二乘法拟合得到。 1 3 本工程的水泥绝热温升 本工程中， 采用 的水泥为 C 4 0耐久性混 凝土， 选用 P 0 4 2 5水泥， 细骨料细度模数在 2 62 8 ， 配合比水泥 ： 砂： 石子： 水为3 2 0 ： 8 0 5 ： 9 4 0 ： 1 4 5 。水泥的密度P 为 3 1 c m ， 水的密度p 为 1 0 g c m ， 砂石的平均密度p 为 2 6 g c m ， 水泥的比表面积 s 取为 3 0 0 o c n l 2 g ， 体积放大系数 取为 3 1 0 ， 则可以确定本工程的水泥的绝热温升曲线， 如图3 所示。 2某大体积混凝土工程施工温控 2 1 工 程概况 本工程位于亚热带海洋性季风气候区， 四季分明， 温和 多雨， 年平均降水较多。此承台采用分层浇注的方法， 第一 次浇筑厚度为 1 2 m， 第二层浇筑厚度为2 m， 两次施工间隔7 天。采用钢模板施工， 养护保温采用上覆两层土工布。混 凝土的比热为0 9 6 k J ( k g ) ， 热传导率为 8 8 2 k J ( m h ) ， 钢模板的对流换热系数取为 1 2 5 0 k J ( m d o C) 。 2 2 无温控措施下的温度 一应力场分析 对承台进行有限元分析， 考虑到承台结构的对称性， 取 一 半结构进行建模计算。环境温度根据承台所在地区的年 平均温度， 取为1 6 C 。第一层混凝土内部最高温度为4 5 6 ， 温峰出现在2天龄期， 温度场如图4所示。第二层混凝土内 部最高温度为5 7 6 C， 温峰出现在 3天龄期 ， 温度场为图 5 所示。 6 0 5 0 越 4 0 赠 3 0 2 0 0 4 8 l 2 l 6 2 O 龄期 d a y 图3某工程的水泥绝热温升曲线 对于第一次浇注， 在 2天时的温度应力 比( 此龄期下混 凝土的最大允许应力 温度应力) 为 1 1 2 ， 满足要求。对于 第二次浇注， 在 3天时达到最不利， 温度应力 比为0 8 2 ， 不 满足要求 ， 如不采取温控措施， 则会产生温度裂缝。 2 3 采取管冷下的温度 一应力场分析 第二次浇注， 无管冷情况下的温度应力 比不满足要求， 需要采取温控措施 ， 根据工程的具体情况， 选用管冷方法， 采用直径为 3 2 c m的铸铁管 ， 盘管间距为 1 3 m， 盘管平面距 承台顶面 1 O m， 冷却水流量为 1 5 m h ， 初始温度 l 6 ， 为 加大管冷的降温作用， 采用一进两出式布置。管冷作用下 的第二次浇注的温度场如图6所示。最不利时刻的温度应 力比提高到 1 1 1 ， 达到了避免温度裂缝产生的 目的。施工 后 ， 承台温度裂缝较少 ， 较好地满足了施工质量的要求。 图4 无温控措施下第一次浇注的温度场 图5 无温控措施下第二次浇注的温度场 图6 管冷作用下第二次浇注的温度场 3结语 ( 1 ) 混凝土水化放热模型是大体积混凝土温度 一应 力场分析的一个关键问题。文中模型考虑了水泥水化放热 的实质， 与实际更为接近。 ( 2 ) 采用文中绝热温升模型， 结合有限元软件， 对大 体积混凝土的温度 一应力场进行分析， 可以判断是否需要 采用温控措施 ， 或判断在某种温控措施下， 大体积 昆 凝土结 构是否安全， 达到指导施工的目的。 ( 3 ) 混凝土浇筑后， 温升不断提高， 强度也不断增长。 在23 d龄期， 混凝土强度较低， 而温升增加较快， 是大体积 混凝土工程的最危险阶段， 是温控的关键阶段。 ( 4 ) 管冷措施是控制大体积混凝土工程中内部温度 场的有效措施 ， 根据有限元分析结果， 冷却水流速应达到 0 5 8 m s 以上， 流量应大于 1 5 m h ， 冷却通水时间宜达到 7 d以上 ， 才能较好地达到温控 目的。 参考文献 1 G B 5 0 4 9 6 2 0 0 9， 大体积混凝土施工规范 S 2 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京： 中国 电力出版社 ， 1 9 9 9 3 张子明， 冯树荣， 石青春， 等 基于等效时间的混凝土绝热温 升 J 河海大学学报 ， 2 0 0 4， 9 ， 3 2( 5 ) ： 5 7 3 5 7 7 4 凌道 盛， 许德胜 ， 沈益源 混凝土 中水泥水 化反应放热模型及 其应用 J 浙江大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 9 ( 1 1 ) ： 1 6 9 51 6 9 8 5 K v a n B r e u g e L N u me ri c al s imu l a t io n o f h y d r a t i o n a n d m i c r o s t r u e t u r e d e v e l o p m e n t i n h a r d i n g c e me n t b a s e d m a t e r i a l s( I )t h e o r y J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e a s e a r e h ， 1 9 9 5 ， ( 2 ) ： 3 1 9 - 3 3 1 6 K i B o n g P a r k ， T a k a f u m i N o g u c h i ， J o e l P l a w s k y Mo d e l i n g o f h y - d r a t i o n r e a c t i o n s u s i n g n e u r a l n e t wo r k s t o p r e d i c t t h e a v e r a g e p r o p e r t i e s o f c e m e n t p H s t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， ( 3 5 ) ： 1 6 7 61 6 8 4 7 朱伯芳 考虑温度影响的混凝土绝热温升表达式 J 水力 发 电学报 ， 2 0 0 3， 8 1 ( 2 )： 6 97 3 收稿目期 2 0 1 0 0 7 1 5 作者简介 汤艳红( 1 9 7 1 一 ) ， 男， 湖南岳阳人， 硕士， 工程师， 从事结构专业。