大体积混凝土水化热温度效应的研究.pdf

孙全胜等： 大体积混凝土水化热温度效应的研究 5 大体积混凝土水化热温度效应的研究 孙全胜 ， 张德平 ( 东北林业大 学。 哈尔滨1 5 0 0 4 0) 【 摘要】 以梅山跨海大桥为背景， 应用 A N S Y S 有限元软件对该桥桥墩的混凝土水化热温度效应进行数值 模拟分析， 并且根据该桥实际工程中监测的温度发展曲线校正 A N S Y S 数值分析的温度场， 得出了大体积混凝土水 化热温度效应发展规律 ， 为以后类似结构的温控工程提供参考。 【 关键词】 大体积混凝土； 水化热 ； 温度场 ； 温度裂缝 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 0 5 0 3 由于施工期间水泥的水化热作用， 大体积混凝土 结构内部会产生较高温度梯度 ， 在受到内部或外部的 约束时将产生较大的温度应力， 从而导致混凝土开裂。 由于温度应力引起的裂缝具有裂缝宽、 上下贯通等特 点， 对结构的承载能力、 防水性能、 耐久性等都会产生 很大影响H 。因此只有控制好大体积混凝土内部的 温升速度和温度梯度， 才能更好的控制由其产生的温 度应力 ， 从而控制大体积混凝土的裂缝开展问题。 1 工程概况 梅山跨海大桥长 1 4 8 7 m。大桥主桥桥跨为 7 5 m+ 1 3 0 m+ 7 5 m的预应力混凝土连续刚构 ， 主桥桥墩采用 分离双薄壁墩 ， 断面尺寸 1 5 m 6 O m， 两片墩纵桥向 间距 6 5 m， 主 跨 侧 墩 高 1 5 8 1 6 m， 边 跨 侧 墩 高 1 5 7 3 2 m， 单个桥墩混凝土量高达 1 4 3 m ， 属于大体积 混凝土构件。 为了减小混凝土构件内外温度差， 降低温度梯度， 消除温度应力带来的裂缝， 于是在桥墩内部布置了冷 却水管， 利用循环冷却水将水化热产生的大部分热量 带出混凝土内部 ， 降低混凝土内部的温度场 ， 减小温度 应力 ， 抑制温度裂缝的产生。混凝土内部冷却水管的 布置如图 1 、 图2所示。 图1冷却管布置立面图 ( 单位： c in ) 2 大体积混凝土水化热温度效应数值分析 2 1 分析方法 文中分析混凝土的温度分布和发展规律时主要 考虑了混凝土浇筑温度、 胶凝材料含量、 水化热、 比热、 导热系数、 密度、 距混凝土表面 1 2 e m处空气的温度 等影响因素。由于实际混凝土构件具有对称性， 故可 取 1 4作为分析对象。 竖向预应力筋 图2 冷却 臂 布 置俯 视 图 ( 单 位 ：c m ) 2 2 初始条件和边界条件 在数值分析中， 对边界条件做如下处理： 空气温度 统一取 2 0 ； 3部分都按实际直接接触处理 ； 同时， 由 于只取 1 4模型进行分析， 与足尺模型相比较， 多出 2 个对称面， 在对称面上施加绝热边界条件 。混凝土 薄壁墩的底面和承台混凝土的传热方式是混凝土的 导热 ； 外部的两面及上表面为空气导热或者模板导热， 内部两面为绝热； 将水泥的水化热作为内热源加载。 根据实际情况， 由于辐射对模型影响较小， 对模型 的边界条件进行简化， 不考虑混凝土向外辐射和接受 辐射的能量， 只考虑混凝土表面和空气的对流和混凝 土本身的热传导， 确定了在各接触面上只存在混凝土 与混凝土的热传导， 混凝土与空气的热对流， 混凝土与 水 的热对流 。 2 3 实测温度发展曲线校正理论温度场 在混凝土内部布置了大量的温度传感器和应变 传感器 ， 对混凝土的整个浇筑过程和后期进行温度的 全程监控。混凝土浇筑后 3 d内的内部温度变化曲线 如图 3所示 。 从图3可以看 出混凝 土内部 的最高温度 可达 7 8 C， 其温度陡增出现在混凝土浇筑后的 1 2 h之后。 经过 1 d的时间后， 水化热的热量也开始慢慢的减小。 所以控制混凝土温度应该着重在混凝土浇筑后的 1 2 d内做好散热和养护。结合实际环境中大气温度值 ， 6 低温建筑技术 2 0 1 2年第 1 期 ( 总第 1 6 3期 ) 可知混凝土桥墩内外温差在 5 5 0 之间， 据此利用 性能。 A n s y s 有限元软件分析桥墩在该温度场作用下的力学 赠 时间 图3 实测的混凝土浇筑后温度与时间的关系曲线图 2 4 数值模拟分析 依次分析温差分别为 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 、 2 5 、 3 0 、 3 5 、 4 O 、 4 5及 5 0 时桥墩的应力状态。数值模拟结果表明当 温差是 3 0 时， 其温度应力为 1 8 1 MP a ， 小于混凝土 的极限抗拉强度 1 8 9 M P a ， 构件不会产生裂缝； 当温差 图4 温度差为3 O 时的第一应力分布 为了确定 3 0 3 5 中究竟哪个是开裂的临界温 差， 对温差 3 1 、 3 2 、 3 3 、 3 4 也进行了仿真模拟 ， 温度应 力随温差变化的曲线图如图6 所示。 温差， 图6 温度应力随温差变化而变化的曲线图 从图4和图5 ， 可以看出不同温差下温度应力的 分布规律基本上是一致的， 也就是说在温度场 的作用 下 ， 大体积混凝土构件的内部总是会出现温度应力分 布的不均匀的， 在大体积混凝土构件内， 某些位置的温 度应力总是远远地大于其他位置的温度应力的， 而这 些位置就往往控制着整个大体积混凝土构件的裂缝 开裂情况， 这些位置的应力最大， 所以也往往最先达到 混凝土的极限抗拉强度值， 从而产生温度裂缝。从应 力分布图上我们可以很清楚地找到这些所谓的温度 为 3 5 时， 其温度应力值为 2 4 2 M P a ， 大于混凝土继 续抗拉强度 1 8 9 N P a ， 构件将会产生温度裂缝。则可 判定温差 3 0 一 3 5 是混凝土开裂 的一个 临界期。 内外温差为3 0和 3 5 时的第一主应力分布图分别如 图 4和图 5所示 。 图 5 温度差 为 3 5 时的第一应力分布 控制位置， 从而为进一步采取措施来降低温度场 ， 减小 温度应力， 抑制温度裂缝的开裂提供了实际的指导。 从图 6可以看出， 3 1 的温差是大体积混凝土模 型开裂的临界条件。当温差小于 3 1 时， 混凝土中心 水泥水化产生的温度应力和混凝土外边缘的温度应 力小于混凝土极限抗拉强度值 ， 因而不会产生裂缝 ； 而 当温差大于 3 1 o 【 = 时， 混凝土的温度应力将会大于混凝 土极 限抗拉强度 ， 从 而产 生裂缝 。 温度， 图7 混凝土温差与应变曲线图 理论分析中没有在模型中加入冷却管， 仅仅分析 的是混凝土构件在 自然状态下的温度分布规律 ， 而实 际所测得数据是在经过 冷却水 管处理后 的， 这样 通过 B d W， 赠 程志红： 特细砂粘结砂浆的粘结性能研究 7 特细砂粘结砂浆的粘结性能研究 程志红 ( 山西运城市建筑 工程有 限公司 山西运城O 4 4 O O O 】 【 摘要】 研究了可再分散乳胶粉胶粉、 羟丙基甲基纤维素醚、 聚丙烯腈纤维等因素对特细砂粘结砂浆粘结 强度的影响。结果表明： 三者均可提高砂浆的粘结性能， 以可再分散乳胶粉提高作用最为明显 ， 掺量 1 5 时砂浆 的拉伸粘结强度和压剪粘结强度可提高 I 倍左右； 纤维对砂浆粘结性能的影响较小， 仅能提高 3 0 。 【 关键词】 特细砂； 砂浆； 粘结强度 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 4 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 0 7 0 2 0 引言 随着建筑业的发展和人们对环境保护要求的提 高， 干混砂浆迅速发展并得到了国家相关政策的大力 支持。作为干混砂浆主要品种之一 的瓷砖粘结砂 浆 ， 是建筑装饰工程中的一种重要粘结材料， 在很多工 业化进程较发达的国家， 传统的厚层砂浆粘结方法已 经逐渐地被薄层砂浆施工技术所取代 。加入外加 剂改性后的薄层砂浆具有 良好的保水能力， 采用特细 砂瓷砖粘结砂浆薄层技术施工， 瓷砖和基底材料可以 不必预先浸泡润湿， 不仅可以降低原材料消耗量和工 时， 还可以有效解决传统砂浆粘贴瓷砖时粘结力较低 ， 瓷砖易于从墙体表面脱离等安全隐患。 1 原材料及试验方法 试验采用 P 0 4 2 5普通硅酸盐水泥； 特细砂， 细 度模数 1 2 ； 瓦克公司生产的可在分散乳胶粉； 羟丙基 甲基纤维素醚， 粘度 4 0 0 0 0 m P a s ； 聚丙烯腈纤维 ， 直 径4 5 1 m， 长度 6 m m。灰砂比 1 ： 2 ， 水灰比0 5 。 砂浆拉伸粘结强度试验参照 J C T 5 4 7 2 0 0 5 陶 瓷墙地砖胶粘剂中规定的试验方法进行 ， 压剪粘结 强度试验参照 J G 1 5 82 0 0 4 ( 胶粉聚苯颗粒外墙外保 温系统 中规定的试验方法进行。 2 试验结果与分析 特细砂的比表面积较大， 且易混入粉尘， 含泥量较 大， 因此， 采用特细砂配制的砂浆需水量较大， 新拌砂 浆的保水性较差 ， 硬化砂浆的强度低、 干缩大， 如不进 行改性 ， 砂浆的收缩率必然较高， 而粘结强度较低 ， 在 配制特细砂千混砂浆时， 必须加入外加剂对砂浆进行 改性。但是， 不同外加剂的最佳掺量范围亦不相同， 本 数据的对 比， 我们可以很清楚的得到冷却水管对减小 混凝土构件内外温度差， 降低温度梯度的效果。理论 与实际温差与应变图如图 7所示( 该图仅示出实际测 得 最大的应 变数值) 。 从图 7可以看到实际的应变， 即经过冷却水处理 后的混凝土应变已经比理论上的小了很多 ， 也就是说 冷却水管的温度控制措施非常的有效 ， 经过该温度控 制措施后， 我们达到了降低混凝土内部温度场、 减小温 度梯度， 抑制了温度裂缝的产生的目的。 3结语 大体积混凝土构件开裂总是有一个温差II 缶 界期 的， 通过 A N S Y S软件可以很准确找出这个温差， 对于 梅山大桥我们看出这个温差是 3 l 。这样在后期温 度监控的时候就可以控制温差小于这个值 ， 从而防止 温度裂缝。混凝土浇筑初期的内外温度梯度就很陡， 从而温度应力很大 ， 所以必须在混凝土大构件浇筑之 前设计好温度控制方案， 对整个混凝土构件的施工做 好监控 。 参考文献 【 1 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制研究 M 北京： 中国电力出版社， 1 9 9 9 2 栾尧， 阎堵渝 大体积混凝士水化热温度场的数值计算 J 工业建筑， 2 0 0 8 。 ( 2 ) 3 朱伯芳 有限单元法原理与应用 M 北京： 中国水利水电出 版社， 1 9 9 8 4 朱伯芳 大体积混凝土表面保温能力计算 j 水力学报， 1 9 8 7 ， ( 2 ) 5 罗国强 混凝土与砌体结构裂缝控制技术 M 北京： 中国建 材工业出版社。 2 0 0 6 6 李潘武， 李慧明 大体积混凝土温度构造钢筋的配置 J 四川 建筑科学研究， 2 0 0 5 ， ( 2 ) 【 7 蔡才勤， 唐玲 高性能混凝土在大体积混凝土工程中的应用 J 混凝土， 2 0 0 1 ， ( 9 ) 【 收稿日期】 2 0 1 1 1 O 一 0 8 作者简介】 孙全胜( 1 9 6 8 一) ， 男， 山东龙口人， 博士， 教授 ， 研 究方向： 桥梁与隧道工程。