大体积混凝土水化热影响因素的分析研究

摘要：影响大体积混凝土水化热的因素有很多，总体可分为内部因素与外部因素。内部因素主要包括混凝土的配合比、水泥品种、水泥用量、掺合料品种、掺合料用量等；外部因素则主要包括混凝土的入模温度、大气温度、冷却水管以及边界条件等。本文主要从水泥的品种、用量、混凝土的入模温度以及冷却水管、保温材料等方面，对大体积混凝土的水化热进行研究。

关键词：大体积混凝土；水化热；影响因素

随着高铁建设的进一步深化，各种形式的铁路桥梁不断建成，这些在崇山峻岭中架起的铁路桥梁都有个特点就是桥墩特别高大。据已有的实测资料，体积相对较大的墩台，混凝土水化热引起的温度可高达70℃。内外混凝土的不均匀变形在外表混凝土中产生较大拉应力，严重时导致混凝土开裂。水化热温度应力已被认为是桥墩混凝土早期开裂的主要原因。对混凝土水化热影响因素进行分析，对保证大体积混凝土施工质量很有必要。

1工程背景及研究对象

贵广高铁幸福源水库双线特大桥位于广西省桂林市阳朔县东北部。主桥采用（48+5×80+48）m连续刚构形式，对应墩号为9#～16#，其中12#和13#墩为刚构墩，9#和16#墩为交界墩，10#、11#、14#及15#墩为连续梁墩。笔者选取了15#桥墩承台为研究对象。15#桥墩承台的尺寸为19.2m×13m×4m，混凝土的强度等级为C40。

针对山区高速铁路桥梁所采用的空心高墩结构，结合桥梁自身情况，研究分析如何有效地控制混凝土的水化热温度以及防止温度裂缝的出现，具有一定的工程实用意义。

2 水化热温度传感器布置与监测方案

温度监测点的布置主要是以真实反映大体积混凝土块体的内外温差、降温速度及环境温度为原则。共布置了6个温度测点，传感器的布置如图1所示。温度监测所采用的温度传感器为AD592集成温度传感器，温度读数仪采用LTM8261手持式多点温度测试仪。在承台混凝土开始浇注后的10日内，现场实测了各个测点的温度值，并做好记录。由于混凝土浇注初期水化热温度变化剧烈，故初期数据采集的时间间隔为2h，水化热温度变化缓慢后采集的时间间隔调整为4h，下降趋于稳定后的时间间隔为10h。

图2-1 传感器布置示意图（单位：cm） 图2-2 温度传感器与手持式温度读数仪

3 水化热影响因素的分析

3.1水泥品種、用量对大体积混凝土水化热的影响分析

为了研究水泥品种、用量对大体积混凝土水化热的影响，建立有限元模型进行分析。

3.1.1 水泥品种对承台混凝土水化热的影响

为分析水泥品种对大体积混凝土水化热的影响，根据工程实际情况，采用每立方米混凝土的水泥用量为291kg，分别选取普通硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、高早强硅酸盐水泥、粉煤灰水泥（20%粉煤灰），其他计算参数不变，建立有限元分析模型，进行数值计算，将求得的承台混凝土中心点温度值进行对比，如图3.1-1所示。

图3-1水泥品种对承台中心点温度的影响对比 图3-2 水泥用量与承台中心最高温度关系

可见，采用不同品种的水泥对承台中心混凝土水化热影响较大，同时，采用低热水泥可以延长承台中心点达到最高温度的时间。因此，在满足设计要求的前提下，应尽量选择低热水泥，来降低混凝土的水化热温度。

3.1.2 水泥用量对承台混凝土水化热的影响

为分析水泥用量对大体积混凝土水化热的影响，根据实际工程情况，水泥品种采用普通硅酸盐水泥（P.O42.5），每立方米C40混凝土中的水泥用量分别为250kg、270kg、290kg、310kg、330kg，其他计算参数不变，建立有限元分析模型，进行数值计算，将求得的承台混凝土中心处温度值进行分析对比，如图3.1-2所示。因此，在满足设计要求的前提下，应尽量减少每立方米混凝土的水泥用量，从而降低混凝土的水化热最高温度。

3.2混凝土入模温度对大体积混凝土水化热的影响

根据实际工程情况，选取水泥的品种为普通硅酸盐水泥（P.O42.5），每立方米混凝土的水泥用量为291kg，在没有冷却水管的情况下，分别选择10℃、20℃、30℃三种不同的入模温度，其他计算参数不变，建立有限元分析模型，进行数值计算，将求得的承台混凝土中心点温度值进行对比，如图3-3所示。

图3-3 不同入模温度对承台中心点温度的影响对比图

由此可见，采用不同的混凝土入模温度对混凝土的水化热影响较大，最高温度相差达20.8℃。随着入模温度的降低，承台中心混凝土达到最高温度的时间不断延长。因此，在混凝土浇筑时，应尽可能选择较低的入模温度，从而降低混凝土的水化热温度。

3.3冷却水管对大体积混凝土水化热的影响

3.3.1 不同冷却水管间距的冷却效果对比

冷却水管的间距包括水平间距和竖直间距，水管的竖直间距为1.0m，水平间距分别取1.0m、1.5m、2.0m，采用蛇形的平面布置形式，其他计算参数不变，进行数值模拟，得到了不同冷却水管间距下的混凝土最高温度与内外温差，如图3-4、3-5所示。

由图3-4、3-5可以看出，减小冷却水管的水平间距可以大大提高冷却效果，有效地降低混凝土的最高温度。减小冷却水管的间距会增加管材的用量，分别采用2.0m、1.5m、1m的水平间距，则分别需要432m、531、690的冷却水管；过多的减小冷却水管的间距，将会增加冷却水管的长度，从而影响到水管内压力、水头损失、水泵型号和施工成本，同时也增加了施工难度。《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009中3.0.4条明确要求：混凝土浇筑块体的里表温差（不含混凝土收缩的当量温度）不宜大于25℃。根据已有工程经验，冷却水管的竖直间距一般为浇筑层厚，冷却水管的水平间距一般在1.0m～2.0m之间，将混凝土水化热的最高温度控制在70℃以内，1.0m×1.0m的间距已经达到了要求的冷却效果。因此，15#桥墩承台应采用1.0m×1.0m的冷却水管间距。

图3-4 不同间距的冷却效果对比 图3-5 不同水平间距的中心与体表温差对比

3.3.2 不同冷却水管管径的冷却效果对比

分别取DN20、DN25、DN32、DN40，采用蛇形的平面布置形式，其他计算参数不变，建立有限元模型进行计算。不同管径冷却水管的冷却效果对比，如图3-6所示。

图3-6 不同管径的冷却效果对比图 图3-7 不同管材的冷却效果对比

可以看出，虽然增大冷却水管的管径，可以降低混凝土的最高温度，但其对冷却效果的影响并不显著。增大管径必将增加管材的消耗，提高施工成本，所以通过加大管径的方式来提高冷却效果是不经济的。管径过小会增加水管阻力，若要保持相同的流量，就必须加大管内冷却水的流速，这必将增加供水设备的工作负荷，从而提高了施工成本。根据以往的工程经驗，冷却水管的管径一般取25mm～30mm。因此，15#桥墩承台应采用DN25的镀锌钢管作为冷却水管。

3.3.3 不同冷却水管管材的冷却效果对比

为研究不同管材的冷却水管对混凝土冷却效果的影响，分别选取钢管与聚乙烯塑料管（俗称PE管），其他计算参数不变，建立有限元模型进行计算。不同管材冷却水管的冷却效果对比，如图3-7所示。可以看出，钢管的冷却效果明显优于PE管。

3.4保温材料对大体积混凝土水化热的影响

根据大体积混凝土的施工经验，混凝土浇注完后，普遍在混凝土的表面覆盖保温材料，来减小大体积混凝土的内外温差与混凝土表面的温度梯度，保温效果的好坏会直接影响到混凝土表面的温度应力的大小。在我国上个世纪60、70年代，由于取材方便，广泛采用草席、草帘、纸板作为混凝土的表面保温材料，但其易燃烧引起火灾，且易受潮腐烂，不耐用。随着我国塑料工业的迅速发展，聚乙烯泡沫塑料开始成为混凝土表面的保温材料，随之出现了采用泡沫塑料屑作为填充材料的保温被以及内侧贴泡沫塑料板的保温模板。在朱伯芳院士的《大体积混凝土温度应力与温度控制》一书中列出了几种常用保温材料的导热系数，如表3-8所示。

表3-8 几种常用保温材料的导热系数

泡沫塑料 木 板 草 席 炉 渣 干 砂 纸 板

导热系数

0.1256 0.837 0.502 1.674 1.172 0.628

可以看出，泡沫塑料的导热系数最小，其保温效果要优于其他几种保温材料。聚乙烯泡沫塑料板为一种硬质板，质轻，具有一定的强度，不易吸水，耐腐蚀，耐久性好，尺寸稳定性高，可重复使用，可以有效地防止混凝土表面出现温度裂缝。

4 结语

通过分析大体积混凝土水化热的影响因素，分析不同品种、用量的水泥与混凝土体中心温度的关系，重点研究冷却水管的间距、管径、管材、对大体积混凝土冷却效果的影响，可以达到进一步优化配合比，确定冷却水管的优化布置方案和布置建议，选取合适的保温材料。对以后大体积混凝土的施工具有一定的指导意义。

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[5]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， 1999.

作者简介：周丽强（1980—），男，汉族，河南宜阳人，单位：中铁二十三局集团第三工程有限公司，工程师。