集料线膨胀对大体积混凝土温度应力的影响分析

杜旭斌， 张 宏， 雷 蕾

(杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100)

0 引 言

大体积混凝土，指混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。大型基础、大型桥梁、镇墩、混凝土坝等均属于大体积结构。

在混凝土材料中，水泥熟料水化生成水化硅酸钙，水化硅酸钙具有很强的胶结性，可以将砂石等材料胶结制成混凝土，水泥水化过程会放出热量，而且放热高峰期在第5～7 d，具有滞后性，此时水化热会聚集在大体积混凝土内部不易散发出来，导致内部温度升高，形成内外温差，产生温度应力，超过允许范围便会出现温度裂缝，因此对大体积混凝土温度裂缝的控制是其施工的关键因素之一。工程中降低温度应力的方法很多，如预埋冷却水管、采用分块柱状浇筑法、预冷集料、加冰拌和等措施[1]，这些方法虽各有优缺点，但都或多或少降低了混凝土的温度应力，起到了防裂的目的。但是如果从另外一方面-原材料入手，采用线膨胀系数小的集料，在绝对温升不变的情况下，温度应力自然有所减少。

1 混凝土线膨胀系数分析

混凝土线膨胀系数是指单位长度混凝土在单位温度变化下长度的变化量，也叫热膨胀系数。普通混凝土的线膨胀系数大约在10×10-6/℃，变化范围一般在4.76×10-6/℃～12.1×10-6/℃之间[2]。影响混凝土线膨胀系数的因素包括集料品种、水胶比、养护时间、水泥种类、细度、浆体数量等，由于集料在混凝土体积中占绝对主导地位，一般可占到混凝土总体积的75%～80%[3]，因此集料的线膨胀系数对混凝土的线膨胀系数影响很大，集料线膨胀系数通常在4.20×10-6/℃～9.51×10-6/℃之间[4]。混凝土的线膨胀系数可根据集料线膨胀系数和水泥石线膨胀系数的加权平均值计算[5]。本次研究正是基于此，根据具体工程实例选择不同集料，通过加权平均值计算出采用不同集料时的混凝土线膨胀系数，并以此为依据，对结构建模，进行有限元分析及仿真计算，分析出采用不同线膨胀系数的混凝土所得到的温度应力，定性地研究出对不同线膨胀系数对大体积混凝土温度应力的影响关系，从而为大体积混凝土的温控提供理论依据。

2 案例计算分析

本例采用了灰岩和砂岩两种集料，根据简单加权计算出了其所配制混凝土的线膨胀系数，具体方案选取如表1。

某混凝土重力坝，典型大体积混凝土工程。坝顶高程234 m，最大坝高130 m。上游面高程146 m以上为直立，高程146 m以下坡度为1∶0.2，下游面坡度为1∶0.75。根据坝体的施工过程，应用ANSYS软件建模仿真计算，模型如图1，计算时基础底面按z向固定支座处理，建基面沿水流方向按y向简支处理，沿坝轴线方向为x轴，简支处理。

温度应力计算严格模拟施工过程，计算时首先根据施工情况结合水泥水化参数计算出坝体不同时段的温度场，这些温度场受到水泥水化热和周围温度的影响随着时间的变化而变化，温度乘以混凝土的线膨胀系数即可计算出混凝土不同时段的温度应力。

表1 各方案线膨胀系数表

对于典型点的选取，由于坝体靠近外部的区域受外界温度变化比较大，绝热温升往往不高，因此靠外的区域不是温控的重点，温控的重点是坝体内部，故本次仿真计算取坝体115 m高程和145 m高程内部两个中心点作为典型点，其位置图见图2。

计算时以每一碾压层厚度1 m作为一层进行单元网格划分，然后用单元生死功能来模拟施工过程，根据施工的顺序来安排各层单元的生和死的时间，即每层单元的生与实际施工中该层碾压混凝土的浇筑时间完全一致。生的单元代表已经浇筑了的坝体混凝土层，死的单元代表未建的坝体混凝土层。开始计算时，首先把所有的坝体单元杀死，然后在计算过程中，按实际碾压混凝土层浇筑的时间把相应的该层被杀死的单元激活加入到计算中。这样顺序前进把死的单元恢复，就能够真实地反映或复现了坝体碾压混凝土层的浇筑实际过程。据此原理计算了这两个典型点不同时段的温度应力，温度应力历时曲线图如图3～8所示。

图3 1号方案1#典型点温度应力历时曲线图

图4 2号方案1#典型点温度应力历时曲线图

图5 3号方案1#典型点温度应力历时曲线图

为了比较这三种方案下温度应力的大小情况，分别取出不同方案时温度应力的最大值，结果如表2所示。

图6 1号方案2#典型点温度应力历时曲线图

图7 2号方案2#典型点温度应力历时曲线图

图8 3号方案2#典型点温度应力历时曲线图

表2 典型点三种方案温度应力最大值 (MPa)

由表不难看出，三种方案下的温度应力最大值明显不同，而且有的相差较大，方案一(采用灰岩)的温度应力最大值显然比方案三(采用砂岩)小得多，大体看来方案一的最大应力也就是方案三的二分之一，即混凝土配比及其他材料都一样，只是采用集料时把砂岩换成了灰岩，最大温度应力就降低了大约一半，对混凝土的温控相当有利，由此可见集料线膨胀系数对混凝土温度应力影响很大。

3 结 论

在大体积混凝土中，温度应力的控制是施工中的一个主要难题，由于大体积混凝土温控的复杂性，采用专门的温控方法势必会给施工带来一定的难度，且增加了费用。本文从原材料入手，采用两种线膨胀系数不同的集料，经过模拟仿真计算，定量的分析了骨料不同线膨胀系数下的温度应力，指出采用线膨胀系数小的集料可以降低大体积混凝土的温度应力，因此，在大体积混凝土中，如果条件允许的话，可以采用线膨胀系数小的骨料如波特兰石、灰岩、花岗岩等集料来降低其温度应力，为大体积混凝土的温控提供一种有效的解决方法。