施工环境温度对大体积混凝土温度的影响

连春明 刘洋洋 吴世通 王 进

(1.同济大学，上海 200092； 2.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200122)

1 概述

混凝土早期性能演变多被描述成基于成熟度或等效龄期的模型，一般认为，由相同胶凝材料组成的混凝土，在相同成熟度时具有相同的力学性能，与水化反应过程无关。而水泥的水化反应是热化学放热反应，在较低温度下，水化反应较慢，放热速率较小，在相同传热速率条件下，大体积混凝土内外温差更小。而当温度较高时，水泥水化速率较快，放热速率随之增长，当放热速率超过散热速率时，将直接造成大体积混凝土温度升高。我国幅员辽阔，各地区气候差异较大，同时不同季节气候环境也有较大区别。大体积混凝土施工期间的环境温度，直接影响混凝土原材料的温度，以及大体积混凝土的散热速率。进而影响大体积混凝土的温度场，是大体积混凝土施工期间裂缝控制不可忽视的影响因素之一。

2 混凝土浇筑温度

我国自北向南纬度跨度大，依次跨越严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖、温和气候区。图1收集整理了各气候区主要城市2019年的日平均温度数据。同一时间不同地区的环境温度差异较大，冬季各气候区温差最大，达50 ℃，夏季温差最小。同一地区不同季节环境温度也有较大差异。其中严寒地区(哈尔滨)冬夏温差最大，夏热冬暖地区(深圳)冬夏温差小。

现阶段，混凝土粗细骨料多为仓库储存，仅有遮阳功能，保温效果一般较差，原材料温度受环境温度影响较大，在不同环境温度条件下，配制出的混凝土初始温度也有很大区别。由热力学第二定律可得，混凝土出机温度为各组原材料的加权平均温度。翁定伯[1]利用该原理计算混凝土初始温度：

(1)

其中，Gi为i级骨料的含量，kg；ti为i级骨料的温度，℃；ci为i级骨料的比热容，kJ/(kg·℃)；F为水泥和掺合料的含量，kg；tc为水泥和掺合料的温度，℃；cc为水泥和掺合料的比热容，kJ/(kg·℃)；ω为单位混凝土的实际加水量，kg；tw为水的温度，℃；cw为水的比热容，kJ/(kg·℃)；ri为第i级骨料的含水率。

受环境温度影响，同一时间不同地区相同配合比的混凝土出机温度将有很大区别，同理，同一地区在不同季节的出机温度也有较大差异。分别测试不同季节、不同环境温度条件下，混凝土原材料温度。数据整理发现，原材料温度与环境温度具有显著相关性(如图2所示)。环境温度对原材料温度影响方程拟合见表1。

表1 环境温度对原材料温度影响方程拟合

以表2中配合比为例，按式(1)计算各原材料对混凝土出机温度的贡献率，计算结果如图3所示，不改变混凝土配合比条件下，骨料的温度对混凝土的出机温度影响最大，贡献率达78%，而水温对出机温度贡献率仅为8.6%。理论上通过调整骨料温度控制混凝土出机温度效果最为显著。

表2 混凝土配合比

3 水化反应模型

胶凝材料的水化为放热反应，随水化反应进行，混凝土温度逐渐升高。而水化反应又与一般化学反应相同，符合Arrhenius[3]方程，温度越高，水化反应速率越快。随水化反应程度增大，胶凝材料颗粒被水化产物包裹，阻断水分传输路径，水化反应速率降低。因此胶凝材料的水化反应速率是非线性的，且受自身温度及水化反应程度影响。Rastrup E[4]考虑到温度对水化反应的影响，提出了等效龄期模型：

(2)

其中，te为胶凝材料水化等效龄期；Ea为水化反应的活化能；R为理想气体状态常数；T为t时刻混凝土的温度；Tref为参考温度，恒定为20 ℃。

由热力学第一定律可知，大体积混凝土硬化过程中，任意时刻任意单元体内温度升高所吸收的热量，等于内部自生热量与向外界传导净热量之和，宏观上混凝土热传导方程可简化为：

(3)

其中，ρ为混凝土的密度，kg/m3；Cp为混凝土的比热容，kJ/(kg·℃)；T为温度，℃；t为时间，s；λeff为导热系数，kJ/(m·h·℃)；Q为单位体积混凝土胶凝材料水化放热量，J。

混凝土早期，胶凝材料水化速率较快，胶凝材料水化自生热量大于向外界传导的热量，表现为混凝土温度升高。随水化程度增加，水化反应速率变小，自生热量小于向外界传导的热量，混凝土温度逐渐降低。环境温度越高，混凝土初始温度越高，早期水化反应速率越快，进而影响混凝土温度发展历程。

混凝土的热传输同样受环境温度影响较大，第三类边界条件假定经过混凝土表面的热流量和混凝土表面温度T与周围环境温度Ta的差值成正比。环境温度与混凝土表面温度差值较大时，单位时间通过混凝土表面的热流量越大，混凝土温升越小。

4 有限元模拟

为探明环境温度对大体积混凝土温度的影响，采用等效龄期水化模型，建立2 m×2 m×2 m立方体几何模型。配合比选取表1中的配合比，环境温度分别选取2019年1月哈尔滨、北京、上海、武汉、深圳五个城市的气象站2018年的监测数据，考虑环境温度的影响，取各地搅拌站原材料温度计算混凝土入模温度，作为模型计算的初始温度，哈尔滨市与北京市入模温度取5 ℃，上海市和武汉市取15 ℃，深圳市取23 ℃。模型侧面参考1.5 cm厚木模板，传热系数取10 W/(m2·K)，顶面参考覆膜土工布养护，传热系数取5 W/(m2·K)。

选取武汉市1月份、4月份、7月份、10月份四个月的环境温度数据，模拟计算不同季节施工的大体积混凝土，其中心温度与里表温差的时变性发展规律(见图4，图5)。1月份入模温度取15 ℃，4月份入模温度30 ℃，7月份40 ℃，10月份35 ℃。环境温度以2018年武汉市天河站检测的日平均温度数据。入模温度选取2018年武汉市某搅拌站监测的入模温度数据。

图6为模拟计算不同季节施工的大体积混凝土中心温度的发展曲线。从图6中明显看出，由于施工环境温度的影响，同一配合比相同尺寸的大体积混凝土在不同季节施工，其中心温度有较大差距，最高温度出现的时间也有较大差异。

5 结语

不同环境温度条件下拌制的混凝土温度不同，胶凝材料水化放热速率也会存在较大差异。在相同养护制度条件下，不同环境温度条件下施工的相同尺寸的大体积混凝土，其中心温度和里表温差均有显著差异。环境温度越高，混凝土入模温度越高，大体积混凝土中心温度越高，待混凝土温度冷却至与环境温度相同时，产生的温度应力越大，越容易开裂。研究表明，混凝土骨料温度对混凝土入模贡献率最高，而混凝土原材料温度随环境温度呈线性变化规律。因此，当环境温度较高时，骨料仓库应做好遮阳降温工作。