基于大体积混凝土温度场自控温的模拟计算

陈元浩

（重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074）

0 引言

大体积混凝土结构在浇筑过程中，会因胶凝材料水化反应引起温度变化和收缩变化，进而发展成为对自身有害的温度裂缝[1]。为防止温度裂缝的产生，需要控制温度的均匀变化，减小温度应力，本文采用冷却措施与相变材料联合控温，为类似工程温度裂缝控制提供参考。

1 工程概况

重庆市郭家沱长江大桥主桥采用单孔悬吊双塔三跨连续钢桁梁悬索桥，锚碇采用重力式锚碇，锚体及基础采用原槽浇筑。锚碇结构全长64.8m，主要由锚体、散索鞍、前锚室、后锚室、压重块及扩大基础构成，其中散索鞍长20m，宽27m，高20.8m，共分为11层，前10层每层高2m，属于大体积混凝土结构，混凝土强度等级为C40。施工于9月进行，平均气温为25℃，分层分块进行浇筑，表面采用10cm蓄水养护，侧面采用5mm钢板作侧模板。

2 原材料及配合比

2.1 相变材料选择

相变材料选择固-液相变材料，应无毒、无过冷、无腐蚀性、性态稳定[2-3]；相变材料的相变焓不低于200 kJ/kg；相变温度根据大体积混凝土浇筑体拟控制的中心最高温度确定，拟控制的中心最高温度宜较相变温度高3～5℃，以保证相变的发生。综合考虑本次模拟计算采用石蜡作为相变材料，石蜡的热物理参数如表1所示。

表1 相变材料热物理参数

2.2 大体积混凝土配合比

锚定C40混凝土配合比如表2所示。

表2 锚定C40混凝土配合比

2.3 大体积混凝土热力学参数

通过冷却措施将浇筑温度控制为25℃，其余热力学参数的计算，如导热系数、比热等，参照《建筑施工计算手册》（第三版）[4]。热力学参数计算结果如表3所示。

表3 混凝土热工性能计算结果

2.4 大体积混凝土控温要求

《大体积混凝土施工标准》（GB 50496—2018）规定[5]：（1）混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50℃；（2）混凝土浇筑体里表温差不宜大于25℃；（3）混凝土浇筑体降温速率不宜大于2.0℃/d；（4）拆除保温覆盖时混凝土浇筑体表面与大气温差不应大于20℃。

3 相变控温模拟计算

3.1 大体积混凝土绝热温升

根据《大体积混凝土施工标准》规定，胶凝材料水化热取290.4kJ/kg，绝热温升按式（1）计算：

式中：T（t）为龄期t时混凝土的绝热温升，℃；W为胶凝材料用量，kg/m3；Q为胶凝材料水化热，kJ/kg；C为混凝土比热容，kJ/（kg·℃）；ρ为混凝土密度，kg/m3；m为与水泥品种、用量和入模温度等有关的单方胶凝材料对应系数；t为混凝土龄期，d。

3.2 大体积混凝土中心温度

根据《建筑施工计算手册》（第三版）[4]，中心温度按式（2）计算：

式中：Tmax为大体积混凝土中心最高温度，℃；T0为大体积混凝土浇筑温度，℃；ζ为不同浇筑块厚度的降温系数。

3.3 大体积混凝土表面温度

根据《大体积混凝土温度应力实用计算方法及控裂工程实例》[6]，表面温度按式（3）、式（4）计算：

式中：Tb为混凝土表面温度，℃；Ta为环境温度，℃；H为混凝土的计算厚度，m；h为实际浇筑厚度，m；h＇为混凝土虚厚度，m；△T为混凝土最高温度与环境温度之差，℃。

3.4 相变材料用量

根据相变潜热及温度控制要求、拟控制大体积混凝土浇筑体中心最高温度，来计算相变材料用量。相变材料用量按式（5）计算[7]：

式中：Mp为相变材料的质量，kg；Tmax为未加相变材料混凝土浇筑体中心最高计算温度，℃；T＇max为加入相变材料混凝土浇筑体中心最高计算温度，℃；c1为固态相变材料比热，kJ/（kg·℃）；T为相变材料的相变温度，℃；q为相变材料的相变潜热，kJ/kg；c＇1为液态相变材料的比热，kJ/（kg·℃）。

4 计算结果与讨论

4.1 相变材料用量计算结果

由式 （1）—（4）计算，该C40大体积混凝土绝热温升为46.29℃，中心最高温度为51.39℃，表面最高温度为42.99℃，中心最大降温速率为1.54℃/d。

由式（5）计算，拟控制大体积混凝土中心最高温度降低2℃、3℃和4℃，相变材料所需用量分别为14.54kg、22.00kg、29.59kg，体积用量分别为0.0159m3、0.0240m3、0.0323m3，分别占每立方大体积混凝土体积的1.59%、2.40%和3.23%。

4.2 相变控温大体积混凝土温度场

加入相变材料的大体积混凝土温度场如图1所示。

图1 相变控温大体积混凝土温度场

经计算，当拟控制大体积混凝土中心最高温度降低3℃时，大体积混凝土表面温度为40.94℃，内外温差为7.45℃，表面与环境温差为15.94℃，最大中心降温速率为1.37℃/d，与未掺加相变材料相比，最大中心降温速率降低幅度为11.04%。

4.3 相变材料布置

设浇筑体尺寸为1m×1m×1m，拟控制大体积混凝土中心最高温度降低3℃，经计算，相变材料用量为22.00kg，液态相变材料体积为28.6L。若采用内径为4cm的铝管封装，封装填充率为95%，则总的封装管长度为23.9m。浇筑体混凝土保护层厚度按5cm计算，则每根封装管长度为90cm，封装管最少需要27根。

封装管布置采用正交双向布置，分5层，每层布置6根，则层与层间的间距为22.5cm，同一层中封装管的间距为18cm；封装管端头距浇筑体边缘5cm；上面层和下面层中浇筑体顶面和底面距5cm。

5 结论

采用冷却措施与相变材料联合控温，有利于降低大体积混凝土中心温度，减缓降温速率。通过正交双向布置相变材料，有利于大体积混凝土温度的均匀变化，从而减小温度开裂的风险。