建筑工程大体积混凝土施工过程中冷却过程调整与优化分析

孙朋立

0 引言

大体积混凝土最为常见的冷却措施是通水冷却，在冷却过程中，通过有限元分析方法，能够判定水管冷却精度与网格密度有着直接关联，网格密集度越高，模拟分析精度越高。基于这一原理，可以利用数学算法对大体积混凝土的整个冷却过程的各项参量进行优化和调整，以最大限度地降低混凝土出现温度裂缝的概率，而这种算法通常被称为等效算法，在运用这种算法时，通常根据大体积混凝土的最高温度、最低温度、最大拉应力以及抗拉强度等指标对冷却效果进行全方面分析，进而为冷却方案的优化与调整提供更为精准的参考数据。

1 大体积混凝土概述与施工实例

1.1 大体积混凝土概述

所谓大体积混凝土主要是指结构实体的尺寸在1m 以上，或者是因为水泥水化热的原则而引起混凝土内外温差过大致使产生裂缝的混凝土。通过对概念的剖析和解读可以发现，按照尺寸对大体积混凝土进行定义相对比较贴切。但是，正是因为混凝土结构尺寸大，水泥产生的水化热量才会明显高于普通混凝土。因此，出于对概念理解准确性的考虑，在界定大体积混凝土时，除了考虑混凝土结构尺寸以外，还应当考虑水泥的种类、强度、水泥用量、外界环境等因素。正是由于水泥水化热的存在，以至于混凝土在冷却过程中，混凝土内部与外部将出现较大的温度差，在这种情况下，混凝土结构极易出现温度裂缝和收缩裂缝。按照裂缝深度划分，主要包括贯通裂缝、深度裂缝、表层裂缝。由于贯通裂缝贯穿于混凝土结构的整个断面，如果不及时对裂缝进行处理，混凝土的结构强度将受到严重影响，甚至直接作为废弃混凝土处理，这就给施工单位造成了巨大的经济损失，而通过对产生裂缝的原因的分析，施工单位可以对混凝土冷却过程中的各项参量值进行优化和调整，这样能够大幅降低裂缝出现的概率。

1.2 大体积混凝土施工实例

该工程为某高层住宅楼，全剪力墙结构，地下一层，地上24 层，总建筑面积49 256m。地下室部分基础采用板式筏基，长度为76.5m，宽度为32m。后浇带处于筏基较长部位的中间位置，宽度为0.8m，筏板厚度为1.4m，局部电梯井部位的混凝土厚度为2.9m，混凝土工程量约为3 600m。楼体基础部分采用的混凝土均为大体积混凝土，其热学性能如表1 所示。

表1 高层住宅楼基础大体积混凝土热学性能指标

2 大体积混凝土冷却过程的计算理论

2.1 热导方程与应力计算方程

在大体积混凝土冷却过程中，首先需要建立一个数学计算模型，技术人员可以根据热传导理论，列出热传导的数学方程，并对冷却的边界条件予以判定，热传导方程如下：

根据这一方程，能够确定大体积混凝土冷却的边界条件，即：

在上述方程当中，[]代表热传导矩阵，[]代表热传导补充矩阵， T、T代表节点温度列阵，{}代表节点温度荷载列阵，Δ代表时间步长，n 则代表时间序数。

在计算和分析和过程中，应当充分考虑水管这一负热源，将冷却水管的冷却作用作列为影响大体积混凝土冷却速度与效果的一个重要因素，然后，结合上述数学方程来推演出混凝土的等效热传导方程，即：

在上述方程式中，代表混凝土的初始温度，T代表水管的进水口温度，Φ 和代表水管冷却效果函数，在计算过程中，应当考虑水管的材质与水管的内外径。

根据热传导方程以及混凝土等效热传导方程，可以列出大体积混凝土的内外应力方程，首先确定Δτ时段内所产生的应变增量为：

2.2 计算模型与基本工况

在建立大体积混凝土冷却计算模型时，首先需要确定模型单元数与模型结点，然后根据顺建筑方向、横建筑方向与垂直于建筑的三个方向，建立一个数学坐标系。在模型构建完毕，应当确定大体积混凝土的基本工况条件，即位于基岩位置的混凝土周边、顶面及底面处于绝热状态，其他位置属于热量交换边界，未经蓄水冷却部位的温度较外界环境温度高出2℃，而水温边界则以蓄水边界为准。

当大体积混凝土进入到施工阶段以后，技术人员应当实时获取每一道工序的施工状态，并对基础各个部位的温度值予以测定，在确定具体的温度值以后，可以根据测定结果来编制基础的浇筑计划。对于基础的侧面以及仓面则采取临时保温措施。如果混凝土浇筑时间在每年的11 月到3 月之间，为了减少内外温差，施工人员需要对混凝土进行保温处理，其中，该地的月平均气温如表2 所示。

从表2 当中可以看出，每年的11 月至3 月，当地正处于冬季时节，这期间，月平均最低气温出现在每年的1 月份，为1.9℃，由于外界温度过低，如果不采取保温措施，混凝土出现温度裂缝的概率也将大幅提升。

表2 施工地月平均气温（单位：℃）

3 大体积混凝土冷却过程中的调整与优化策略

3.1 冷却条件分析

在对大体积混凝土进行通水冷却时，涉及的主要内容包括通水水温以及二期冷却的起始时间。在调整和优化各项温度参量时，需要考虑以下七种工况，即：基本工况，160d 时开始二次冷却，在这种状态之下，其余六种工况条件分别是一冷水温为16℃、一冷水温为20℃、二冷水温为6℃、二冷水温为10℃，145d 开始二冷以及175d 开始二冷。在实施通水管水冷策略时，选取的冷却水管为弯曲的塑料管，导热系数一般在1.0kJ以上，如果浇筑混凝土的时间为每年的4 月到10 月，那么，可以将冷却水管排布成面积为1.5m×1.5m 的形态，对于上游防渗层，应当加密到1.0m×1.5m，并按照蛇形的布置方式对冷却水管进行摆放。在冷却过程中，所使用的冷却水温度与混凝土的温度差应当保持在20℃以下。

在这种七种工况当中，基本工况是其他工况所参考的条件，即混凝土初冷时间在20d 以内，降温幅度在8℃以下，通水温度为18℃左右，通水流量介于1.5～ 1.8m/h 之时，为了增强冷却效果，技术人员每间隔24h 的时间，需要改换水流方向，使得每24h 的降温值在1.0℃以下。在对混凝土进行二次冷却时，冷却水的温度以8℃为宜，通水流量可以适当增加，但是，最大流量值应当小于1.8m/h。

3.2 一次冷却水温的影响要素

在对建筑基础的大体积混凝土进行一次冷却时，在基础工况条件下，冷却温度较之降低2℃，经过现场测定可知，建筑基础高大高程的位置，温度降低了0.41℃，随着温度的降低，混凝土最大应力值也相应降低0.12Mpa，如果温度高出基础工况2℃以后，那么基础混凝土的最大温度也将相应地增加0.46℃左右，最大应力值则增加0.01Mpa，冷却最大温度应力改变约为0.06Mpa/℃。通过现场观察测定可知，在基础混凝土完成浇筑工序以后，2～ 3d 的时间里，混凝土内部温度的上升幅度较大，在这种情况下，技术可以对混凝土进行一次冷却，以延缓混凝土内部的温升速度，使内部温度能够始终保持在20℃左右，在一次冷却过后，混凝土内部应力值也将呈现出明显的下降趋势。

3.3 二次冷却水温的影响因素

对大体积混凝土进行二次冷却时，不同的水温对混凝土的冷却效果也会产生不同的影响。其影响的参量主要包括混凝土的温度以及应力，通过比对分析发现，当二次冷却的水温在基础工况的状态下降低2℃时，仓内最高温度仍然保持在原有状态，这时，混凝土内部的最大应力增加0.24Mpa，如果在基础工况的状态下，将温度提升2℃，那么，内部最大应力值将减少0.25Mpa，从这一数据可以看出，二次冷却的最大温度应力约为一次冷却的2 倍左右。在七种不同工况条件下，对建筑基础的温度线进行比对可以看出，4 月到7 月间，降温速率明显增加，究其原因是通水时间与流量始终保持原有状态，最低温度并未发生改变，当水温为6℃时，最混凝土的最低温度为11.72℃，当水温为8℃时，混凝土温度为12.31℃，当水温达到10℃时，混凝土的温度升至13.62℃。而在不同工况下，对温度应力曲线进行对比发现，当二次冷却水温在6℃时，此时的温度应力已经远远超出混凝土的允许应力，由此可以看出，如果在二次冷却时，将温度调整到较低的区间，混凝土可以在较短的时间内达到目标温度，但是，在冷却过程中，试验人员应当随时观察混凝土的温度变化情况，以避免出现过冷现象，而影响混凝土的质量与性能。

3.4 二次冷却起始龄期的影响因素

在对混凝土进行二次冷却时，起始龄期不同，混凝土的温度与应力值也有所不同。以基础工况条件下的二次冷却为例，如果龄期提前15d，那么，最大的横向应力则增加0.17Mpa，如果龄期延后15d，混凝土的最大应力则降低0.14Mpa，由此可以看出，如果适当延长冷却开始时间，则能够达到缓慢冷却的目的，在这种情况下，混凝土内外温差范围也将慢慢缩小。通过对七种工况条件下建筑基础温度曲线的分析，冷却时间越提前，混凝土温度的平稳状态维持的时间越短。在一次冷却过后的145d 进行二次冷却，混凝土的最低温度值为12.18℃，在一次冷却过后的160d 进行二次冷却，混凝土最低温度为12.31℃，而在一次冷却后的175d 进行二次冷却，混凝土的最低温度为12.36℃，三种不同的工况条件，混凝土的最低温度也出现了微小的差异。而通过对温度应力曲线的分析发现，如果在一次冷却以后的第145d 开始进行二次冷却，混凝土的实际应力值明显超过允许应力，而在1 月至4 月期间，混凝土温度仅仅存在一个缓慢的下降趋势，因此，在刚刚进入二次冷却以后，三种不同的工况条件下，其温度应力差异并不明显。

3.5 大体积混凝土冷却过程调整与优化结果分析

在试验过程中，一共选定了7种工况，进行数学建模与计算，其试验结果显示：在采取一次冷却措施时，可以对混凝土的最高温度进行调整，当最高温度减小以后，混凝土的总温差也将随之减小，这时，混凝土的温度应力也将有明显降低，通过现场试验可知，温度每降低1℃，混凝土的温度应力将减小0.06Mpa左右。而在对混凝土进行二次冷却时，通水温度则应当以低水温为宜，冷却水温越低，则混凝土到达目标温度的速度越快，在这种情况下，混凝土应力也将随之增加，水温每降低1℃，应力值将随之增加0.12Mpa。另外，由于此次试验的二次冷却开始时间在4 月至7 月，这期间，外界的环境温度呈现出缓慢升温状态，而如果对二次冷却的开始龄期进行控制，则不会对混凝土的最低温度造成较大的影响。但是，如果延长二次冷却的开始龄期，混凝土的温控时间将缓慢增加，最大应力值也将降低0.14Mpa 左右。

从以上的试验结论可以看出，为了最大限度地降低大体积混凝土出现裂缝的概率，首先，技术人员可以采取降低一次冷却最高温度的方法，这种方法能够有效降低混凝土的最大温度应力。其次，应对二次冷却的通水温度进行合理控制，尽量降低二次冷却的水温，但是，应当防止过冷现象的发生。最后，技术人员可以适当延迟二次冷却的开始龄期，这样，也可以规避混凝土的开裂风险。

4 结语

综上，大体积混凝土一旦出现裂缝等病害，不仅会影响混凝土结构的外观质量，而且对结构的安全性能也将产生严重威胁。因此，大体积混凝土在施工过程中，施工单位应当结合现场冷却效果以及混凝土的温度与应力的实时数据，对冷却过程中的温度及冷却开始龄期进行优化和调整，在降低混凝土裂缝风险的同时，使混凝土结构的整体质量与安全性能得到可靠保障。