基于热-力耦合大体积混凝土水化热控制技术

陈 杨

(中交公路规划设计院有限公司，北京100088)

浇筑混凝土时，水泥水化过程中产生大量热量会使混凝土的温度升高，虽然随时间推移混凝土的温度会降低，但是各部分的温度下降不一致，会形成温差，从而使混凝土的产生温度应力。当温度应力过大，将会导致混凝土开裂，影响结构的安全性与耐久性。文献[1-2]混基于有限元方法,提出比较完善的混凝土水化热计算理论。文献[3]提出论证新型环形的冷却水管可以更加有效的降低混凝土中部温度。文献[4-5]热温升进行研究，提出计算混凝土绝热温升的经验模型。文献[6-7]利用有限元方法，研究了混凝土水化热计算分析且对理论计算方式进行改进。文献[9-11]以大体积混凝土为例，利用有限元数值分析，结果表明数值模拟结果和实测结果吻合性好。文献[12-14]依托实际工程，实测混凝土水化热情况与理论结果比较。同时提出降低水化热的措施。本文对桥墩承台施工期间的水化热温度进行监测，根据监测数据，基于数值分析模型，对温度数据进行对比。利用有限元分析技术，研究在改变冷却管的间距、层数、管径、进水温度和流量等参数对大体积混凝土承台水化热的影响。

1 有限元模型

1.1 工程概况

桥梁全长518.6 m，宽20.5 m。选取承台混凝土水化热进行实时监控。冷却水管采用壁厚2.5 mm、直径φ32 mm的圆钢管。冷却水管在竖向为C1～C5共5层，间距大致为1 m。承台冷却管的具体布置如图1所示。

图1 承台冷却管布置(单位:cm)

1.2 有限元模型

通过MidasFEA建立有限元模型，数值模拟计算主墩承台浇筑、养护期间的温度变化特征。数值分析模型一共有102 496个节点和23 860单元。模型示意如图2所示，竖向分布为5 m高承台、1 m高C30混凝土垫层、2 m沙土基础。

图2 有限元模型

2 结果分析

2.1 实测值与有限元结果分析

由于大体积混凝土浇筑所需时间较长，浇筑过程中已经有水化热温升存在，但受到环境施工等的影响，温升过程不稳定。因此，将浇筑完成3 h时刻作为实测温度数据拟合起点。选取实测数据16个点，与相对应有限元模型的节点进行分析。具体各节点的温度变化规律如图3所示。

图3 16个节点的实测值与理论值对比

通过16个节点实测值与理论值的对比发现，虽然实测值围绕理论值变化，但是变化趋势却是基本一致的。有限元模型的混凝土水化热与实测值有重合的较为良好。通过实测值和理论值比较发现混凝土水化热大概40～60 h快速升温达到峰值温度。

2.2 改变参数有限元结果分析

基于已有的有限元模型的基础上，从改变冷却管的间距、流量、温度、层数、管径等方面，分析相应参数变化对混凝土水化热的影响。选取6个节点对比在不同情况下的温度变化。6个节点分布具体如图4所示。

图4 6个节点具体分布

2.2.1 改变冷却管的间距

保证其他参数不发生改变的情况下，分析冷却管的间距为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m时节点1～6的温度变化的规律。图5为各节点温度场的变化规律。

图5 12个节点的温度变化

由图5看出，改变冷却管的间距可以明显使各节点的温度冷却速度加快，说明冷却管间距的减少可以加强降温作用。特别是1 m改变0.5 m时，冷却效果非常明显，最高温度大约下降了6 ℃左右，温度曲线达到最高温度的下降速度更加快速。当节点1、2、5、6在间距为1.5 m的降温效果不如间距为2 m时，经过察看模型发现，间距为2 m其节点离冷却管较近，从而对其降温效果产生了一定影响。随着间距的减少，冷却效果有明显的提高，但是冷却管用材料明显增多，当间距过小，可能使冷却管的布置困难。因此布置冷却管时不宜采用特别小的间距。

2.2.2 改变冷却管的层数

保证其他参数不发生改变的情况下，分析冷却管层数为0、1、3、5层时节点1～6的温度变化的规律。图6为各节点温度场的变化规律。

由图6可以看出，增加冷却管的层数时，可以使各节点的温度冷却速度加快。特别时无冷却管与原模型五层的对比发现，其降温效果尤其明显，由此可鉴布置冷却管的重要性。节点2有无冷却管与原模型对比，最高温度由69.3 ℃降低至59 ℃，高温的持续时间明显降低，对防止混凝土早期开裂有明显的效果。其他的节点也有此规律。

图6 12个节点的温度变化

2.2.3 改变冷却管的管径

保证其他参数不发生改变的情况下，分析冷却管管径为16 mm、32 mm、48 mm、64 mm时节点1～6的温度变化的规律。图7为各节点温度场的变化规律，可以看出，增加冷却管的管径时，可以使各节点的温度冷却速度加快，各节点的最高温度大概降低3 ℃，最高降低4.5 ℃，且降温速度明显加快。能达到相应的降温效果。但随着管径的增大，降温效果增加，同时也会使施工和布置出现困难。因此工程采用适合的管径，达到理想的降温效果来防止混凝土的早期开裂。

图7 12个节点的温度变化

2.2.4 改变冷却管进水温度

保证其他参数不发生改变的情况下，分析冷却管进水温度为1 ℃、5 ℃、9 ℃、13 ℃时节点1～6的温度变化的规律。图8为各节点温度场的变化规律，可以看出，增加冷却管进水温度时，会使各节点的温度冷却速度降低，但是降温效果并不理想。为了防止混凝土水化热引起的裂缝，冷却水的温度越低，冷却效果越好，但是过低的温度会使冷却水的制备相应增加施工难度和经费方面，而且过大的温差会使水管周围的混凝土产生较大的拉应力，从而引起开裂。因此冷却水的温度也不能太低。

图8 12个节点的温度变化

2.2.5 改变冷却管流量

保证其他参数不发生改变的情况下，分析冷却管流量为1 m3/h、3 m3/h、5 m3/h、7 m3/h时节点1～6的温度变化的规律。图9为各节点温度场的变化规律，可以看出，增加冷却管进水流量时，也可以使各节点的温度冷却速度降低，但是效果不如改变其他参数明显。根据相关公式，冷却水流量增加一倍时，冷却时间减少18.6%，因此改变冷却管的流量来达到降温效果并不会很明显。因此工程中不要通过增加流量来达到降低温度的作用。

图9 12个节点的温度变化

3 结论

(1)有限元模型的结果与实测结果对比，变化趋势基本相同，表明有限元模型效果良好。

(2)当冷却管的间距1 m改变0.5 m时，冷却效果非常明显，最高温度大约下降了6 ℃左右。无冷却管与有冷却管对比发现，其降温效果尤其明显，最高温度由69.3 ℃降低至59 ℃，且高温的持续时间明显降低。增大冷却管的直径16 mm到64 mm时，各节点的最高温度大概降低3 ℃，最高降低4.5 ℃，且降温速度明显加快。通过改变、层数、管径等参数，发现增大间距、层数和管径能达到较好的降温效果，从而可以防止早期混凝土开裂。

(3)通过改变冷却管的进水温度和流量，亦可达到降低混凝土温升的效果。但是由于降温效果不理想，且施工难度和经费方面的要求，降低进水温度在工程不易实现。增加冷却管的流量达不到良好的降温作用，工程亦不会采用增大流量的措施来避免混凝土早期开裂。