大体积高铁相水泥混凝土跳仓法施工温控分析*

薛 铖 骆 平 胡冬冬 刘 维 付 军

(1.中国建筑第六工程局有限公司 天津 300000； 2.武汉理工大学船海与能源动力工程学院 武汉 430000)

由于混凝土浇筑过程中水泥会产生大量的水化热[1]，混凝土外表面与空气对流放热较快，而内部热量不容易释放出来，导致内外温差过大，引起混凝土的开裂。混凝土的开裂问题，不仅影响结构的安全和使用，而且严重破坏了结构的完整和美观。温度裂缝的控制问题一直是工程中的难点之一，所以对大体积混凝土结构的水化热和温控开展分析，对于指导现场施工具有重要的意义。

Wilson[2]最先提出了使用有限元软件进行模拟结构的水化热过程，为后续温度场的有限元研究奠定基础；Petterson等[3]通过有限元软件研究了不同边界条件对温度应力影响的大小，为发现有效的温控措施提供了重要指导；陈明华等[4]对大体积船闸结构进行有限元分析并埋设温度计进行监控，以了解大体积混凝土水化热的温度变化规律；王祥国等[5]通过研究管冷系统对混凝土水化热冷却效果的影响，表明布置冷却水管是一种有效的水化热温度控制措施。

综上所述，虽然国内外对混凝土温度裂缝控制研究较多，但是目前较少有从水泥材料及跳仓法参数设计上研究大体积混凝土的温控措施。因此，本文以北海某大体积混凝土基础底板为背景，以一种中热高铁相水泥[6]代替普通硅酸盐水泥为混凝土主要材料，结合跳仓法施工，提出一套温控方案，以降低大体积混凝土结构的水化热效应，实现对温度裂缝的控制，为同类工程中的温度裂缝控制问题提供参考。

1 中热高铁相水泥混凝土

1.1 中热高铁相水泥

中热高铁相水泥又名高铁低钙硅酸盐水泥(C4AF≥18%，C3S≤50%)，不仅具有良好的抗硫酸盐侵蚀性和抗氯离子渗透性，而且在水化热过程中，与普通硅酸盐相比，它的放热速率更慢且总放热量更小[7]。

1.2 基本原理

水泥的水化热是水泥与水化合时所放出的热量，其放热大小主要取决于水泥自身的材料特性及龄期，其热量可按式(1)计算。

(1)

式中：Q3为在龄期3 d时的累积水化热，kJ/kg；Q7为在龄期7 d时的累积水化热，kJ/kg；Q0为水泥水化热总量，kJ。

在本工程中Q3为240 kJ/kg、Q7为270 kJ/kg，皆为现场试验测得。

Q0=4/(7/Q7-3/Q3)=298.5 kJ/kg

胶凝材料水化热总量Q为

Q=kQ0=0.91×298.5=271.6 kJ/kg

式中：k为不同掺量掺合料水化热调整系数，取0.91。

混凝土的最大绝热温升是指水泥在水化过程中，热量没有其他损耗的理想条件下，所能提升的最高温度，是计算水化热的的最关键参数。可按式(2)计算。

(2)

式中：θ(t)为混凝土龄期为t时的绝热温升，℃；W为每立方米混凝土的胶凝材料用量，kg/m3；Q为胶凝材料水化热总量，kJ；c为混凝土的比热，kJ/(kg·℃)；ρ为混凝土的质量密度,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，取0.362；t为混凝土龄期，d。

在本工程中最大绝热温升为

θ(t)=372×271.6/(0.96×2 500)×

(1-e-0.384×7)=42 ℃

混凝土热传导是混凝土的水化热向周边温度较低的物体或空气传热的现象，可按式(3)计算。

(3)

式中：x、y、z为热传导方向；θ为温度，℃；t为龄期，d；λ为混凝土的导热系数，kJ/(m·h·℃)；c为混凝土比热容，kJ/(kg·℃)；ρ为混凝土密度，kJ/m3；q为水泥产生的热量，kJ。

经式(3)计算得本工程中热传导率为10.6 kJ/(m·h·℃)。

混凝土的导温系数是表示混凝土传递温度变化的能力，混凝土的导温系数和混凝土的导热系数联系较为密切，可用式(4)进行计算。

(4)

式中：a为混凝土导温系数，m2/h；λ为导热系数，kJ/(m·h·℃)；c为混凝土的比热，kJ/(kg·℃)；ρ为混凝土的质量密度，kg/m3。

在本工程中导温系数为

a=10.6/(0.96×2 500)=0.004 4(m2/h)

1.3 基本参数

北海大体积混凝土结构下层为已浇好且冷却至常温的厚0.8 m的C15混凝土基础，上层为厚1.4 m的C60混凝土建筑，其中上层C60混凝土结构为主要研究对象。

C60混凝土配合比的设计根据国家行业标准JGJ 55-2011《混凝土配合比设计规程》的规定进行，同时符合GB/T 50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》和GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》的相应要求，参考国家标准规定的相关公式进行计算和相关参数取值，并根据经验设计得到3组初步配合比，再通过反复实验试配，结合地材限制，对初步配合比进行调整和修正，最终获得C60混凝土配合比见表1。C60混凝土水泥采用的是中热高铁相硅酸盐水泥，根据式(1)～(4)计算及现场试验测试，得到C60混凝土材料参数，见表2。

表1 C60混凝土配合比 kg/m3

表2 C60混凝土材料参数

2 温度场工程实测

2.1 跳仓法施工

跳仓法就是将大体积混凝土结构划分成若干小块，然后隔段施工，分块浇筑，相邻两块的浇筑时间间隔大于7 d。跳仓法是根据抗放并用、先放后抗的设计原则，即让先行浇筑的区域早期收缩应力充分释放，之后再利用混凝土自身抗拉强度来抵抗后期收缩应力。跳仓法不仅能有效降低大体积混凝土结构的温度应力，实现对温度裂缝的控制，而且将后浇带改为施工缝，施工工艺简便，缩短了施工工期，且使结构整体性提前形成，模板周转倒运方便。

合理的分仓不仅能减小整体温度应力，降低混凝土内表温差，避免不同仓块间温度应力相互影响，而且使施工更为方便。分仓原则为：

1)根据DB11/T 1200-2015《超长大体积混凝土结构跳仓法技术规程》附录B，计算跳仓仓块最大长度。

2)需控制仓块结构尺寸在40 m以内。

3)分仓缝位置应避开集水井、基坑等结构变化大的位置。

4)应考虑到实际工程中当天要浇仓块的混凝土方量能否及时供应。

北海大体积混凝土基础底板为异形板，由于此工程项目结构长度远大于1 m，符合大体积混凝土工程，而跳仓法有利于温度裂缝控制，选故择使用跳仓法施工。按照分区原则将大体积混凝土基础底板划分成6个区域，总浇筑方量达4 518 m3，1～6区浇筑方量分别为708.4，753.2，755.1，793.3，755.1，753.2 m3，具体分仓图见图1。除了第4区由于结构不规则原因，下方尺寸达到42.7 m外，其余区域尺寸皆满足分区原则。按照区块①→②→③→④→⑤→⑥的顺序逐一浇筑，每浇筑完一个区后，间隔7 d再浇筑下一个区。在浇筑之前，需要洒水加冰进行降温，降低混凝土入模温度。浇筑完成后，在其表面除了包上塑料薄膜外，还要盖上棉被、草袋等进行养护。

图1 分仓图(单位：mm)

由于各区浇筑方量均较大，为保证连续浇筑，设置有2个搅拌站，及16台搅拌运输车，轮流供应混凝土，并配备有挖机随时扫清路障，浇筑时分层浇筑，加强振捣。

2.2 温度测点布置

为实时监测混凝土浇筑后的内部最高温度及内表最大温差，在混凝土内部预先设置测点[8]，并预埋温度传感器。为防止个别测点数据丢失，每一仓布置了6个测点，分2层布置。测点布置选取原则为。

1)测点位置应该较均匀地布置在各仓的内部，防止个别部位数据的差异化。

2)测点位置能够有效记录混凝土的内部和表层温度。

测点布置为：中部测点分布在每一仓的中线上，主要是了解混凝土内部的温度梯度变化；上部的测点分布在混凝土表面往下10 cm的位置，主要是了解混凝土表面的温度梯度变化。一共布置36个测点，具体测点布置平面图和立面图见图2。

图2 测点布置示意(单位：mm)

2.3 温控要求

为预防混凝土开裂，根据规范要求[9]及其他参考文献[10]，引入以下温控标准。

1)在混凝土厚度不超过1.5 m时，其内表最大温差不超过20 ℃。

2)减小混凝土的温升值，最大温升不应大于初始温度50 ℃。

3)减小混凝土内部温度峰值，控制其最高温度不超过65 ℃。

2.4 实测结果分析

由于测点较多，部分温度传感器在浇筑时损坏，每个分区选取1组数据完整且有效的内表温度测点进行分析。1～6区内表温度工程实测值见图3。

图3 1～6区内表温度工程实测值

由图3可知，在混凝土浇筑前期，由于水泥水化释放大量的水化热，温度迅速上升，大约48 h后达到峰值，后由于与空气对流散热，温度开始下降，约180 h后达到平稳状态，接近环境温度。1～6区工程实测的温度峰值、最大内表温差及最大温升值见表3。如表3所示，1～6区内部最高温度分别为53.5，61.2，59.2，61.4，63.6，63 ℃，皆小于65 ℃；1～6区内表最大温差分别为13，15.4，10.7，11.1，17.8，17.4 ℃，皆小于20 ℃；混凝土最大温升值为3区的40.7 ℃，也小于50 ℃，均符合温控要求。故从整体上看，选用中热高铁相水泥为混凝土材料，并结合使用跳仓法施工，能达到温控预期目标，温控方案是合理且有效的。

表3 1～6区工程实测的温度峰值、最大内表温差及最大温升值 ℃

3 温度场数值模拟

3.1 有限元模型

采用软件midas FEA对北海大体积混凝土基础底板跳仓法施工进行有限元模拟，由于内部钢筋所占体积较少，且对温度结果影响较小，故忽略钢筋对混凝土水化热的影响。建模分2层，下层为基础模拟地面，上层为底板主体结构，网格划分采用四面体单元，共有51 489个节点和38 598个单元。考虑到地面土壤温度约20 ℃，对基础底面进行固定约束并施加强制温度20 ℃。由于在3～6月份浇筑，取平均环境温度25 ℃，在浇筑前有洒水降温，入模温度取18 ℃，每个与空气接触的截面设置对流边界，空气对流系数为13 W/(mm2·℃)，取上层所有C60混凝土结构为热源对象，按照跳仓法顺序，逐一定义6个施工阶段，有限元模型图见图4。

图4 有限元模型

3.2 仿真结果与实测结果对比分析

由于工程实测的结构内表温差最大值为17.8 ℃，温度峰值为63.6 ℃，均出现在第5区(见表3)，因此第5区为温度裂缝控制的最不利区域。因此选取第5区E3、E4测点结果与有限元模型中第5区测点所对应节点的温度场结果进行比较，第5区温度云图见图5、第5区实测的内表温度见表4。其中E3测点反映的是混凝土表层的温度场变化，E4测点反映的是混凝土内部的温度场变化。图5为第5区分别在在24，48，96 h后的温度云图，其中图5b)为48 h后达到温度峰值59.5 ℃的温度包络图，从图上看，由于表层四周设置有对流边界，与外界空气进行热交换，故散热较快，而内部热量难以释放出来，故形成中心温度高、四周温度低的特点，这与表4中第5区工程实测温度结果规律一致，内部温度明显高于表层温度。

图5 第5区温度云图(单位：℃)

表4 第5区工程实测的内表温度

E3～E4测点工程实测与数值仿真温度结果结果比较见图6。由图6可知，相比工程实测，数值仿真的温度峰值到达时间早6 h左右，且工程实测的初始温度和最终温度均大于数值仿真结果，其主要原因在于实际工程中当天的温度一直在波动，尤其昼夜温差较大，在有限元软件中的初始温度和环境温度是根据施工时所处季节设置的温度平均值，忽略了温度波动的影响。但从整体上看，E3、E4两测点工程实测温度与有限元仿真结果在温度时程曲线上拟合较好，趋势几乎一致，温度峰值也较为接近，误差在工程允许范围内，从而验证了使用有限元软件模拟混凝土水化热过程的准确性，也进一步说明了跳仓法温控方案的可行性。

图6 E3～E4测点工程实测与数值仿真温度结果比较

3.3 温控建议

为防止混凝土开裂，根据上述所研究的大体积混凝土水化热特点及温控方案，提出以下温控建议。

1)在混凝土浇筑前，采取洒水或加冰等措施降低混凝土入模温度，从而减小混凝土内部温度峰值。

2)符合大体积混凝土结构的项目考虑使用跳仓法施工，在遵循分区原则基础上，减小分区结构尺寸。

3)在不影响结构安全的前提下，混凝土材料应尽可能选择使用低中热水泥，且减少水泥的用量，从总体上减小水泥的放热量，从而减小混凝土的最大绝热温升。

4)混凝土在进行养护时，除了在其表面包一层塑料薄膜外，还可铺上棉被或者草袋等，减小降温速率，降低混凝土结构的内表温差。

4 结论

对北海某大体积混凝土基础底板结构采取跳仓法施工，提出温控方案，并实时监测混凝土内外温度场变化，研究其水化热规律及温控效果。同时使用midas FEA软件对该项目进行数值模拟，并与工程实测结果进行对比，得到以下结论。

1)高铁相水泥混凝土具有较低的水化热性能，有效降低了大体积混凝土施工阶段的水化热温度，施工7 d以内最高温度峰值控制在63.6 ℃，内表最大温差为17.8 ℃，最大温升值为40.7 ℃。

2)跳仓法温控方案合理有效，成功控制了混凝土内部最高温度、内表最大温差和最大温升值，均满足温控要求。表明选用中热高铁相水泥为混凝土材料，并结合使用跳仓法施工，能有效达到预期温控目标，防止混凝土的开裂。

3)有限元仿真结果与工程实测结果拟合较好，说明利用有限元软件模拟混凝土水化热过程的准确性和可行性，可为混凝土的温控设计提供理论依据。

4)将跳仓法尺寸设计与混凝土材料参数设计相结合能起到明显的温控作用，但是如何将两者更有效结合还有待研究，因此若能提出一种跳仓法尺寸设计与混凝土材料参数设计相结合的优化方案，跳仓法温控作用将有望发挥至最佳。