水利工程大體積混凝土溫度變化規律研究

摘要：隨著現代科技的發展，大體積混凝土在水利工程中的應用日益加強，成為土木工程的研究熱點之一。本文從實際工程出發，利用有限元分析軟件，大體積混凝土進行了數值分析，探討了大體積混凝土中的溫度場和溫度應力變化規律。最后，對大體積混凝土的產生的裂縫提出了控制措施，為大體積混凝土的研究和應用奠定了基礎。

關鍵詞：大體積混凝土；溫度應力；裂縫

中圖分類號：TU991.34+1文獻標識碼：A

隨著現代化建設的發展，大體積混凝土越來越廣泛地應用于現代水利工程結構中。我國大體積混凝土定義為：當基礎厚度大于1m，邊長大于20m，體積大于400m3的現澆混凝土稱為大體積混凝土。在大體積混凝土中，施工的關鍵為溫度控制問題。由于大體積混凝土體積大，水泥水化熱不易散發，這樣在外界環境或混凝土內力的約束下，極易產生溫度收縮裂縫，給工程帶來不同程度的危害甚至會造成經濟上的巨大損失，如何從水化熱產生的溫度變化這一角度進一步認識大體積混凝土，成為大體積混凝土施工中的一個重要的課題。據大體積混凝土所具有的特點，在其結構的設計中，通常是要求不出現拉應力或者出現很小的拉應力，但是由于混凝土自身的性質決定了在施工的過程中，在大體積混凝土結構中往往由于溫度的變化很大而產生很大的拉應力，這正是研究大體積混凝土溫度應力的所在之處。因此，對大體積混凝土的溫度場以及溫度應力的研究也成為一個重要的研究課題。

1 生裂縫的原因

1.1 水化熱

水泥的水化熱能在混凝土內部引起溫度應力和溫度變形，導致大體積混凝產生裂縫。硬化初期，由于混凝土的強度和彈性模量都很低，對水化熱溫升約束不大，則相應的溫度約束應力較小。隨著水泥水化齡期的不斷增加，彈性模量的增加，大量的水化熱使混凝土內部溫度不斷上升。當混凝土內部與表面的溫差過大時，就會產生溫度應力和溫度變形，這種內外溫差使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力，當這個拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土表面就會產生裂縫。

1.2 約束條件變化

結構物在變形過程中，必然會受到一定的“約束”而阻礙變形，這就是指“約束條件”。大體積混凝土，由于溫度變化產生變形受到約束，便產生了應力，而當應力超過某一個數值時，便引起裂縫。混凝土內部孔隙水蒸發變化時，混凝土產生收縮變形，由干混凝土收縮變形引起的溫度應力。

1.3 環境溫度變化

外界氣溫變化對大體積混凝土的影響很大，混凝土的內部溫度是澆筑溫度、水化熱的絕熱溫升和結構散熱降溫等各種溫度的疊加之和，外界氣溫愈高，混凝土的結構溫度也愈高，如外界溫度下降，會增加混凝土的降溫幅度，特別是在外界氣溫驟降時，會增加外層混凝土與內部混凝土的溫度梯度.溫度應力是由溫差引起的變形造成的，并且有較大的延續時間。

2 工程實例溫度應力數值分析

浙江省某大橋，橋墩具有體積大、鋼筋密、是典型的大體積混凝土。配合比應該考慮強度。其他因素通過試驗確定。

表1 混凝土配合比指標

新澆混凝土與鄰接的已硬化混凝土的溫差不得大于15攝氏度，混凝土內部開始降溫前不得拆模。混凝土橋墩為對稱結構，選擇其1/4進行研究。模型采用空間八結點等參單元劃分網格(20×20×8)，網格劃分如圖1所示。

圖1網格劃分

根據水化熱公式：，Q0為330kJ/kg，a為0.69，b為0.56。為準確分析在施工階段大體積混凝土的溫度場、溫度應力和溫度引起的位移的變化。每一施工階段預留一定的時間以便使混凝土可以充分水化。施工階段控制點溫度、應力圖形如圖2～4所示。

圖2第一施工階段中心溫度和變化圖

圖3第一施工階段中心溫度和變化圖

圖4第一施工階段中心溫度和變化圖

從分階段施工模擬結果來看，控制點的溫度和溫度應力，在大體積混凝土中的間控制方法。可以采取降低水化熱，實現減少溫度差和干縮，采用水泥裹沙工藝，減少水泥的用量。采用管冷的方式，采用低水化熱水泥等措施以達到降低水化熱的目的，在溫度變化較高部位起到降低溫度應力。這樣在混凝土的容許應力范圍內，不致引起溫度裂縫。

圖5匹配曲線

大體積混凝土，由于水泥水化溫升，使大體積混凝土在澆注后第3天達到峰值。接下來。混凝土內外溫差均開始下降，在10天趨于平緩。

3 防范措施

大體積混凝土施工中，容易引起溫度裂縫，采取適當措施減少水泥用量，合理使用外加劑。還可以滿足現場混凝土的坍落度要求。大體積混凝土中埋設冷卻水管。通過冷卻循環帶走混凝土內部的部分熱量，降低中心混凝土與表面混凝土之間的溫差。控制混凝土的出機溫度和澆注溫度，水的比熱較大，但它所占質量只為總質量的6%左右，所以降低砂石的溫度效果最顯著.控制混凝土的澆注溫度，根據工程經驗，一般可以采用改進攪拌工藝、改進混凝土的澆注溫度、合理的處理施工縫和混凝土的外表面等方法。

結語

考慮多種因素影響下大體積混凝土溫度應力。利用有限元分析，研究大體積混凝土在溫度應力作用下的溫度應力。利用有限元分析軟件，針對實際工程傳感器檢測的溫度應力，進行了數值模擬分析，并和現場測得的數據進行比較，推導大體積混凝土內部的溫度應力的變化。研究表明，數值分析結果和現場試驗結果吻合，為進一步研究和工程應用提供了技術支撐。

參考文獻

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