淺析循環冷卻水管在大體積混凝土中應用

鄧志華

摘 ? 要：基于海洋性熱帶雨林氣候某工程大體積混凝土典型施工為例，通過典型施工段自然降溫和布設循環冷卻水管內部降溫兩種不同工況比較，驗證循環冷卻水管需求和效果。引入有限元對實體溫度場模擬分析，進行兩種工況下自/外約束應力混凝土開裂風險評估，為后續施工提供合理建議。

關鍵詞：關不同工況 ?模擬分析 ?開裂風險評估 ?合理建議

中圖分類號：TV544 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0024-02

1 ?試驗段概況

工程所在地屬海洋性熱帶雨林氣候，高鹽、高溫、高濕，環境溫度介于24℃～40℃范圍。為驗證該氣候條件下某工程大體積混凝土是否需布設循環冷卻水管及評估其開裂風險，布置循環冷卻水管進行混凝土內部降溫法（下文簡稱內部降溫法）和不設置循環冷卻水管自然降溫法（下文簡稱自然降溫法）兩種不同工況的典型試驗段進行比較，并對實體溫度場實際尺寸進行有限元模擬分析，進行開裂風險評估。

典型施工試驗塊取側墻一段小尺寸試驗段按照4m×1.3m×4m進行設計。內部降溫法則將冷卻水管安裝沿施工段長度方向設置兩排平行冷卻水管，水管距離混凝土表面400mm，水管間距1000mm。

在試驗段構件最高溫度、外表面、內表面、冷卻水管表面埋設9組溫度傳感器。

（1）構件內部最高溫度：一般在幾何中心或其附近位置處;

（2）外表面溫度：距構件混凝土外表面50mm位置處;

（3）內表面溫度：距構件混凝土內表面50mm位置處;

（4）冷卻水管表面溫度：冷卻水管進水口、中部、出水口附近50mm位置處[1];

試驗段一個側面與兩個端面采用木模板，另一個側面采用鋼模板，鋼板外側貼聚苯板保溫，混凝土頂面覆蓋高分子養護膜、土工布、聚苯板、帆布保溫。

2 ?試驗段監測結果分析

2.1 自然降溫法溫度及內表溫差變化監測結果

混凝土強度等級為C40P6，入模溫度為29.8℃。典型試驗段段內部最高溫度為62℃（37h），最大內表溫差為10.9℃（48h）;監測得到環境溫度在24.4℃～34.2℃之間，混凝土自澆筑起算第4d適合拆除側墻及底板倒角處模板，拆除模板后及時覆蓋保溫保濕養護，養護時間不少于14d;混凝土內部最高溫度小于45℃時停止溫度監測，此段監測時長為225h。

2.2 內部降溫法溫度及內表溫差變化監測結果

混凝土強度等級為C40P6，入模溫度為31.5℃。典型試驗段段內部最高溫度為57.5℃（33h），內表溫差為6.5℃（36h）;監測得到環境溫度在26.6℃～39.4℃之間，混凝土自澆筑起算第3d適合拆除側墻及底板倒角處模板，拆除模板后及時覆蓋保溫保濕養護，養護時間不少于14d;混凝土內部最高溫度小于45℃時停止通冷卻水，通冷卻水時間為4d，此段監測時長為135h。

2.3 典型試驗段段循環冷卻水管降溫的作用

內部降溫法較自然降溫法，內部最高溫度降低4.5℃，內表溫差降低4.4℃，降溫效果明顯。

根據監測數據，冷卻水管進水口與出水口表面混凝土差別較大，初步判斷為管內水流速過慢造成。冷卻水管與冷卻水管進水口、中部、出水口表面溫差。冷卻水與進水口、中部、出水口的最大溫差為4.8℃、19.6℃、21.6℃，在澆筑后2～4d時間段，中心點降溫速率為0.2～0.6℃/h。在保證混凝土內部各點溫差≤25℃的前提下，內部降溫法循環冷卻水帶走大部分熱量，有效降低了混凝土內部溫度。

3 ?實體開裂風險評估

頂板分段尺寸為22m長×14.6m寬×1.3m厚，凈跨12m，矢高3m，頂板下面外加2.2m的側墻，后澆帶間距為22m。根據其它地方施工經驗，此類拱形大體積混凝土結構易由于底部側墻舊混凝土的約束而產生施工期開裂現象。下文根據實際尺寸建立模型，對頂板混凝土結構進行施工期開裂風險評估，分析計算包括了頂板不采用冷卻水降溫及采用冷卻水降溫兩種情況。其中，采用冷卻水管降溫的工況，頂板厚1.3m，冷卻水管采用內徑為DN32mm的鍍鋅鋼管，沿拱頂厚度方向設置兩排冷卻水管，兩排冷卻水管平行布置，第一排距離拱頂上表面400mm，第二層距離拱頂下表面400mm，水管走向均為拱頂長度方向。冷卻水管間距為1m，單根長度不超過200m。側墻處：第一列距離側墻外表面400mm，第二列距離側墻內表面400mm，水管走向均為側墻長度方向，為進一步減小澆筑界面上方新混凝土的溫度形變，將頂板下的2.2m側墻范圍內的冷卻水管間距設置為300mm、400mm、400mm、400mm、400mm，共設置五層冷卻水管，冷卻水管平行布置，單根長度不超過200m。混凝土澆筑前開始進行冷卻水循環，待混凝土內部最高溫度降至45℃以下，停止通冷卻水，用海淡水沖洗管道內壁。

3.1 頂板溫度場模擬計算

根據頂板實際尺寸建立的有限元模型進行網格劃分，通過有限元模擬分析建立自然降溫法頂板澆筑后42h溫度場局部分布及內部降溫法頂板澆筑后30h溫度場局部分布。

3.2 自約束應力評估

混凝土自約束應力是指內表溫差導致的約束應力。根據內表溫差的模擬結果，分別確定混凝土各齡期的彈性模量和抗拉強度，最后計算得到各齡期自約束應力的抗裂安全系數Kz[2]-[3]。