冷卻水管法控制承臺大體積混凝土溫度參數研究

靳江海

(中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006)

1 引言

大體積混凝土溫控技術一直是土建工程領域研究的重要課題之一。由于混凝土本身的熱傳導性能較差，當澆筑的混凝土體積較大時，膠凝材料水化過程中釋放的熱量[1]，易使混凝土產生過高的溫度應力，若不采取必要的措施，結構就會產生溫度裂縫，影響工程質量與耐久性能[2-3]。

為避免大體積混凝土水化熱溫度裂縫，需要做好兩方面工作:一是控制混凝土絕熱溫升；二是控制混凝土芯表溫差。控制芯部絕熱溫升措施一般是降低混凝土水化熱和混凝土內預埋冷卻水管兩種措施同時使用[4]。目前降低絕熱溫升措施規范中已經明確，但冷卻水管降溫措施受計算混凝土最高溫升困難影響[5-6]，規范中沒有對冷卻水管預埋間距、孔徑及水溫、流速等參數做具體規定，需要進行研究。本文以長滸大橋CA輔道橋承臺為研究對象，采用Midas Civil軟件建立實體單元，分析了冷卻水管間距、長度、水溫、流水速度等參數對承臺內部溫度影響和不同模板對芯表溫差影響規律，為今后類似工程提供借鑒。

2 工程概況

蘇州城北路(長滸大橋-婁江快速路段)改建工程位于蘇州市城區北部，其中新建長滸大橋并排設計有三座橋梁，分別為兩側斜拉索輔道橋(CA輔道橋+CB輔道橋)及中間連續梁主線橋(CM主橋)。本文以CA輔道橋主塔承臺施工為背景進行研究。CA輔道橋主塔承臺為矩形結構，尺寸25.5×12×4 m，混凝土方量1 224 m3。承臺整體位于基坑內，基坑與承臺間距1 m，基坑開挖到底后整平，澆筑20 cm厚的混凝土墊層。

承臺混凝土專用配合比見表1。其中水泥采用浙江湖州煤山南方水泥有限公司“南方”牌P.O42.5水泥；砂采用蕪湖長江中砂，細度模數2.8；碎石選用浙江湖州花崗巖碎石，2～25 mm連續粒級；粉煤灰采用蘇州華望新型建材有限公司II級粉煤灰；礦粉為無錫新三洲特鋼有限公司S95礦粉；外加劑為浙江桐化化工有限公司TH-A-IX(01)型聚羧酸高效減水劑。

設計要求混凝土一次性澆筑完成，混凝土最薄厚度4 m，屬于規范規定的大體積混凝土。

表1 承臺C30混凝土配合比 kg/m3

3 參數分析

采用有限元軟件Midas Civil對承臺大體積混凝土進行水化熱計算。大體積混凝土澆筑后的溫度變化與混凝土配合比、混凝土的入模溫度、混凝土與外部的熱交換、內部冷卻水管的布置等多種因素有關。背景工程為對稱的立方體結構，為節約計算時間、提高計算效率，承臺按照1/4模型進行計算[7-8]。模型包括地基、墊層及承臺結構，如圖1所示。

3.1 邊界設置

(1)熱分析邊界:承臺、墊層與空氣接觸面施加對流邊界，其中承臺側面考慮模板的隔熱效應，頂面按裸露表面處理。

圖1 有限元計算模型

(2)力學邊界:地基底面、側面按固結處理，結構各對稱面約束對應方向的法向自由度。

3.2 計算參數

混凝土絕熱溫升按式(1)計算。

式中，T(t)為混凝土齡期為t時的絕熱溫升(℃)；W為1 m3混凝土的膠凝材料用量(kg/m3)；Q為膠凝材料水化熱總量(kJ/kg)；C為混凝土的比熱[kJ/(kg·℃)]；ρ為混凝土的重力密度；m為與水泥品種、澆筑溫度等有關的系數(d-1)；t為混凝土齡期(d)[9]。

RSSI-MCL算法雖然能夠在一定程度上提高算法的定位精度，但是以犧牲算法的運算效率為代價的，這使得數據量較大時，對于節點的定位時間花銷較高，今后將從提高算法的運算效率、降低時間復雜度入手進行研究，以更進一步優化算法。

有限元模型計算中涉及的材料相關計算參數如表2所示[10]。

表2 相關計算參數

3.3 冷卻水管方案比選

冷卻水管主要考慮橫向及豎向間距，根據承臺的具體尺寸，分別按照2 m、1.5 m、1 m及0.5 m四種間距，每層獨立設置，每層流量1.5 m3/h分析承臺溫度變化[11]。

冷卻水管的間距變化，對承臺內部溫度影響很大，當冷卻水管的間距為0.5 m時，承臺中心最高溫度為37.1℃，芯表最大溫差5.1℃；當冷卻水管中心間距增加到1.5 m時，承臺中心最高溫度達68.4℃，芯表最大溫差上升到34.2℃。冷卻水管間距對承臺中心溫度及芯表溫差的影響趨勢基本一致，大致表現為二次拋物線的變化關系，如圖2所示。冷卻水管間距從0.5 m變化到1.0 m時，承臺中心溫度及最大芯表溫差上升較大；當冷卻水管間距在1.0 m以上時，隨著水管間距的增大，承臺中心溫度及芯表溫差上升趨勢不斷減小，數值趨于收斂狀態。這說明1 m間距為降溫的有效限度，該位置芯表溫差基本在25℃左右，間距超過1 m后，冷卻水管就起不到有效作用。雖然間距越小，降溫效果越好，但是施工成本卻會增加。綜合考慮規范規定的芯表溫差不超過25℃和施工的經濟性，工程中冷卻水管的布置間距按照1.0 m控制。

圖2 冷卻水管間距對溫度的影響曲線

根據冷卻水管的布置間距，計算承臺所需的冷卻水管長度，得出冷卻水管布置長度與承臺中心溫度及最大芯表溫差的關系曲線，如圖3所示。圖3中顯示承臺中心最高溫度及最大芯表溫差與冷卻水管的長度基本呈反比例線性關系，即在冷卻水管布置合理的情況下，水管越長，降溫效果越好。

圖3 冷卻水管長度對溫度的影響曲線

3.4 冷卻水進水溫度分析

本文按照冷卻水溫分別為10℃、15℃、20℃、25℃以及30℃對承臺芯部溫度和芯表溫差影響進行分析，結果見圖4。承臺芯部最高溫度及最大芯表溫差與冷卻水管進水溫度基本呈正比線性關系；但冷卻水溫的變化對承臺最高溫度及最大芯表溫差的影響相對較小，冷卻水進水溫度從30℃降到10℃，承臺中心最高溫度從70.2℃降到65.9℃，最大芯表溫差從35.9℃下降到31.5℃，通過降低冷卻水溫度的途徑對降低混凝土內部溫度效果不佳。考慮到進水溫度過低時冷卻水管壁與混凝土間存在較大的局部溫差，反而對混凝土結構不利，因此進水溫度不宜過低，控制在與氣溫相近范圍即可。

圖4 進水溫度對溫度的影響曲線

3.5 冷卻水流量及管徑分析

冷卻水水流狀態也會對混凝土溫度產生一定的影響，而水流狀態主要體現在水流速度及管徑兩方面。本文計算了管徑為4.5 cm時，水流量分別為0.5 m3/h、1.0 m3/h、1.2 m3/h、1.5 m3/h、2.0 m3/h 五種情況，以及水流量為1.5 m3/h時，管徑分別為3 cm、4.5 cm、6 cm、8 cm、10 cm 五種狀態下承臺溫度變化情況。計算結果顯示承臺中心溫度以及芯表溫差與冷卻水管水流量大致呈拋物線變化關系、與管徑基本呈線性變化關系(見圖5～圖6)，但變化值都較小，實際工程中可忽略兩者影響，按照正常管徑及流速控制即可。

圖5 水流量對溫度影響曲線

圖6 水管直徑對溫度影響曲線

3.6 模板對混凝土溫度影響分析

承臺側模主要有鋼模和木模兩種，兩種模板與空氣之間的對流系數差異很大，考慮2 m/s風速的情況下，木模與空氣的對流系數取16.2 kJ/(m2·h·℃)，鋼模與空氣的對流系數取68.4 kJ/(m2·h·℃)[12]。

計算結果顯示，承臺側模采用何種模板對承臺中心溫度基本無影響，但對芯表溫差影響非常大，如圖7所示。當采用木模時，側面最高溫度可達54.6℃，芯表溫差15.4℃，滿足規范要求；而采用鋼模時，側面最高溫度37.9℃，芯表溫差33.8℃，超過了規范規定。

圖7 模板對溫度影響時程曲線

4 方案驗證

綜合以上分析，背景橋臺循環水管采用管徑φ4.5×1.5 cm鋼管，間距1 m，設置3層，每層單獨設置循環系統；混凝土外側使用木模板，頂面采取保溫措施，計算和實測芯表溫度見圖8。

從圖8可知，混凝土最高溫度、芯表溫差均控制在規范規定的范圍內。

圖8 計算與實測溫度時程曲線對比

5 結論

(1)有限元法是計算承臺水化熱的有效途徑，當相關計算參數合理確定后，計算精度基本滿足要求。

(2)冷卻水管間距和水管長度對內部溫度影響較大，水管間距越小、水管長度越大，溫降效果越好。考慮到施工經濟性，水管間距最大不應超過1 m。

(3)冷卻水流速、溫度以及管徑對承臺內部溫度的影響相對較小，只要能滿足1.5 m3/h流量要求即可。

(4)模板雖然不影響混凝土芯部溫度，但是不同導熱系數的模板可以控制混凝土的芯表溫差和表層溫度降低速率，從而降低混凝土開裂風險，因此施工時應采用導熱系數小的木模板或者在鋼模板外部采取保溫措施。