環境溫度作用下地下主體結構水化熱分析

AMOUSSOU Ekoe，陳卓異，李傳習，EZOULA A.Solange

（長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114）

混凝土凝固過程中存在水化放熱現象。對于大體積混凝土而言，由于單位面積上混凝土厚度增加，早期水化熱會引起較大的溫度應力，導致混凝土開裂，嚴重影響結構的安全性、耐久性。因此，有效控制大體積混凝土水化熱產生的溫度相當重要。

地下主體結構的抗滲要求高，結構厚度大于1 m，需要控制混凝土結構的內外溫差不大于25℃，避免混凝土開裂。而在水化熱-環境溫度耦合作用下，地下主體結構的溫度場如何分布是防止混凝土開裂的基礎。國內外學者對澆筑混凝土內外溫差的影響因素進行大量研究。王倩[1]指出降低混凝土溫度最直接方法是減少水泥含量，但會影響其強度。補充膠凝材料（如灰分和高爐礦渣）降低混凝土的水化熱有限[2-3]。布置管冷來達到降低混凝土中心溫度具有可行性[4]。但在實際施工應用過程中，進行混凝土配合比控制的同時，對現澆混凝土進行合理養護，保證養護環境的溫度和濕度，避免混凝土結構水化熱開裂。王愉康等人[5]結合理論計算、試配制、微調整等方法，得出混凝土配合比中各種材料的最佳組成比例，達到降低混凝土水化熱的效果。馬樂等人[6]采用了鋪蓋濕土工布、薄膜、干麻袋對高層樓基礎承臺混凝土進行保溫、保濕養護，達到降低混凝土內外表面的溫差效果。張桂芳等人[7]通過建立某大跨拱橋MⅠDAS FEA 模型，得出溫度場、力場分布和水化熱的規律，并提出合適的大體積混凝土表面養護和內部降溫措施。汪建群等人[8-14]通過分析MⅠDAS FEA 模型和實際工程數據結果，提出跨海大橋承臺混凝土溫度場與施工環境溫度和混凝土入模溫度的關系。但是對地下主體結構在水化熱-環境溫度耦合作用下的溫度場研究不足，影響了地下主體結構施工質量。為了探索施工環境溫度對大體積混凝土水化熱的影響規律，提出有效的溫控方法。本研究以公常路中山大學深圳校區段下穿改造工程為背景，擬采用FEA 軟件對不同環境溫度下的底板進行水化熱模擬，并與自動化監測獲得不同施工環境溫度下的主體結構底板混凝土內外溫度進行對比分析，以期為類似工程施工水化熱控制提供借鑒。

1 工程概述

公常路中山大學深圳校區段的下穿改造工程，起點位于光僑路交叉路口西側，終點東至東莞邊界，全長約3.56 km。其中，地下道路長2.645 km（封閉段2.220 km，敞開段0.425 km）。該工程主體結構混凝土強度為C40 補充收縮砼，抗滲等級為P8。墊層采用C20 混凝土，厚度為10 cm。主體結構防水等級為二級，防水體系包括混凝土結構自防水、施工縫和變形縫等接縫防水，附加防水層輔助排水措施。主體結構如圖1所示。

圖1 地下主體結構（單位：cm）Fig.1 Underground main structure（unit:cm）

2 模型建立

2.1 模型參數及邊界條件

本研究對2 個不同斷面進行研究。斷面1 樁號為K1+710，斷面2 樁號為K1+120。斷面1 和斷面2 的主體結構尺寸一致。為提高效率，利用底板的對稱性，建立1/2 模型。假設：施工過程中，環境土體參數保持不變，底板實際厚度為1.3 m，一次性澆筑，底板中部和表面混凝土入模時間一致，土體距底板底部5 m 位置的溫度為固定值，混凝土表面的對流系數為常數，底板底部為直接接觸土體，斷面環境溫度為實際環境溫度的平均值。

本模型根據實際工程及施工周邊環境的情況選定計算參數。由于主體結構的對稱性，斷面1以及斷面2 底板模型分別取1 個測點進行研究。底板以下的土體厚度取5 m。土體固定溫度條件參數取20℃。實際工程中，施工環境溫度隨時間變化。為簡化模型計算，取環境平均溫度作為施工環境溫度。斷面1 混凝土澆筑時間為2020 年1 月下旬，根據當時氣候情況，得到底板施工與養護過程中環境平均溫度為15℃。斷面2 混凝土澆筑時間為2019 年9 月初，環境平均溫度為30℃。混凝土入模溫度控制在20℃，混凝土表面對流系數為12 kcal/m2·h·℃，建模計算時，考慮混凝土收縮徐變和自重。

底板溫度場FEA 模型共有2 010 節點，1 465單元。其中，底板混凝土占864 節點，565 單元；土體占1 332 節點，900 單元。底板混凝土和土體連接采用共節點方式；共節點數量為186。模型中底板寬度為5 m。模型如圖2所示。

圖2 底板溫度場FEA模型Fig.2 FEA model of the temperature field of the bottom plate

底板混凝土采用C40。根據混凝土配合比計算混凝土比熱和導熱系數。考慮混凝土初始溫度20℃，根據《大體積混凝土溫度應力與溫度控制》20℃對應的材料熱性能參數見表1。混凝土導熱系數及比熱計算見表2。

表1 材料熱性能參數表Table 1 Thermal performance parameter of material

表2 混凝土水化熱參數計算表Table 2 Calculation table of concrete hydration heat parameters

2.2 計算結果分析

斷面1 距混凝土表面0.65 m 位置對應的N236節點，在澆筑3 h后，溫度達到最大值62.51℃；距混凝土表面0.05 m 位置對應的N96 節點，在澆筑32 h 后，溫度達到最大值33.47℃，最大內外溫差值為29.04℃。

斷面2 距混凝土表面0.65 m 位置對應的N236節點，溫度在澆筑32 h 后，達到最大值65.99℃；距混凝土表面0.05 m 位置對應的N96 節點，在澆筑25 h 后，溫度達到最大值48.80℃，最大內外溫差值為21.51℃。溫度數據見表3。斷面1 和斷面2的FEA模型32 h模擬結果如圖3～4所示。

表3 FEA溫度數據Table 3 FEA temperature data ℃

圖3 斷面1澆筑32h后溫度分布云圖Fig.3 Temperature distribution diagram of the section 1 after 32 hours of pouring

圖4 斷面2澆筑32h后溫度分布云圖Fig.4 Temperature distribution cloud diagram of section 2 after 32 hours of pouring

從圖3中可以看出，在混凝土澆筑32 h后，斷面1底板中心溫度最大值達到68.81℃，測點對應位置溫度達到62.51℃。從圖4中可以看出，在混凝土澆筑32 h后，斷面1底板中心溫度最大值達到70.41℃，測點對應位置溫度達到65.99℃。模型中斷面1 和斷面2的混凝土溫度與時間關系如圖5～6所示。

圖5 斷面1混凝土內外溫度模型曲線Fig.5 Curve of internal and external temperature of concrete in the section 1

圖6 斷面2混凝土內外溫度模型曲線Fig.6 Curve of internal and external temperature of concrete in the section 2

3 溫度場試驗

3.1 測試方法

為確定水化熱引起的溫度場，斷面1 和斷面2的底板混凝土表面、中心、底部安裝了溫度傳感器，傳感器連接采集模塊，自動采集溫度數據，通過網絡平臺讀取數據。每個斷面共設3 個測點，每個測點安裝3 個傳感器。測點布置圖如圖7 所示。本研究以每個斷面的底板左幅中間位置測點為參考對象，以距混凝土表面0.05 m 位置的傳感器數據為混凝土表面數據，以距混凝土表面0.65 m位置的傳感器數據為混凝土中心數據。

圖7 測點布置（單位：cm）Fig.7 Layout of measuring points（unit:cm）

3.2 試驗結果

斷面1 和斷面2 的混凝土實測溫度與時間關系如圖8～9所示。

圖8 斷面1混凝土內外溫度實測曲線Fig.8 The measured curve of internal and external temperature of concrete in the section 1

圖9 斷面2混凝土內外溫度實測曲線圖Fig.9 The measured curve of internal and external temperature of concrete in section 2

斷面1底板混凝土內部溫度在澆筑32 h后，達到最大值60.7℃；混凝土外表溫度在澆筑25 h 后，達到最大值37.6℃，最大內外溫差值為28.4℃。斷面2 混凝土內部溫度在澆筑34 h 后，達到最大值67.7℃；混凝土外表溫度在澆筑34 h后，達到最大值49.1℃，最大內外溫差值為22.5℃。實測溫度數據見表4。

表4 實測溫度數據Table 4 The measured temperature data ℃

從圖5～6 和圖8～9 中可以看出，底板混凝土中心溫度變化規律一致。混凝土中心溫度在澆筑32 h 后達到最大值，然后緩慢下降。降溫過程中，底板中心溫度未出現回升現象。從圖5～6 中可以看出，混凝土內部和外部的溫度曲線圖平滑。從圖8～9 中可以看出，混凝土內部曲線較平滑，而混凝土表面曲線明顯粗糙。表明：實際工程中，混凝土表面直接受到環境溫度波動的影響。

由表3～4 可知，斷面1 最大內外溫差值29.04℃，大于斷面2 最大內外溫差值21.51℃。實測斷面1 最大內外溫差值28.4℃，大于斷面2 最大內外溫差值22.5℃。表明：在施工環境溫度為30℃時，混凝土最大內外溫差值相比施工環境溫度為15℃時的小。

4 結果分析

實測溫度數據與模型變化規律一致且結果比較吻合。由斷面1數據可見，混凝表面實測最大溫度值與模型最大溫度值相差4.13℃。其原因為：①本模型未考慮混凝土養護的影響，而實際工程采用覆蓋物進行配合養護，混凝土表面全部覆蓋嚴密，并保持覆蓋物內有凝結水。②本模型未考慮混凝土模的作用，而實際工程中底板拐角部分采用導熱系數為163.29 kJ/（m·h·K）的鋼板作為模板。③本模型中未考慮環境溫度的波動。④實際工程中，溫度傳感器埋設的位置與模型對應節點有一定誤差。⑤本模型未考慮底板底面接觸的封底混凝土影響。⑥本模型未考慮底板中部與表面的混凝土入模時差，實際工程中混凝土中部與表面澆筑時間相差3 h。

無論模型結果或實測溫度，混凝土水化熱引起的溫度值在環境溫度為15℃時往往比環境溫度為30℃時的小。混凝土最大溫度值與環境溫度的關系見表5。

表5 混凝土最大溫度值與環境溫度的關系Table 5 Relationship between the maximum temperature of concrete and the ambient temperature ℃

5 結論

通過實際量測出來的溫度譜與有限元模擬結果進行對比，得出結論為：

1）環境溫度每增加15℃，混凝土中心溫度至少增加3.48℃。因此，選擇合適的環境溫度下施工，可以有效控制大體積混凝土水化熱溫差。

2）混凝土內外溫差隨著施工環境溫度的降低而增大。環境溫度每降低15℃，混凝土內外溫差值增加至少4.9℃。因此，在施工環境溫度過低情況下，需要考慮采取有效保溫措施，以防出現溫度裂縫。

3）施工環境溫度對大體積混凝土表面溫度的影響很大。在施工環境溫度容易出現突變情況下，需考慮選擇水化熱低水泥。