基于大體積混凝土溫度場自控溫的模擬計算

陳元浩

（重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074）

0 引言

大體積混凝土結構在澆筑過程中，會因膠凝材料水化反應引起溫度變化和收縮變化，進而發展成為對自身有害的溫度裂縫[1]。為防止溫度裂縫的產生，需要控制溫度的均勻變化，減小溫度應力，本文采用冷卻措施與相變材料聯合控溫，為類似工程溫度裂縫控制提供參考。

1 工程概況

重慶市郭家沱長江大橋主橋采用單孔懸吊雙塔三跨連續鋼桁梁懸索橋，錨碇采用重力式錨碇，錨體及基礎采用原槽澆筑。錨碇結構全長64.8m，主要由錨體、散索鞍、前錨室、后錨室、壓重塊及擴大基礎構成，其中散索鞍長20m，寬27m，高20.8m，共分為11層，前10層每層高2m，屬于大體積混凝土結構，混凝土強度等級為C40。施工于9月進行，平均氣溫為25℃，分層分塊進行澆筑，表面采用10cm蓄水養護，側面采用5mm鋼板作側模板。

2 原材料及配合比

2.1 相變材料選擇

相變材料選擇固-液相變材料，應無毒、無過冷、無腐蝕性、性態穩定[2-3]；相變材料的相變焓不低于200 kJ/kg；相變溫度根據大體積混凝土澆筑體擬控制的中心最高溫度確定，擬控制的中心最高溫度宜較相變溫度高3～5℃，以保證相變的發生。綜合考慮本次模擬計算采用石蠟作為相變材料，石蠟的熱物理參數如表1所示。

表1 相變材料熱物理參數

2.2 大體積混凝土配合比

錨定C40混凝土配合比如表2所示。

表2 錨定C40混凝土配合比

2.3 大體積混凝土熱力學參數

通過冷卻措施將澆筑溫度控制為25℃，其余熱力學參數的計算，如導熱系數、比熱等，參照《建筑施工計算手冊》（第三版）[4]。熱力學參數計算結果如表3所示。

表3 混凝土熱工性能計算結果

2.4 大體積混凝土控溫要求

《大體積混凝土施工標準》（GB 50496—2018）規定[5]：（1）混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值不宜大于50℃；（2）混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25℃；（3）混凝土澆筑體降溫速率不宜大于2.0℃/d；（4）拆除保溫覆蓋時混凝土澆筑體表面與大氣溫差不應大于20℃。

3 相變控溫模擬計算

3.1 大體積混凝土絕熱溫升

根據《大體積混凝土施工標準》規定，膠凝材料水化熱取290.4kJ/kg，絕熱溫升按式（1）計算：

式中：T（t）為齡期t時混凝土的絕熱溫升，℃；W為膠凝材料用量，kg/m3；Q為膠凝材料水化熱，kJ/kg；C為混凝土比熱容，kJ/（kg·℃）；ρ為混凝土密度，kg/m3；m為與水泥品種、用量和入模溫度等有關的單方膠凝材料對應系數；t為混凝土齡期，d。

3.2 大體積混凝土中心溫度

根據《建筑施工計算手冊》（第三版）[4]，中心溫度按式（2）計算：

式中：Tmax為大體積混凝土中心最高溫度，℃；T0為大體積混凝土澆筑溫度，℃；ζ為不同澆筑塊厚度的降溫系數。

3.3 大體積混凝土表面溫度

根據《大體積混凝土溫度應力實用計算方法及控裂工程實例》[6]，表面溫度按式（3）、式（4）計算：

式中：Tb為混凝土表面溫度，℃；Ta為環境溫度，℃；H為混凝土的計算厚度，m；h為實際澆筑厚度，m；h＇為混凝土虛厚度，m；△T為混凝土最高溫度與環境溫度之差，℃。

3.4 相變材料用量

根據相變潛熱及溫度控制要求、擬控制大體積混凝土澆筑體中心最高溫度，來計算相變材料用量。相變材料用量按式（5）計算[7]：

式中：Mp為相變材料的質量，kg；Tmax為未加相變材料混凝土澆筑體中心最高計算溫度，℃；T＇max為加入相變材料混凝土澆筑體中心最高計算溫度，℃；c1為固態相變材料比熱，kJ/（kg·℃）；T為相變材料的相變溫度，℃；q為相變材料的相變潛熱，kJ/kg；c＇1為液態相變材料的比熱，kJ/（kg·℃）。

4 計算結果與討論

4.1 相變材料用量計算結果

由式 （1）—（4）計算，該C40大體積混凝土絕熱溫升為46.29℃，中心最高溫度為51.39℃，表面最高溫度為42.99℃，中心最大降溫速率為1.54℃/d。

由式（5）計算，擬控制大體積混凝土中心最高溫度降低2℃、3℃和4℃，相變材料所需用量分別為14.54kg、22.00kg、29.59kg，體積用量分別為0.0159m3、0.0240m3、0.0323m3，分別占每立方大體積混凝土體積的1.59%、2.40%和3.23%。

4.2 相變控溫大體積混凝土溫度場

加入相變材料的大體積混凝土溫度場如圖1所示。

圖1 相變控溫大體積混凝土溫度場

經計算，當擬控制大體積混凝土中心最高溫度降低3℃時，大體積混凝土表面溫度為40.94℃，內外溫差為7.45℃，表面與環境溫差為15.94℃，最大中心降溫速率為1.37℃/d，與未摻加相變材料相比，最大中心降溫速率降低幅度為11.04%。

4.3 相變材料布置

設澆筑體尺寸為1m×1m×1m，擬控制大體積混凝土中心最高溫度降低3℃，經計算，相變材料用量為22.00kg，液態相變材料體積為28.6L。若采用內徑為4cm的鋁管封裝，封裝填充率為95%，則總的封裝管長度為23.9m。澆筑體混凝土保護層厚度按5cm計算，則每根封裝管長度為90cm，封裝管最少需要27根。

封裝管布置采用正交雙向布置，分5層，每層布置6根，則層與層間的間距為22.5cm，同一層中封裝管的間距為18cm；封裝管端頭距澆筑體邊緣5cm；上面層和下面層中澆筑體頂面和底面距5cm。

5 結論

采用冷卻措施與相變材料聯合控溫，有利于降低大體積混凝土中心溫度，減緩降溫速率。通過正交雙向布置相變材料，有利于大體積混凝土溫度的均勻變化，從而減小溫度開裂的風險。