養護方式對夏季大體積混凝土施工溫度場的影響研究

王 俊, 郭 鑫, 邱文會, 孔亞美

(1.河南省建筑固廢生態高質化利用工程技術研究中心,河南 許昌 461000; 2.許昌學院土木 工程學院,河南 許昌 461000;3.中建七局建筑裝飾工程有限公司, 河南 鄭州 450003; 4.河南金諾混凝土有限公司, 河南 許昌 461000)

近年來,我國基建規模持續擴大,大體積混凝土應用更為廣泛.大體積混凝土在澆筑后產生大量的水化熱,混凝土的上、下表面溫度與大氣或地基接觸使其熱量較易散發,而混凝土內部熱量卻得到有效儲存,造成混凝土里表溫差過大,出現超過混凝土自身抗拉能力的溫度應力而引發有害裂縫,進而影響結構可靠性能[1,2].養護方式對混凝土澆筑后熱量散發路徑影響極大,炎熱天氣條件下大體積混凝土施工時,混凝土入模溫度較高,導致大體積混凝土結構內部的峰值溫度過高,加大了基礎結構中溫度應力裂縫出現的可能[3-5].

結合炎熱天氣條件下施工的某2 m厚筏板基礎工程案例,采用MIDAS-FEA軟件,分析了筏板基礎的溫度場,并與工程現場的溫度監測值進行對比,驗證了采用該軟件分析大體積混凝土澆筑后溫度場的可行性.進一步采用該軟件分析了不同養護條件下,筏板基礎內部不同區域的溫度變化及不同區域間的溫差時程規律,得出了有益結論,可供大體積混凝土施工時參考.

1 工程背景

中原地區某醫院高層病房樓主樓鋼筋混凝土筏板基礎,基礎尺寸為119×34×2 m,沿縱向設置了三道后澆帶,混凝土量分別為2 100 m3、2 987.6 m3、2 100 m3.施工時間為夏季,日均氣溫達30 ℃左右,最高溫度達36 ℃[6].

選取筏板基礎Ⅱ段為研究對象,施工現場測溫孔布置如圖1所示,每個測溫點沿筏板高度方向4個位置測溫,具體做法如圖2所示.筏板基礎采用設計齡期28 d強度的C40P6防水混凝土,配合比如表1所示.施工時對混凝土出機溫度和入模溫度實時監控,本次混凝土澆筑時測定34組入模溫度數據,最高值達32 ℃,最低值為28.5 ℃,平均值約為29.6 ℃.

圖1 Ⅱ段測溫孔布置平面圖

圖2 溫度監測孔沿筏板高度布置圖

表1 C40P6混凝土配合比/kg·m-3

2 MIDAS-FEA軟件分析大體積混凝土溫度場的可行性分析

2.1 分析思路

圖3 有限元模型

在MIDAS-FEA軟件對大體積混凝土筏板基礎運行求解分析,獲取大體積混凝土溫度場相關數據[7,8].模擬本工程筏板基礎一次性澆筑完成,定義了一個水化熱施工階段,將地基、筏板基礎、對流邊界及熱源函數等一次性激活.取筏板基礎1/4建模分析,為了更準確地反映底板的約束情況及水化熱傳播的過程,在筏板基礎結構底部設置了厚度為5 m的地基,小長方體模擬的是筏板基礎,大長方體模擬的是地基,有限元模型如圖3所示.

有限元分析時地基底部所有節點設置為20 ℃的常溫,混凝土絕熱溫升值為熱源函數,本案例的混凝土絕熱溫升值為60.3 ℃;上部對流邊界條件按蓄水12 cm養護,對流系數為4.35 W/(m2·℃);混凝土入模溫度設定為30 ℃,設定環境溫度30 ℃.

2.2 有限元分析結果與工程監測值對照分析

選取圖1中的4個測點在圖2所示的a、b、c、d四個不同高度處溫度值,與采用MIDAS-FEA分析獲取測點8相應位置的溫度值進行對比,如圖4所示.

從圖4(a)中看出,實測溫度時程曲線與有限元值對照分析表明,兩者峰值溫度接近,分別為58.5 ℃、60.8 ℃,但實測峰值溫度出現時間較有限元分析值早20 h,且實測降溫速率較快,這主要與表面蓄水養護的條件和環境溫度變化有關.

從圖4(b)、(c)可知,筏板基礎中部區域不同測點的溫度時程曲線基本接近.有限元分析值比施工現場監測溫度值略低,分別為76. 8℃、79 ℃,但絕熱溫升均沒有超過50 ℃,滿足大體積混凝土規范規定[9],實測值和有限元值溫度時程曲線規律比較近似.

圖4(d)表明筏板基礎底部區域,有限元分析值比施工現場監測值略高,但均符合規范要求[9].實測的峰值溫度出現時間較有限元分析結果明顯早,且實測的降溫速率快,降溫階段有限元值均比實測值高.

綜上所述,有限元分析的溫度場數據基本可以反映大體積混凝土澆筑后溫度場變化規律.考慮施工現場入模溫度、蓄水效果、環境溫度等因素與有限元軟件設定恒定狀況的差異引起的偏差,采用MIDAS-FEA軟件分析大體積混凝土溫度場是可行的.

圖4 監測值與有限元分析值的溫度時程曲線對比

3 不同養護條件下大體積混凝土夏季施工溫度場有限元分析

3.1 分析思路

以工程案例為研究對象,采用MIDAS-FEA軟件,分析筏板基礎自澆筑混凝土后360 h內,在不同對流邊界條件下的溫度場數據,有限元模型同圖3.不同養護方式對應軟件庫的對流邊界條件及對流系數[8]如表2所示.

提取筏板基礎中間區域某處的距上、下表面5 cm[9],以及中心處的溫度時程曲線如圖5所示.分析不同對流邊界條件下結構的上、中、下幾個區域代表性節點峰值溫度、峰值溫度出現的時間、降溫速率,討論不同養護條件對筏板基礎中上及中下里表溫差值時程規律及其對溫度應力的影響.

表2 不同邊界條件下對流系數

3.2 分析結果討論

3.2.1 代表性區域節點溫度場分析

獲取不同邊界條件下大體積混凝土筏板基礎內部不同區域代表性節點的溫度時程曲線,如圖5所示.

圖5(a)表明,自然灑水養護、蓄水12 cm、薄膜+麻袋濕水覆蓋等不同對流邊界條件下,峰值溫度分別為41.4 ℃、56.6 ℃、60.5 ℃.自然灑水養護較其他兩種對流邊界條件峰值溫度分別降低15.2 ℃、19.1 ℃,明顯降低上部區域的溫度峰值.蓄水深度對溫度場影響較大,蓄水4 cm、8 cm、12 cm時,峰值溫度分別是45.3 ℃、52.9 ℃、57 ℃,達到峰值溫度的時間分別在澆注混凝土后50 h、72 h、72 h,降溫速率基本接近.

對上部區域,不同對流邊界條件對混凝土表面熱量散發效果影響明顯,對峰值溫度影響較大,峰值溫度出現的時間差亦較大,灑水自然養護工況下出現峰值在混凝土澆筑后50 h,而薄膜+麻袋濕水覆蓋是在混凝土澆筑后72 h.不同對流邊界條件下筏板基礎的降溫速率總體比較接近.

圖5 不同對流邊界條件下筏板基礎不同區域溫度時程曲線

圖5(b)中,自然灑水養護、蓄水12 cm、薄膜+麻袋濕水覆蓋等三種工況下,峰值溫度分別為76.5 ℃、77.3 ℃、77.8 ℃,較入模溫度增加值均不超過50 ℃,滿足規范要求.自然灑水養護較其他兩種對流邊界條件峰值溫度分別降低4.9 ℃、5.4 ℃.自然灑水養護峰值溫度出現時間在澆筑完成后60 h,其他三種工況峰值溫度出現的時間基本一致,均在澆筑完成后72 h.

蓄水深度對中部區域溫度場影響不大,蓄水4 cm、8 cm、12 cm時,峰值溫度分別是76.7 ℃、77.3 ℃、77.5 ℃,達到峰值溫度的時間基本一致,降溫速率基本接近.

對筏板基礎沿高度的中部區域,自然灑水養護與其他工況一樣,對筏板基礎中部區域溫度場影響不大.

圖5(c)表明,對流邊界條件下對筏板基礎下部區域溫度場影響不大,幾種工況的峰值溫度均為59 ℃左右,不同工況下出現峰值溫度的時間基本一致,均符合規范要求.究其因主要是下表面水化熱量主要以向地基傳遞為主,散熱途徑基本一致.

3.2.2 里表溫差及其對溫度應力的影響分析

大體積混凝土的溫度應力包括兩項,一是混凝土受到周邊基礎等形成的外約束拉應力,二是混凝土自約束拉應力.以混凝土自約束拉應力為例,分析不同養護條件對大體積混凝土不同區域溫度差以及對混凝土自約束拉應力的影響.

混凝土自約束拉應力的計算可按下式計算.

式中,α為混凝土線膨脹系數,取為l×10-5.

ΔTli(t)為齡期t時,第i計算區段混凝土澆筑體里表溫差的增量(℃).

Hi(t,τ)為混凝土松弛系數,取1.

Ei(t)為齡期t時混凝土的彈性模量.

公式表明,溫差因素是影響自約束拉應力的主要因素.結合有限元分析的溫度場數據,對大體積混凝土中心區域和上、下表面區域間的溫差時程曲線進行分析,進而可探究對流邊界條件對溫度應力的影響.養護方式對筏板基礎量表溫差分析如圖6所示.

圖6 養護方式對筏板基礎里表溫差分析

由圖6(a)可知,養護方式對中、上里表溫差影響極為明顯,自然灑水養護、蓄水12 cm、薄膜+麻袋濕水覆蓋三種工況下,中上里表溫差分別為33.4 ℃、21.6 ℃、18.6 ℃,溫差的比值分別是1∶0.65∶0.56.蓄水深度對中上溫差影響亦較大,蓄水4 cm、8 cm、12 cm,中上里表溫差分別是31.8 ℃、24.4 ℃、21.6 ℃,溫差比值分別是1∶0.77∶0.70,由式(1)可知,不同養護方式對溫度應力影響顯著.

由圖6(b)可知,養護方式對中、下里表溫差有一定影響,自然灑水養護、蓄水12 cm、薄膜+麻袋濕水覆蓋等不同對流邊界條件下,中下里表溫差分別為20.5 ℃、21.2 ℃、21.7 ℃,溫差的比值分別是1、1.03、1.06,幾種工況下的中下里表溫差基本一致.蓄水深度對中下溫差基本不影響,蓄水4 cm、8 cm、12 cm,中上里表溫差分別是20.7 ℃、21.2 ℃、21.7 ℃.溫差比值分別是1、1.02、1.05.

將區段累計溫差因素進行簡化處理,可清晰看出養護方式對大體積混凝土結構中、上區域溫度應力影響極大,但對中、下區域溫度應力影響不大.根據大體積混凝土施工規范要求,混凝土澆筑體里表溫差不宜超過25 ℃,從以上數據分析看出,采用自然灑水養護、蓄水4 cm情況時,里表溫差均不符合要求.在具體工程中,選用何種養護方式,要結合工程實際情況綜合考慮.

4 結語

(1)MIDAS-FEA軟件分析大體積混凝土時,與工程現場實測相比,峰值溫度接近,降溫速率更趨平緩,出現峰值溫度的時間延后,但總體可以反映大體積混凝土溫度場變化規律.

(2)養護方式對筏板基礎上部區域的峰值溫度、峰值溫度出現時間及降溫速率均有影響,對峰值溫度影響極大,但對中部區域和下部區域的溫度場指標影響不大.

(3)養護方式對大體積混凝土不同區域得溫度差影響極大,進而對溫度應力也有明顯影響;蓄水深度大和“薄膜+麻袋濕水覆蓋”養護對降低溫度差和溫度應力是有利的.