大體積混凝土溫度裂縫控制及溫控效果有限元分析

苗 田 唐靖武

（1.中國民用航空飛行學院，四川 廣漢 618307；2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200000）

0 引言

大體積混凝土是指混凝土結構實體的最小幾何尺寸≥1m 的大體量混凝土。體積大是其主要特點；除此之外，該類混凝土的表面系數較小，內部升溫較快，內外溫差較大，體積收縮，從而產生溫度裂縫，直接影響其施工質量。因此，為保證大體積混凝土的施工效果，需選擇合理的施工技術對溫度裂縫進行控制。本文以某學校室內體育用房及游泳館的基礎施工為對象，對大體積混凝土溫度裂縫控制方法進行研究，并對溫控效果進行有限元分析。

1 工程概況

某學校建設工程，占地面積約33 萬m2，總建筑面積約45.7 萬m2。主要建設內容為圖書館（編號A1，不含精裝修施工），公共教學及實驗樓（西樓，編號A2），教師食堂（編號A13,），沿河后勤用房（編號A14），公共教學樓（東樓）及專業教學用房（編號B1），室內體育用房及游泳館（編號B2），南區學生宿舍研究生一、二號組團（編號B3-B6），南區學生宿舍本科生一、二、三、四號組團（編號B7-B14），食堂（編號B15），及相應的地下空間及通道和該地塊內的主要交通道路、堡坎、給排水管網和室外運動場地。

該工程基礎采用獨立基礎、樁承臺+抗水板形式，其中室內體育用房及游泳館基礎中承臺、下柱墩、部分筏板基礎均屬于大體積混凝土，采用等級較高的C35與C40 混凝土，總的澆筑量18912.99m3，范圍大、體量大，是項目質量管控的重難點之一。混凝土澆筑方量較大，散熱性能受到一定影響，其內部溫度較高，容易產生較強的溫度應力。除此之外，基礎中承臺的斷面尺寸較大，基礎承臺高度最高達到2.5m，在溫度應力下，容易發生早期開裂。因此，該項目應重視大體積混凝土施工技術的研究，確保溫度裂縫的有效控制，從而保證整體施工質量和后期應用性能[1]。

2 大體積混凝土溫度裂縫控制方法研究

2.1 大體積混凝土原材料配比

該工程的基礎承臺施工采用C40混凝土，其原材料配比見表1。混凝土在7d、28d、56d 的抗壓強度分別為40.68MPa、52.7MPa、59.1MPa，實測密度為2474.8kg/m3。

表1 混凝土原材料配比

2.2 大體積混凝土施工流程

結合工程的實際應用需求，確定大體積混凝土的分層施工方案，該方案主要是對基礎承臺進行施工，總體施工流程如圖1所示。

圖1 大體積混凝土施工工藝流程

2.3 大體積混凝土溫度裂縫控制方法

由圖1 可以看出，整個施工流程分為6 個步驟，分別為溫控指標制定、施工前準備、鋼筋加工和安裝、模板安裝、混凝土施工以及裂縫控制。在整個施工步驟中，溫控指標制定和裂縫控制為主要施工步驟[2]。

2.3.1 溫控指標確定

大體積混凝土施工時，混凝土內部溫度影響著混凝土的成型效果，溫度控制不當是裂縫形成的主要因素。因此，大體積混凝土溫控指標的制定十分重要[3]。

為了避免天氣變化影響大體積混凝土的澆筑效果，盡量選擇在較好的天氣情況下完成混凝土澆筑[4]，并控制好澆筑過程中混凝土的入模溫度。同時，施工時的環境溫度和澆注體表面之間的溫差t1需控制在18℃以內。

大體積混凝土澆筑時的溫度下降速率t2需控制在1.5℃/d以內，并且為保證施工工期，現場拆模天數不得超過15d。因此，進行表面最高溫度T設定，計算公式為：

式中：N——溫度應力值；

t3——拆模階段表面溫度值。

依據公式（1）即可獲取大體積混凝土表面溫度的最大值，并依據該溫度值在混凝土澆筑過程中進行控制，從而為施工裂縫控制奠定基礎[5]。

2.3.2 溫度裂縫控制方法

溫度裂縫控制，關鍵在于對混凝土的溫度進行控制。首先對最大絕熱溫升T1、混凝土中心溫度T2、蓄水保溫養護深度H進行分析，三者的計算公式分別為：

式中：M1和M2——混凝土中的不同減水劑含量；

ε——折減系數；

Q——混凝土中水和混凝土相互作用后釋放的熱量比值；

ρ——混凝土密度；

c——單位升溫或者降溫下，混凝土吸收或者釋放的熱量結果；

Ti——混凝土的澆筑溫度用表示；

λ(t)——冷卻系數；

t′——混凝土維持至設定溫度時所需時間；

α——混凝土結構表面系數；

Tmax——最大溫度；

γ×η——導熱系數。

根據上述3 個公式完成T1、T2、H的計算后，采用膨脹補償收縮法進行大體積混凝土溫度裂縫控制，確保混凝土在鋼筋的約束下，其承受的壓力、鋼筋拉應力、混凝土壓應力保持平衡的狀態，其計算公式為：

式中：Sc——混凝土面積

Ss——鋼筋面積；

σc——混凝土的壓應力；

βs——單向應力狀態下，混凝土的應變程度；

μ2——混凝土在溫度作用下發生的膨脹力。

大體積混凝土表面溫度Tb計算公式為：

式中：Tq——大氣的平均溫度；

h——混凝土厚度；

h′——虛厚度；

ΔT——混凝土中心溫度和Tq之間差值。

依據上述公式可計算得出大體積混凝土溫差調整結果，依據該結果即可實現混凝土溫度控制，以此實現溫度裂縫的控制。

3 有限元溫控效果分析

3.1 基礎承臺有限元模型構建

為分析大體積混凝土施工效果和溫度裂縫的控制效果，本文采用MIDAS/FEA 軟件構建大體積混凝土的基礎承臺有限元模型，并通過該模型進行大體積混凝土溫度場和應力場分析。構建的承臺有限元模型部分結構如圖2 所示；該模型混凝土材料的比熱值為0.96kJ/（kg·℃），導熱系數為1.28W/（m·K），對流系數為20.9W/（m·K）。

圖2 承臺有限元模型部分結構

構建該模型，需結合施工現場環境、混凝土參數等因素設定邊界條件：

（1）初始參數：設定大體積混凝土在入模時的溫度成均勻狀態，即混凝土初始溫度即為入模溫度。

（2）邊界參數：混凝土的導熱系數與環境中的風速相關，其表面對流散熱滿足第三類邊界條件。

3.2 大體積混凝土溫度場和應力場分析

如果混凝土為均勻狀態，并且各向同性，依據能量守恒定律，確定混凝土內部吸收熱量與凈流入熱量一致，即等于混凝土在該時間內溫度升高所需的熱量，計算公式為：

式中：λ?2T——混凝土內部熱流密度；

F()

x,y,z,t——水化熱反應形成的熱量；

ΔxΔyΔzΔt()

λ?2T——混凝土內部傳遞的熱量；

x、y、z——表示三個方向；

T——溫升時間。

將上述公式進行簡化處理后，得出混凝土的熱傳導方程，其計算公式為：

依據公式（8）獲取混凝土溫度場的計算結果，并將其作為初始場，輸入應力場的計算中，在此基礎上，獲取混凝土應變增量計算公式：

4 施工技術應用結果分析

4.1 基礎承臺溫度分布結果分析

在進行基礎承臺大體積混凝土施工技術和裂縫控制分析時，需精準掌握混凝土的溫度分布情況。溫度控制前、后的混凝土最高溫度分布如圖3所示。

由圖3（a）可知，在進行施工溫度控制前，基礎承臺結構的溫度分布不均勻，存在顯著的局部高溫情況，其最高溫度結果達到6.66207e+001，基礎承臺的內外溫差顯著，極易形成溫度裂縫；由圖3（b）可知，通過本文方法對其進行溫度控制后，基礎承臺結構的溫度較為分散，內外溫差相對較小，最高溫度為4.44701e+001。這說明本文方法的控制效果較好，能夠有效調整混凝土施工時內外溫差[5]。

4.2 溫度應力場分析

施工后一、二級承臺的溫度應力場和安全系數結果見表2。

表2 一、二級承臺的溫度應力場和安全系數

由表2 可知，在不同的時間下，一級和二級承臺的應力結果均在允許的應力范圍內，并且安全系數均在1.45以上，最高安全系數達到2.83。說明本文方法具有較好的溫度應力場計算效果，能夠準確掌握混凝土溫度的變化情況，并對混凝土的溫度場進行有效控制，保證其溫度場的應力結果符合要求，提升大體積混凝土的施工質量，可避免發生溫度裂縫。

4.3 大體積混凝土開裂風險計算

為分析本文方法的控制效果，采用混凝土開裂風險系數ψ作為衡量指標，衡量混凝土在最大主拉應力σ(t)和極限抗拉強度ft(t)的比值，其計算公式為：

當ψ結果大于1 時，表示大體積混凝土會發生開裂；如果0.7 ＜ψ＜ 1，則表示混凝土存在開裂風險；ψ結果小于0.7，則表示混凝土不會發生開裂。

通過本文方法控制后，根據公式（10）計算一級承臺和二級承臺開裂風險系數ψ，其結果見表3。

表3 大體積混凝土開裂風險測試結果

由表3 可知，隨著齡期的逐漸增加，一級承臺和二級承臺的ψ均在0.7 以下，其中最高值為0.62。這也說明本文方法具有較好的控制效果，大體積混凝土施工后不會發生裂縫，保證施工質量。

5 結束語

大體積混凝土的施工技術對于施工效果存在直接影響。本文通過研究大體積混凝土施工技術和溫度裂縫控制方法，并通過建立有限元模型對其在實際生產中的應用效果進行分析，分析結果說明：控制大體積混凝土施工過程中的溫度變化，能夠降低大體積混凝土發生溫度裂縫的可能性，能夠有效提升混凝土的施工質量。