拉各斯航站樓獨立基礎大體積水化熱控制研究

李茂達

摘要：基于拉各斯航站樓項目，通過數值模擬手段建立大體積獨立基礎模型，分析混凝土澆筑溫度、養護條件以及粉煤灰摻量對其溫度場的影響。研究結果表明，為了有效控制基礎混凝土中心溫度，粉煤灰摻量范圍應為30%～50%。通過設置XPS板保溫措施能夠有效降低混凝土表面拉應力和內外溫差，避免產生溫差裂縫。提高澆筑溫度會明顯增大基礎混凝土中心溫度，但在澆筑溫度超過25℃后，基礎溫度受澆筑溫度提高的影響較小。不同養護條件下的前期中心升溫速度基本一致，且各養護條件的中心溫度最大值相差較小，但當溫度下降時不同養護條件下的溫降速度差別較大。

關鍵詞：大體積基礎；水化熱；數值模擬；澆筑溫度；溫差裂縫

0? ?引言

在混凝土施工過程中，因為水泥水化反應會產生大量的熱量，使得混凝土內部溫度迅速提高，進而引發一系列問題，如裂縫、強度降低等，因此對基礎大體積混凝土水化熱的有效控制顯得尤為重要，這也是當前眾多學者研究的熱點[1-2]。

付婷婷等[3]以某商業筏板基礎工程為例，計算了工程中大體積混凝土的溫度，并提出了相應的養護方案。胡桂海[4]借助有限元軟件，通過數值模擬的方式對大體積混凝土澆筑施工過程里的溫度變化進行了模擬，并提出大體積混凝土溫度控制方案。陳聰等[5]結合工程特點，提出了相應的大體積混凝土溫度裂縫控制方案。

本文基于尼日利亞拉各斯航站樓項目，通過數值模擬手段建立大體積獨立基礎模型，分析了混凝土的澆筑溫度、養護條件以及粉煤灰摻量對其溫度場的影響。

1? ?項目概況

拉各斯機場航站樓項目建筑面積49000m2左右，建筑高度為28.325m，共4層，其中一層主要用于行李處理、辦公室、設備間；二層主要用于進港、行李提取、海關、銀行等；三層主要用于售票、值機、離港、免稅店；四層主要為酒店。

獨立基礎為航站樓基礎結構形式，現澆鋼筋混凝土框架結構為其主體結構形式，鋼結構為其屋蓋結構形式。地基場地類別Ⅲ類，基礎設計等級乙級，厚度為50mm。對于其獨立基礎的施工，難點在于大體積混凝土澆筑質量和裂縫控制，基礎所用混凝土強度等級為C25。

2? ?基礎澆筑過程的模擬

2.1? ?參數選擇

結合拉各斯當地氣溫來選擇基礎大體積混凝土溫度場數值模擬的各項材料參數，具體見表1。空氣和混凝土對流系數取49.347W/（m2·K），鋼模板對流系數取48.187W/（m2·K），空氣與地基對流系數取52.944W/（m2·K）。

2.2? ?建立基礎模型

工程中所用大體積柱下獨立基礎大小為8m×8m×3m。根據上述相關參數建立有限元模型，并且設置厚度為1m的土基來對基礎底部的傳熱過程進行模擬。模型共有10480個單元和12630個節點，模型下部為地基，上部為基礎。

3? ?影響溫度場和溫度應力因素分析

導致混凝土出現裂縫的主要原因是溫度應力作用在混凝土表面，使其產生的拉應力大于自身的極限抗拉強度，從而出現裂縫?；炷恋臐仓囟?、養護條件、混凝土配合比等都會對其溫度場變化造成影響。與此同時，混凝土是否會形成溫度裂縫，主要通過其表面拉應力、內表溫差和中心溫度峰值來進行判斷。

所以根據已建立的有限元模型，將基礎頂部中心部位的拉應力、內表溫差以及基礎中心溫度，作為指標來分析混凝土澆筑溫度、養護條件、混凝土配合比對大體積基礎的影響。

3.1? ?粉煤灰摻量的影響

不采取保溫措施，并設置澆筑溫度為20℃，參考配合比對模擬參數進行調整，分別模擬30%、40%、50%、60%這4種粉煤灰摻量下混凝土基礎的溫度場變化趨勢，各粉煤灰摻量下基礎中心溫度變化趨勢、內表溫差變化趨勢和表面拉應力變化趨勢分別如圖1、圖2和圖3所示。

綜合分析圖1至圖3能夠看出，基礎中心最高溫度在粉煤灰摻量為30%時的值為67℃，當粉煤灰摻量增大到60%時，基礎中心最高溫度減小到55.54℃。內表溫差在粉煤灰摻量為30%時的值為39.14℃，當粉煤灰摻量增大到60%時，內表溫差減小到28.93℃。表面最大拉應力在粉煤灰摻量為30%時的值為4.75MPa，當粉煤灰摻量增大到60%時，表面最大拉應力減小到3.47MPa。據此能夠看出隨著粉煤灰摻量的增加，3項指標均呈現為逐漸降低的趨勢。

同時能夠發現，基礎中心溫度在粉煤灰摻量范圍處于30%～50%之間時變化較為明顯，而溫度變化幅度在粉煤灰摻量超過50%時逐漸減小，所以為了有效控制基礎混凝土中心溫度，粉煤灰摻量范圍應為30%～50%。在理論上，主要由于粉煤灰的火山灰反應較遲鈍，在初始水化反應階段釋放出的熱量較少，所以在混凝土中加入粉煤灰能夠顯著減小混凝土的水化熱，避免混凝土表面產生溫度裂縫。

3.2? ?混凝土養護條件的影響

在澆筑溫度為20℃、粉煤灰含量為30%時，分別對進行3cmXPS板保溫、2cm土工布保溫和裸露養護3種保溫措施下基礎溫度場的變化趨勢進行模擬，模擬時通過改變對流系數來滿足不同的保溫工況。在各保溫條件下，基礎中心溫度變化趨勢、內表溫差變化趨勢和表面拉應力變化趨勢分別如圖4、圖5和圖6所示。

綜合分析圖5至圖7能夠看出，3種養護條件下的前期中心升溫曲線基本重合，中心溫度最大值范圍為67.43～69.29℃，三者相差較小。但當溫度下降時，3種養護條件下的溫降速度差別較大，降溫速度最大的是表面裸露養護條件，達到1.85℃/h；降溫速度最小的是XPS板保溫，達到1.05℃/h。

同時能夠看出，表面拉應力和內表溫差變化較為明顯，5.09MPa和39.86℃分別為裸露養護時的最大拉應力和最大內表溫差。與其相比，XPS板保溫和土工布保溫時的表面最大拉應力分別減小2.37MPa和2.01MPa，最大內表溫差分別減小19.62℃和15.12℃，但裸露養護下基礎的內表溫差在澆筑時間超過180h后，反而小于另外兩種保溫條件下的值。

由此能夠得出，通過設置合理的外保溫措施，能夠在一定程度上減小基礎混凝土表面拉應力和內外溫差，有助于控制混凝土裂縫的產生和發展。但要注意的是，要對保溫時間進行合理地控制，當混凝土內外溫差將要到達臨界值時撤去外保溫措施，提高基礎內外溫度的降低速度。

3.3? ?混凝土澆筑溫度的影響

不進行外保溫措施，將混凝土粉煤灰含量設置為30%時，對模型的初始溫度進行調整，分別對澆筑溫度在35℃、30℃、25℃、20℃和15℃時基礎的溫度場變化趨勢進行模擬，各溫度下基礎中心溫度變化趨勢、內表溫差變化趨勢和表面拉應力變化趨勢分別如圖7、圖8和圖9所示。

綜合分析圖7至圖9，能夠看出，當提高澆筑溫度時，基礎中心溫度、內表溫差和表面拉應力均有所提高，基礎中心最高溫度在澆筑溫度為15℃時的值為59.32℃，在澆筑溫度提高至25℃時為66.09℃，增大了6.77℃；而中心最高溫度在澆筑溫度從25℃升增大至35℃時僅提高了2.12℃。

這表明澆筑溫度的增大，會在一定程度上提高混凝土中心溫度。但在澆筑溫度超過25℃后，基礎溫度受澆筑溫度提高的影響較小，并且基礎前期溫度增大速度會隨著澆筑溫度的增大而增大。

觀察基礎內表溫差變化趨勢和表面拉應力變化趨勢，發現同樣存在此現象。在澆筑溫度15℃提高到35℃時，內表溫差和中心溫度最大值提前了40h，表面拉應力最大值增大了0.32MPa，內表溫差最大值從30.79℃增大至38.61℃。

通過上述分析可知，在高溫度地區，為了有效控制基礎混凝土中心溫度，粉煤灰摻量應設置在30%～50%之間。同時可通過設置XPS板保溫措施，來降低基礎混凝土表面拉應力和內外溫差，避免產生溫差裂縫，但要注意合理控制保溫時間。

4? ?結束語

本文以拉各斯航站樓項目為研究對象，通過有限元軟件建立大體積獨立基礎模型，分析了不同因素對其中心溫度、內表溫差、表面拉應力的影響，主要得出以下結論：

基礎中心溫度在粉煤灰摻量范圍處于30%～50%之間時變化較為明顯，而溫度變化幅度在粉煤灰摻量超過50%時逐漸減小，所以為了有效控制基礎混凝土中心溫度，粉煤灰摻量范圍應為30%～50%。

通過設置XPS板保溫措施能夠在一定程度上減小基礎混凝土表面拉應力和內外溫差，有助于控制混凝土裂縫的產生和發展。但要注意的是，要對保溫時間進行合理地控制，當混凝土內外溫差將要到達臨界值時，應撤去外保溫措施，提高基礎內外溫度的降低速度。

當提高澆筑溫度時，基礎中心溫度、內表溫差和表面拉應力均有所提高，但在澆筑溫度超過25℃后，基礎溫度受澆筑溫度提高的影響較小。

參考文獻

[1] 查進，葛新民，曾艷，等.野三河大橋主墩底座高強大體積混凝土防裂施工技術[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2007（6）：1006-1009.

[2] 俞亞南，張巍，申永剛.大體積承臺混凝土早期表面開裂控制措施[J].浙江大學學報（工學版），2010，44（8）：1621-1628.

[3] 付婷婷，江鋒，姚成.筏板基礎大體積混凝土的溫度計算及養護措施[J].石材，2023，389（7）：93-95.

[4] 胡桂海.大體積混凝土承臺溫控設計與現場應用效果研究[J]科學技術創新，2023（17）：159-162.

[5] 陳聰，孫冬，楊春峰，等.低溫條件下大體積混凝土溫控與防裂措施[J].水泥工程，2023，.214（3）：91-94.