AMOUSSOU Ekoe，陳卓異，李傳習(xí)，EZOULA A.Solange

（長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

混凝土凝固過程中存在水化放熱現(xiàn)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(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂，嚴重影響結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。因此，有效控制大體積混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度相當(dāng)重要。

地下主體結(jié)構(gòu)的抗?jié)B要求高，結(jié)構(gòu)厚度大于1 m，需要控制混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差不大于25℃，避免混凝土開裂。而在水化熱-環(huán)境溫度耦合作用下，地下主體結(jié)構(gòu)的溫度場如何分布是防止混凝土開裂的基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)者對澆筑混凝土內(nèi)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(yīng)用過程中，進行混凝土配合比控制的同時，對現(xiàn)澆混凝土進行合理養(yǎng)護，保證養(yǎng)護環(huán)境的溫度和濕度，避免混凝土結(jié)構(gòu)水化熱開裂。王愉康等人[5]結(jié)合理論計算、試配制、微調(diào)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(chǔ)承臺混凝土進行保溫、保濕養(yǎng)護，達到降低混凝土內(nèi)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(guī)律，并提出合適的大體積混凝土表面養(yǎng)護和內(nèi)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(shù)據(jù)結(jié)果，提出跨海大橋承臺混凝土溫度場與施工環(huán)境溫度和混凝土入模溫度的關(guān)系。但是對地下主體結(jié)構(gòu)在水化熱-環(huán)境溫度耦合作用下的溫度場研究不足，影響了地下主體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。為了探索施工環(huán)境溫度對大體積混凝土水化熱的影響規(guī)律，提出有效的溫控方法。本研究以公常路中山大學(xué)深圳校區(qū)段下穿改造工程為背景，擬采用FEA 軟件對不同環(huán)境溫度下的底板進行水化熱模擬，并與自動化監(jiān)測獲得不同施工環(huán)境溫度下的主體結(jié)構(gòu)底板混凝土內(nèi)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(xué)深圳校區(qū)段的下穿改造工程，起點位于光僑路交叉路口西側(cè)，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(jié)構(gòu)混凝土強度為C40 補充收縮砼，抗?jié)B等級為P8。墊層采用C20 混凝土，厚度為10 cm。主體結(jié)構(gòu)防水等級為二級，防水體系包括混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

2 模型建立

2.1 模型參數(shù)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(jié)構(gòu)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(shè)：施工過程中，環(huán)境土體參數(shù)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(shù)為常數(shù)，底板底部為直接接觸土體，斷面環(huán)境溫度為實際環(huán)境溫度的平均值。

本模型根據(jù)實際工程及施工周邊環(huán)境的情況選定計算參數(shù)。由于主體結(jié)構(gòu)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(shù)取20℃。實際工程中，施工環(huán)境溫度隨時間變化。為簡化模型計算，取環(huán)境平均溫度作為施工環(huán)境溫度。斷面1 混凝土澆筑時間為2020 年1 月下旬，根據(jù)當(dāng)時氣候情況，得到底板施工與養(yǎng)護過程中環(huán)境平均溫度為15℃。斷面2 混凝土澆筑時間為2019 年9 月初，環(huán)境平均溫度為30℃?；炷寥肽囟瓤刂圃?0℃，混凝土表面對流系數(shù)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(jié)點，1 465單元。其中，底板混凝土占864 節(jié)點，565 單元；土體占1 332 節(jié)點，900 單元。底板混凝土和土體連接采用共節(jié)點方式；共節(jié)點數(shù)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(jù)混凝土配合比計算混凝土比熱和導(dǎo)熱系數(shù)?？紤]混凝土初始溫度20℃，根據(jù)《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》20℃對應(yīng)的材料熱性能參數(shù)見表1。混凝土導(dǎo)熱系數(shù)及比熱計算見表2。

表1 材料熱性能參數(shù)表Table 1 Thermal performance parameter of material

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

2.2 計算結(jié)果分析

斷面1 距混凝土表面0.65 m 位置對應(yīng)的N236節(jié)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(yīng)的N96 節(jié)點，在澆筑32 h 后，溫度達到最大值33.47℃，最大內(nèi)外溫差值為29.04℃。

斷面2 距混凝土表面0.65 m 位置對應(yīng)的N236節(jié)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(yīng)的N96 節(jié)點，在澆筑25 h 后，溫度達到最大值48.80℃，最大內(nèi)外溫差值為21.51℃。溫度數(shù)據(jù)見表3。斷面1 和斷面2的FEA模型32 h模擬結(jié)果如圖3～4所示。

表3 FEA溫度數(shù)據(jù)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(yīng)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(yīng)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(guān)系如圖5～6所示。

圖5 斷面1混凝土內(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)平臺讀取數(shù)據(jù)。每個斷面共設(shè)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(shù)據(jù)為混凝土表面數(shù)據(jù)，以距混凝土表面0.65 m位置的傳感器數(shù)據(jù)為混凝土中心數(shù)據(jù)。

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

3.2 試驗結(jié)果

斷面1 和斷面2 的混凝土實測溫度與時間關(guān)系如圖8～9所示。

圖8 斷面1混凝土內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)外溫差值為28.4℃。斷面2 混凝土內(nèi)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(nèi)外溫差值為22.5℃。實測溫度數(shù)據(jù)見表4。

表4 實測溫度數(shù)據(jù)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(guī)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(xiàn)回升現(xiàn)象。從圖5～6 中可以看出，混凝土內(nèi)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(nèi)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(huán)境溫度波動的影響。

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

4 結(jié)果分析

實測溫度數(shù)據(jù)與模型變化規(guī)律一致且結(jié)果比較吻合。由斷面1數(shù)據(jù)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(yǎng)護的影響，而實際工程采用覆蓋物進行配合養(yǎng)護，混凝土表面全部覆蓋嚴密，并保持覆蓋物內(nèi)有凝結(jié)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(dǎo)熱系數(shù)為163.29 kJ/（m·h·K）的鋼板作為模板。③本模型中未考慮環(huán)境溫度的波動。④實際工程中，溫度傳感器埋設(shè)的位置與模型對應(yīng)節(jié)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(jié)果或?qū)崪y溫度，混凝土水化熱引起的溫度值在環(huán)境溫度為15℃時往往比環(huán)境溫度為30℃時的小。混凝土最大溫度值與環(huán)境溫度的關(guān)系見表5。

表5 混凝土最大溫度值與環(huán)境溫度的關(guān)系Table 5 Relationship between the maximum temperature of concrete and the ambient temperature ℃

5 結(jié)論

通過實際量測出來的溫度譜與有限元模擬結(jié)果進行對比，得出結(jié)論為：

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

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