賀永良

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津市 300350）

1 引言

隨著不斷增大的建筑規(guī)模，大體積混凝土逐漸得到廣泛應(yīng)用。但隨之大體積混凝土的溫升問題逐漸突出［1］。從現(xiàn)有事故可以看出，若無法采取有效措施在施工階段控制住混凝土溫升，會(huì)使得建筑在運(yùn)營(yíng)前就會(huì)有溫度裂縫大量出現(xiàn)，存在較大的安全隱患。因此，在確保施工質(zhì)量的前提下，應(yīng)首先考慮混凝土的裂縫控制。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)關(guān)于大體積混凝土溫升控制的研究尚較為滯后，不具備完善的規(guī)范要求。實(shí)際項(xiàng)目若有裂縫出現(xiàn)往往都是通過工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解決，沒有理論依據(jù)可以作出有效地指導(dǎo)［2］，因此，還需進(jìn)一步深入對(duì)大體積混凝土溫升控制的研究。

2 有限元分析

從現(xiàn)有研究可以知道，通過混凝土的分層澆筑使各層溫升和峰值有所降低是控制大體積混凝土溫升的關(guān)鍵所在。因此在優(yōu)化施工方案時(shí)可以從以下兩個(gè)角度進(jìn)行探討：將高效緩凝減水劑摻入混凝土進(jìn)行拌和，確?；炷劣?h-10h的初凝時(shí)間［3］，提高初凝時(shí)間以使分層澆筑的混凝土?xí)r間間隔有所延長(zhǎng)；在施工條件允許時(shí)，使所澆筑的混凝土分層數(shù)目盡可能增加，一般情況下各層混凝土的厚度應(yīng)在0.5m以下。

基于方案的控制思想，分層澆筑混凝土。確保各層混凝土的厚度控制在0.5m，以五層以上劃分2.5m厚度的混凝土基礎(chǔ)底板，分別模擬五、六和七層澆筑時(shí)的工況?；诨炷翍?yīng)具有8-10h的初凝時(shí)間的考慮，以8h和10h的時(shí)間間隔澆筑兩層混凝土［4］。

以數(shù)值模擬的方式對(duì)各施工方案進(jìn)行分析，不同方案重點(diǎn)在于不同澆筑層數(shù)和時(shí)間間隔產(chǎn)生的混凝土核心處溫度升高值、溫度降低速率、混凝土核心處的溫度和表面溫度的差值、混凝土表面溫度和大氣溫度差值的變化趨勢(shì)有所不同，對(duì)不同點(diǎn)進(jìn)行分析為混凝土澆筑時(shí)各澆筑層數(shù)和時(shí)間間隔的取值提供參考［5］。所建立模型尺寸為30×25×2.5m，具體如下圖1所示。在進(jìn)行大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工溫升條件下的變化時(shí)，本文采用的是Loland損傷模型。

圖1 有限元模型

2.1 方案一

對(duì)各層混凝土澆筑完之后的局部縱剖面溫度變化情況進(jìn)行分析，結(jié)果如下圖2所示。限于篇幅，僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖2 混凝土局部縱剖面圖

從結(jié)果可知，隨著不斷增加的澆筑時(shí)間間隔，各層溫度峰值均相應(yīng)出現(xiàn)增長(zhǎng)，原因在于水泥水化初期有最為劇烈的放熱，各層澆筑間隔增長(zhǎng)之后，水泥水化可以更加充分的開展，因此表現(xiàn)為各層溫度峰值有所增加。雖然各個(gè)溫度峰值有所增長(zhǎng)，但因?yàn)槠渖媳砻嬗休^長(zhǎng)時(shí)間暴露于空氣之中，散失了更多的熱量，因此相比之下上表面溫度幾乎沒有變化。

提取隨著時(shí)間變化混凝土溫度的變化情況，具體如下圖3所示。因假定水平方向沒有出現(xiàn)熱傳遞，故除去邊緣位置，其他部位有和中心點(diǎn)一樣的溫度。

圖3 方案一 各層中心點(diǎn)溫度變化曲線

對(duì)比混凝土在未采取控制措施之前的溫度上升情況可知，方案一中各層混凝土的溫度有所下降，中心（第三層）溫度更有1.5℃的峰值下降。分析其原因可知：混凝土表面在澆筑的間隔時(shí)間內(nèi)直接接觸大氣，大氣直接吸收混凝土水泥水化熱反應(yīng)所產(chǎn)生的水化熱，導(dǎo)致其熱量出現(xiàn)損失，使得中下部熱量散熱歷程有所縮短，避免了混凝土內(nèi)部積蓄熱量。

2.2 其他方案組

方案二模擬分析結(jié)果如下圖4所示。因混凝土澆筑體在不同時(shí)間段的溫度場(chǎng)有和方案一基本一致的變化情況，因此將不再列出數(shù)據(jù)圖，而直接給出分析結(jié)果。

圖4 方案二 混凝土各層的溫度變化情況

從結(jié)果可以看出，按照五層劃分混凝土的分層澆筑層數(shù)且以10h作為澆筑時(shí)間間隔時(shí)，各層溫度峰值約有3.5℃的下降，且各層溫度峰值在越長(zhǎng)的時(shí)間間隔里越低，越晚出現(xiàn)峰值。

在方案三和方案四中，均是將混凝土分成六層進(jìn)行澆筑，方案三有8h的澆筑時(shí)間間隔，方案4有10h的澆筑時(shí)間間隔。從方案三的模擬結(jié)果可以看出，因增加了澆筑層數(shù)而降低了澆筑高度，導(dǎo)致各層混凝土的澆筑高度有所減小，所需的混凝土量也相應(yīng)降低，因此水泥水化反應(yīng)中釋放的熱量也有所降低，相比于方案一，方案三在完工后的溫度峰值較小。

將方案三和方案四與前面兩組方案進(jìn)行對(duì)比可知，各層溫度峰值在澆筑間隔時(shí)間相同的情況下有所減小，且出現(xiàn)時(shí)間較晚。因混凝土分層數(shù)有所增加，導(dǎo)致澆筑時(shí)間間隔增加后有更加明顯的效果，在完成澆筑的三天之后才有溫度峰值出現(xiàn)，中心層的溫度峰值約有4℃及以上的降低。

在取得所有方案的溫度變化情況之后，即可對(duì)澆筑層數(shù)不同時(shí)，在澆筑時(shí)間間隔一致條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比?？芍?，頂層和底層溫度峰值在六層的澆筑層數(shù)下約有1.8℃的減少，在七層時(shí)約有4.1℃的減小，而在中心層施工時(shí)的溫度峰值減小較少。原因在于每層澆筑高度隨著不斷增加的層數(shù)而不斷降低，所需混凝土有所降低，水泥水化反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的水化熱也就隨之減少，溫度峰值減小，但中心層和環(huán)境的熱交換有著最低的頻率，在完成混凝土的澆筑之后仍然有大量水化熱產(chǎn)生，而該部分水化熱難以散失。

對(duì)比澆筑層數(shù)和時(shí)間間隔均不同的情況可知，各層溫度峰值在分層進(jìn)行澆筑之后有顯著減小，且出現(xiàn)的時(shí)間也較晚。方案六有最為明顯的溫度峰值降低幅度，約在8.5℃以上，且滿足大體積混凝土溫度升高的有關(guān)規(guī)范要求。

基于工程經(jīng)驗(yàn)可以知道，在澆筑完成大體積混凝土之后即使不對(duì)其進(jìn)行覆蓋，也必須通過噴水養(yǎng)護(hù)的方式處理其表面，避免表面出現(xiàn)過度的水分蒸發(fā)，從而有脫水現(xiàn)象出現(xiàn)。若水泥顆粒已經(jīng)有凝膠體形成，則其需要有大量的水分補(bǔ)充以持續(xù)開展水泥水化反應(yīng)。此時(shí)混凝土表面缺水而導(dǎo)致其無法繼續(xù)開展水化反應(yīng)，無法提升水泥顆粒的黏結(jié)力，因此混凝土出現(xiàn)大量的表面脫落。此外，在剛完成混凝土的澆筑施工時(shí)，混凝土強(qiáng)度還未發(fā)展充分，過多的水分散失將導(dǎo)致其提前出現(xiàn)溫度裂縫問題。

綜上分析，在澆筑大體積混凝土?xí)r，越長(zhǎng)的澆筑間隔和越多的施工層數(shù)下，混凝土就有越低的溫升；在完成澆筑后應(yīng)通過噴水的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以使溫度峰值和混凝土與外界的溫度差均有所降低，避免出現(xiàn)溫度裂縫，因此在完成大體積混凝土的澆筑之后需及時(shí)開展噴水養(yǎng)護(hù)。若現(xiàn)場(chǎng)條件允許，則可采用增加澆筑時(shí)間間隔以及施工層數(shù)的方式使溫升有所降低，以使混凝土內(nèi)外表面的溫度差有所降低，確保施工的良好效果。

3 溫升控制方案在工程中的實(shí)施

3.1 測(cè)試方案

以某大體積混凝土的澆筑施工為研究背景，該施工場(chǎng)地白天約有19℃的最高氣溫，夜間約有8℃的最低氣溫。從現(xiàn)場(chǎng)溫度環(huán)境上看，該大體積混凝土的澆筑溫度與上文模擬的溫度較為接近，但模擬分析時(shí)的取值較低。在施工方案制定時(shí)，依據(jù)與前文的模擬結(jié)果，基于現(xiàn)場(chǎng)條件作出調(diào)整。

在綁扎完基礎(chǔ)底板的鋼筋之后，為有效了解混凝土在澆筑后的溫升性能，將測(cè)溫點(diǎn)以梅花形設(shè)置到各個(gè)區(qū)塊中，并在各個(gè)區(qū)塊中心、四角位置設(shè)置溫度傳感器，其余位置則進(jìn)行均勻布置。各個(gè)測(cè)溫點(diǎn)保持在20m以下的水平間距，且各測(cè)點(diǎn)中均布置三個(gè)傳感器。頂板和底板位置所設(shè)置的測(cè)溫器均與上下面有100mm的距離，在閥板厚度中心位置設(shè)置中間傳感器，對(duì)稱布置測(cè)溫器的方式可有效確保數(shù)據(jù)的合理性。具體如下圖5所示。

圖5 測(cè)溫傳感器縱向布置示意圖

在混凝土澆筑時(shí)，要避免測(cè)點(diǎn)在振搗過程中被破壞。該項(xiàng)目在澆筑混凝土施工時(shí)以分區(qū)塊進(jìn)行，各區(qū)塊的混凝土均分成五層進(jìn)行澆筑，在下層混凝土完成初凝之前即可進(jìn)行第二層混凝土的澆筑，各層混凝土需進(jìn)行6h的施工，各區(qū)塊約有34h的施工時(shí)間?；A(chǔ)混凝土全部施工完需要約12天的時(shí)間。

澆筑完各區(qū)塊后，應(yīng)及時(shí)開展養(yǎng)護(hù)，將有著良好吸水性的毛氈覆蓋到其表面，并確保毛氈長(zhǎng)時(shí)間保持潮濕。以一小時(shí)為間隔進(jìn)行溫度測(cè)量，并進(jìn)行記錄。將數(shù)值模擬結(jié)果和溫度計(jì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以對(duì)模擬的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

通過移動(dòng)式測(cè)溫儀對(duì)溫度傳感器的溫度信息進(jìn)行測(cè)量。測(cè)溫時(shí)間一般應(yīng)保持在7d及以上。

3.2 方案評(píng)價(jià)

圖6 各層中心點(diǎn)溫度變化情況

從結(jié)果上看，中心層有約55℃的最高溫度，且其和表面層的溫度差約為18℃，與大氣溫差約為22℃，但混凝土上表面沒有直接接觸大氣，上表面覆蓋層有較高的下部溫度，其與混凝土上面層的溫度差有效的控制在允許范圍內(nèi)，不會(huì)因?yàn)檩^快的表面散熱而有收縮等情況出現(xiàn)。

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到測(cè)點(diǎn)溫度之后，將其和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若有異常時(shí)及時(shí)作出反饋，并對(duì)原因進(jìn)行分析以開展治理措施。若相比于模擬溫度，表面溫度較低時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)上覆蓋層沒有有效覆蓋而出現(xiàn)較快的散熱，導(dǎo)致表面有過快的降溫情況，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)亟档突炷帘砻婧秃诵奈恢玫臏囟炔睿蝗艋炷帘砻嬗羞^高的溫度，應(yīng)進(jìn)行降溫；若混凝土核心區(qū)出現(xiàn)較低的溫度，則原因可能在于模型中的模擬條件和現(xiàn)場(chǎng)的施工條件出現(xiàn)偏差，雖然不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成太大的影響，但仍需對(duì)原因進(jìn)行檢查；若中心出現(xiàn)過高的溫度，應(yīng)及時(shí)對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)整或變化外加劑種類以及數(shù)量。對(duì)比實(shí)測(cè)溫度和模擬溫度，所得結(jié)果如下表1所示。限于篇幅，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 中心上層測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)比結(jié)果可知：

（1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試溫度有56.6℃的最大溫度，有9.1℃的內(nèi)外溫差最大值，整體上澆筑降溫速率在2℃/d以下，說明大體積混凝土的溫升被其基礎(chǔ)上表面保溫層有效控制住，使混凝土基礎(chǔ)內(nèi)外溫度差有所減小，有效避免溫度裂縫的出現(xiàn)。因存在保溫層，使得基礎(chǔ)上表面散熱有所降低，溫度峰值出現(xiàn)在基礎(chǔ)上層，且在完工后的1天到2天左右出現(xiàn)。因基礎(chǔ)底面直接接觸地基，因此溫度變化較小。該種情況與上文模擬結(jié)果基本一致。

（2）從分析結(jié)果的相對(duì)誤差中可以看出，相對(duì)誤差在5%以上的僅有兩組數(shù)據(jù)，表明有著較為成功的仿真結(jié)果。在剛完成澆筑時(shí)有較大的數(shù)據(jù)誤差，原因在于混凝土在實(shí)際上的水泥水化放熱與公式計(jì)算存在一定的差異，理論難以完全與水泥水化放熱情況相吻合，僅可反映放熱的峰值與整體上的變化情況。施工方案和仿真模型有一定差異。實(shí)際施工時(shí)，使用的是一次性澆搗的方式施工大體積混凝土，在一定的坡度下分層進(jìn)行澆筑，并一次澆筑完工。該種澆筑方式能夠有效避免混凝土的水化熱，使水化熱高峰有所減小，散熱更快。但在仿真分析時(shí)，采用的是平層澆筑的方式對(duì)分層澆筑進(jìn)行模擬，沒有坡度形成，使得出現(xiàn)溫度峰值的時(shí)間有一定偏差。氣溫在混凝土澆筑時(shí)是處于時(shí)刻改變的，沿海路段在秋季時(shí)有較大的晝夜溫差以及較大的濕度，不同的溫度條件下有不同的混凝土基礎(chǔ)散熱情況，但模型中的大氣溫度是保持不變的，在該種情況下就會(huì)有誤差出現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)混凝土攪拌時(shí)會(huì)有一定的質(zhì)量損失，導(dǎo)致其和模型中所設(shè)定的配合比有所區(qū)別，此外，模型中的大氣溫度、測(cè)溫讀數(shù)等均會(huì)有一定的誤差。

（3）對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)值可以發(fā)現(xiàn)，不同測(cè)點(diǎn)有基本一致的溫度變化情況，即均為先上升后下降。在模擬時(shí)雖然有誤差存在，但變化規(guī)律與實(shí)際基本一致，且誤差均在允許范圍。說明復(fù)合式水泥水化熱計(jì)算公式能夠較好符合水化放熱的實(shí)際情況，可在理論計(jì)算中進(jìn)行應(yīng)用。

4 結(jié)語

模擬分析了大體積混凝土在采取了控制措施之后的溫升情況，得到大體積混凝土的溫升規(guī)律，對(duì)與標(biāo)準(zhǔn)要求不符的情況進(jìn)行了施工工藝和覆蓋方式等方面的優(yōu)化，確保大體積混凝土在施工可符合要求，為制定施工方案提供理論參考。對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果可知，兩者誤差均小于5%，說明分層澆筑等方式可以有效控制混凝土的施工溫升。