水化热分析.docx

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水化热分析

第一章设计说明

第二章大体积混凝土承台水化热有限元分析

2.1概论

2.1.1大体积混凝土定义

目前国际上对大体积混凝土仍无一个统一的定义。

就如美国混凝土学会的定义：

任何就地现浇的混凝土，其尺寸到达必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂的，称之为大体积混凝土。

又如日本建筑学会对大体积混凝土的标准定义：

结构断面最小尺寸在80cm以上；水热化引起混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过25℃的混凝土。

而我国《大体积混凝土施工规范》认为，混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土属于大体积混凝土。

由以上可见，大体积混凝土主要是依靠结构物的断面尺寸和水化热引起的温度变化来定性的。

2.1.2大体积混凝土温度裂缝成因

施工期间水泥的水化热作用，在其浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段。

大体积混凝土自身有一定的保温性能，因此在升温期其内部温升幅度较其表层的温升幅度要大得多,而在降温期内部降温速度又比其表层慢得多,在这些阶段中，混凝土各部分的温度变形及由于其相互约束及外界环境温度约束的作用，在混凝土内产生的温度应力是相当复杂的。

由于混凝土的抗拉能力比较弱，一旦温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时，混凝土就会出现裂缝。

因此必需掌握其水化热的变化规律，从而为混凝土配合比的修改及养护方案的制定提供依据。

2.1.3本章研究的主要内容

（一）利用MADIS有限元软件建立大体积混凝土承台模型，并对其进行仿真水化热计算。

（二）对其水化热进行参数分析。

2.2承台仿真分析

2.2.1工程基本概况

松柏山水库特大桥位于松柏山水库上游，为贵安新区黔中大道（三期）道路工程的一个控制性桥梁。

左、右幅主桥均采用100+180+100m（桥梁中心线对应跨径）变截面预应力混凝土连续刚构桥，墩顶梁高12.0m，跨中梁高4.2m，采用挂篮悬浇施工。

其主墩承台为C30混凝土，每个承台设置5层冷却管，承台尺寸为17.1m×17.1m×5m，属于典型的大体积混凝土结构，主墩承台构造简图如下。

图2.2.1主墩承台平面、立面示意图（单位：

cm）

2.2.2基本计算数据

物理特性

构件位置

承台

地基

比热（kcal/kg℃）

0.25

0.2

容重（KN/m3）

25

18

热传导率（kcal/mh℃）

2.3

1.7

对流系数（kcal/m2h℃）

12

12

大气温度（℃）

20

--

浇注温度（℃）

20

--

28d抗压强度（MPa）

30

--

强度发展系数（ACI）

a=4.5b=0.95

--

28d弹性模量（KN/m2）

3×107

2.2×107

热膨胀系数

1.0×10-5

1.0×10-5

泊松比

0.18

0.2

单位体积水泥用量（Kg/m3）

300

--

2.2.3模型的建立

由于承台模型具有对称性，取1/4模型进行建模和分析，既可以提高建模速度、缩短分析时间，又方便查看内部温度分布及应力发生状况。

为了模拟混凝土的热量传递给地基的情况，将地基模拟成具有一定比热和热传导率的结构；为了更准确的反应结构内部的温度、应力变化，分割单元时适当细分。

建模时在地基基础施加位移约束，在混凝土表面施加对流边界和环境温度条。

1/4三维模型共计节点6490个、单元5356个，采用实体单元，如图2.2.2所示。

图2.2.21/4承台三维立体模型图（上层为承台，下层为地基基础）

2.2.4计算工况与计算结果

（1）工况1：

一次性浇筑，不布设冷却管。

（2）工况2：

按照设计文件布设冷却管。

以下给出代表性温度场、应力场计算结果（图2.2.3~2.2.10），分两种工况给出。

图2.2.3工况1承台内部中心节点温度时程曲线

图2.2.4工况2承台内部中心节点温度时程曲线

图2.2.5工况1承台内部中心节点应力时程曲线

图2.2.6工况2承台内部中心节点应力时程曲线

图2.2.7工况1承台内部水化热温度场云图（60h）

图2.2.8工况2承台内部水化热温度场云图（60h）

图2.2.9工况1承台内部水化热温度场云图（170h）

图2.2.10工况2承台内部水化热温度场云图（170h）

由上述计算结果简要分析如下：

（1）未布设冷却管时，承台内部最高水化热温度达66.6℃，持续时间长；而布设冷却管后承台内部最高水化热温度为53.1℃，相比之下降低了13.5℃，且持续时间较短。

（2）未布设冷却管时，由于水化热温升较高，导致其温度应力超过混凝土即时的材料强度，如不采取防裂措施，混凝土会产生温度裂缝；而布设冷却管时，相比下温升较低，导致其温度应力小于混凝土即时的材料强度，混凝土不会开裂。

（3）采用预埋冷却管方式施工，可以较好的降低水化热温度，减小混凝土内表面温差，有效的防止温度裂缝的产生，但应做好养护措施。

2.2.5实测值与理论计算值对比分析

选取松柏山水库特大桥右幅8#主墩承台内部中心点进行分析。

现场对右幅8#主墩承台进行了连续14天的观测，承台混凝土内部温度通过预埋温度传感器测试，大气温度、承台表面温度及冷却管进出水口温度采用点式温度计观测。

承台中心温度实测值与理论值对比图如下。

图2.2.11中心测点实测值与计算结果相比

从图2.2.11可看出，计算结果最高温度为53.1℃，出现在混凝土浇筑后60h；现场实测最高温度为53.2℃，出现在混凝土浇筑后64h；由于现场环境突变等因素的影响，两者曲线不可能完全一致，但计算温度曲线与实测温度曲线发展趋势相同，并且绝大部分测点计算结果与实测值相差不超过2℃。

因此，承台仿真分析具有一定参考性和可靠性。

2.3水化热参数分析

除了上述有无冷却管施工对水化热有影响外，还有很多因素与大体积混凝土的水化热密切相关，如内部因素有水泥类型、用量等，外部因素有入模温度、冷却管水温等。

以上述承台为分析模型，运用MADIS有限元软件对影响水化热的主要参数进行分析。

2.3.1水泥类型与用量

水泥是水化热产生的根本原因，分别采用普通硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、高早强硅酸盐水泥、高炉矿渣水泥、粉煤灰水泥这5种水泥进行定量分析；分别取水泥用量300kg、325kg、350kg、375kg、400kg进行定量分析。

取承台内部最大温升进行比较，分析结果见下图。

图2.3.1水泥类型与水泥用量温升曲线

由图2.3.1可知，在其余因素不变，只改变水泥用量的情况下，混凝土的最大温升与水泥用量成正比。

温升最大的高早强硅酸盐水泥在水泥用量300kg时承台中心点温升45.4℃，水泥用量达到400kg时承台中心点温升59.2℃，差别达13.8℃，每增加25kg水泥用量承台中心点温升3.5℃；温升最小的中热硅酸盐水泥在水泥用量300kg时承台中心点温升30℃，水泥用量达到400kg时承台中心点温升39.5℃，差别达9.5℃，每增加25kg水泥用量承台中心点温升2.5℃。

由图2.3.1可知，在其余因素不变，只改变水泥品种的情况下，使用低热品种水泥比使用高热品种水泥的最大温升要小很多。

同样水泥用量为300kg的情况下，使用中热硅酸盐水泥其承台中心点温升30℃，而使用高早强硅酸盐水泥其承台中心点温升45.4℃，两者温升差值较大。

由以上可知，混凝土的绝热温升与水泥的用量成正比，而且不同水泥品种对混凝土水化热影响很大。

因此，在满足混凝土设计强度的前提下，水泥应采用低热水泥并尽量减少水泥用量，可适当掺入粉煤灰等活性矿物外加剂，以此来降低水化热，防止温度裂缝的产生。

2.3.2入模温度

混凝土入模温度也称浇注温度，是混凝土水化热温升的基础。

在其它条件不变的情况，分别改变入模温度10℃、20℃、30℃，运用迈达斯分析运行求得3种入模温度下的承台内部最高温度，结果见下图。

图2.3.23种入模温度下的温度峰值变化曲线

由图2.3.2可看出，入模温度越高，中心温度值也越高。

30℃下的入模温度温升比10℃下的入模温度温升高10.5℃。

由以上可知，混凝土入模温度越高，它的热峰值也必然越高，对结构内表面温差的影响也越大。

因此，有效降低入模温度，对控制混凝土最高温升，减小结构内表面温差起着至关重要的作用，但混凝土入模温度最低不宜低于5℃，在5℃下水泥的水化热将停止反应，混凝土强度将不会增加，所以在冬季施工时混凝土应加入防冻剂。

结合理论与现场实际观测，入模温度控制在15~20℃较好。

2.3.3冷却管水温

在布设冷却管施工的情况下，冷却管水温对承台水化热也有一定程度的影响。

取冷却管水温18~30℃，在其它因素不变的条件下，运用迈达斯软件分别进行运行分析，其承台内部峰值变化结果见下图。

图2.3.3不同冷却水温作用下的温度峰值变化曲线

由图2.3.3可见，管冷温度在18~30℃下的内部温差可达3℃，每增加2℃冷却管水温，其承台内部峰值增大0.5℃。

因此，冷却水温越低，其承台内部峰值越低，温控效果越好。

但水温不宜过底，冷却水温越低其冷却水温与内部混凝土温差也越大，导致水管周围的拉应力也越大，当拉应力超过内部混凝土容许应力时，承台内部将会产生裂缝。

通过现场对主墩承台观测的实际情况来看，进水口水温在25℃左右时，承台内部降温速率变得有所缓慢，结合理论与现场实际可以得出，冷却水温保持在15℃左右时温控效果较好。

2.3.4大气温度

不同季节浇筑混凝土，其大气温度是不同的。

分别选取5℃和30℃下的环境温度，运用迈达斯软件进行承台温度分析，分析结果见图2.3.4~2.3.5。

图2.3.4大气温度为5℃下的中心温度与表面温度变化曲线

图2.3.5大气温度为30℃下的中心温度与表面温度变化曲线

由图2.3.4可看出，大气温度在5℃时，承台内部峰值为53.1℃，承台内表面温差最大达到39℃，远远超过了规范所规定的25℃。

由图2.3.5可看出，大气温度在30℃时，承台内部峰值为53.2℃，承台内表面温差最大为19℃，低于规范所规定的25℃。

由以上可得，大气温度对混凝土水化热峰值影响很小，但对混凝土内外温差有很大的影响。

环境温度越低，混凝土表面温度越低，内外温差越大，当内外温差超过规范值时，结构将会产生表面裂缝，其耐久性会受到损害。

因此，在寒潮等温度较低的天气，应采取措施保温覆盖。

2.4结论

本章通过MADIS有限元仿真分析计算和现场实测研究了桥梁大体积混凝土承台的水化热，得到如下结论：

（1）仿真分析计算可以较好的预测水化热的实际发展规律，对指导大体积混凝土的温控和防裂措施具有重要意义。

（2）影响大体积混凝土水化热的因素分为主动因素和被动因素，其中主动因素包括水泥的品种与用量，决定着水化热的变化规律；被动因素包括入模温度、冷却管布置、冷却水温等，在一定程度上影响着水化热的发展。

（3）理论和实践表明选择低水化热的水泥品种，同时采取优化混凝土配合比、掺入粉煤灰等措施减少水泥用量，是从根本上降低水化热温度的措施。

（4）在大体积混凝土内部预埋冷却管，通过管冷作用降低水化热温度；降低混凝土的浇筑温度，选择气温较低的时候浇筑混凝土；混凝土浇筑完毕后，注意对混凝土加以覆盖并保湿养护。

（5）总而言之，合理有效的大体积混凝土温控方案和施工措施，是防止大体积混凝土在水化热过程中产生裂缝的重要保证。

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