大体积混凝土质量控制(共12页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上大体积混凝土质量控制摘要：随着时间的延长，混凝土的内部的水化热逐步散失，温度下降，内部混凝土产生冷缩，引起冷收缩应力，因此，对大体积混凝土工程，必须尽量减少混凝土发热量，控制混凝土的内部温度，才能控制其产生的温度应力，避免出现大体积混凝土的裂缝开展问题关键词：大体积混凝土；水化热；温度应力；有限元仿真；在桥梁墩台的施工之中，根据JGJ55-2000 普通混凝土配合比设计规程上，定义大体积混凝土为：混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。混凝土硬化初期，由于水泥水化放热，引起大体积混凝土内部的温度升高（可达5

2、070），是混凝土内部产生较大的膨胀，而外部混凝土随温度变化，造成内部混凝土与外部混凝土的热变形不一致，在外表混凝土中将产生很大拉应力，严重时会使混凝土产生裂缝。随着时间的延长，混凝土的内部的水化热逐步散失，温度下降，内部混凝土产生冷缩，引起冷收缩应力，因此，对大体积混凝土工程，必须尽量减少混凝土发热量，控制混凝土的内部温度，才能控制其产生的温度应力，避免出现大体积混凝土的裂缝开展问题。在大体积混凝土里面添加冷却管并在整个施工过程中注入循环水加以冷却是降低混凝土内外温差的有效措施。本文采用三维有限元分析软件MIDAS/Civil针对一连续梁大体积混凝土承台，按照实际冷却管得布置，水流情况以及不

3、同的边界情况、实际施工过程中的因素进行对大体积混凝土承台进行建模全程水化热分析。建模分析结果结合现场数据进行对比分析，可以看出冷却管的使用能够有效地减少混凝土的内外温差，避免因内外温差出现的裂缝现象。1、工程概况淮河特大桥新建阜六铁路淮河特大桥位于阜六高速公路特大桥下游、濛河分洪道入淮口处，两桥中心间距60m；起止里程为DK30+660.41DK39+026.69，桥全长8366.28m，桥梁按客货共线铁路160km时速设计，同时预留200km时速条件。淮河特大桥主跨采用一联（60+100+60）m连续箱梁跨越淮河主航道，桥梁与河流中心线正交，桥址处淮河干流河道为国家内河级航道，水上交通繁忙。

4、淮河特大桥主跨36#、37#、38#、39#墩位于主河槽深泓区，主墩基础设计为16根1.5m的群桩基础，37#、38#主墩墩高分别为21.5m和24.5m，墩顶平面尺寸分别为10.0m5.5m。淮河特大桥下部结构采用先桩后堰法施工，利用钻孔钢平台施作深水钻孔桩基础，然后下沉双壁钢围堰，进行水下混凝土封底；抽排水后，干法施工低桩承台；墩身采用整体钢模，一次立模到顶，根据墩高分次或一次浇筑成型。37、38墩承台设计为3+2二级承台结构，第一级承台尺寸为14.614.63m混泥土方量较大需增设冷却管。混凝土设计强度为C40，计划采取一次性浇筑，数量为639.48 m3，属于大体积混凝土施工。2、水化

5、热和温度应力裂缝的解决2.1降低混凝土的发热量1、混凝土配合比的选定为控制混凝土初期和最终的发热量，大体积混凝土配合比的选定，应遵循以下几个原则：选用水化热低、凝结时间长的水泥，以降低混凝土的温度；掺加粉煤灰取代一部分水泥以降低水化热产生的高温峰值，同时可改善混凝土的和易性；掺加高效减水剂，以减少水和水泥的用量，延长混凝土达到最高温度的时间；尽量减少单位体积混凝土的用水量，严格控制水灰比，采用低流动性混凝土。2、降低混凝土的浇筑温度外界气温越高，混凝土的浇筑温度也越高。混凝土温度增高，将加速水泥的水化反应，使混凝土升温很快达到峰值，不利于降低混凝土的最高温度和减小内外温度差。由于本桥承台混凝土

6、的施工集中在9,10二个月份进行，环境气温较高，拟采取以下方法以降低混凝土的浇筑温度。尽量在环境气温较低的晚上和清晨开始浇筑混凝土；降低砂、碎石、水泥等原材料的温度。露天堆积的碎石应喷水进行冷却，储砂料仓需搭设凉棚，水泥储罐需定时喷水进行降温；拌合用水应在混凝土开盘前的1小时从机井中抽取地下水，蓄水池应搭建凉棚，避免阳光直射。3、埋设循环冷却水管在混凝土中预埋水管，利用管中的循环冷水的流动来带走混凝土内部产生的水化热。决定冷却效率的主要因素是管距间距、进水温度、水流速度和通水持续时间。在水管覆盖一层混凝土后即开始通水，在混凝土温度达到峰值并开始下降后停止通水。水管拟采用48mm2.5mm的薄壁

7、铁管，水管接头及进出口材料采用塑料管或钢管切丝连接。在混凝土施工前,水管系统要经过通水试压，仔细检查每一个接头,确保管路不漏水。在混凝土浇筑和钢筋绑扎过程中，不得损坏管路，确保供水的连续性。本桥台冷却水管路采用回形布置，水平管间距为100cm，距离四周边缘为80cm,60cm；垂直方向分为3层，层间距为100cm，底层距边缘为50cm ，顶层距边缘为50cm。层间进、出水管均各自独立，以便根据测温数据，相应调整各层水循环速度和进水温度。循环水管采用预先搭设钢管架进行固定，以防止在混凝土浇筑的过程中移位而造成通水后混凝土降温达不到预期目的。钢管架的搭设原则为：在保证整体稳定性的基础上，尽量留有足

8、够的空间，以确保混凝土浇筑时施工人员操作的方便。中心竖管为进水管，角部竖管为出水管，这样就能充分利用循环水自身的温度，即中部温度高，四周温度低的特点，在水循环的过程中自动调节温差。通水散热结束后,水管内用微膨胀水泥浆注浆填塞，确保承台的整体结构不受影响。2.2水化热理论计算模型对该工程的大体积混凝土用有限元程序Midas进行分析，利用1/4对称模型和实体单元模拟混凝土的施工及养护过程。如只将地基支撑条件作为弹簧模拟则无法描叙混泥土传热给地基的情况，因此将地基也模拟为具有一定比热和热传导率的结构。模型如图2-1所示，上部为大体积承台，下面是3m厚地基。为更加精确地模拟出大体积混凝土水化过程中的散

9、热情况，须将模型中承台下部分地基，与承台部分进行细化处理，将此两处的模型划分为更为细小的单元以提高水化热分析的精度。图2-1水化热分析计算模型(1/4承台)承台：地基：2.3水化热计算原理水化热引起的温度裂缝可以分为浇筑开始时由表面和内部温差引起的表面裂缝和当混凝土浇筑完成以后，水化热引起的温度的先上升后下降带来的收缩受外界约束时的贯通裂缝。这样的水化热分析大致分为由混凝土水化过程中的发热、对流、传导引起的温度分布分析和由温度、龄期引起的弹性模量的变化、徐变及收缩时的应力分析。以下是在各个分析中考虑到的事项。.2.3.1 热传递分析可以计算水泥水化过程中发生的发热、传导、对流引起的随时间变化的

10、节点温度。热传递分析中使用到的主要概念和 MIDAS/Civil 所考虑的事项如下：1传导传导就是指能量交换，流体是以分子的运动或直接的冲撞引起的，而固体则是电子由高温区域移动到低温区域引起的。由传导传递的单位热传递量与垂直于热束的平面面积和在其方向上的温度梯度的乘积成比例。一般来说，饱和混凝土的热导系数的取值范围为 1.213.11，其单位为kal / h m 。混凝土热导系数有随温度增大而减小的趋势，但是在大气温度范围内不会有明显的变化。2对流当流体在固体上面或在管道内流动时，因流体和固体的表面温度不同，在流体和固体的表面之间以流体对表面的相对运动的形式传递热量，这种热传递的方法称之为对流

11、。就像使流体强制地流动那样，人为地诱发流体流动时的热传递称为强制对流引起的热传递。流体内的温度不同会导致密度的不同，由此而引起的热传递叫自由对流引起的热传递。此时由于温度场受流体流动的影响，准确地描述实际情况的温度分布和对流引起的热传递是非常困难的。一般来看，大体积混凝土的温度分析中用到的对流问题主要是以混凝土表面与大气的热交换形式进行的，对流系数的单位是 kcal/ h m2。3热源热源是为了模拟水化过程中发生的热量而定义的。热源函数：F(t)=K(1-e-at)4管冷管冷是把管道埋设在混凝土结构内，通过循环管道内的低温流体进行热交换，来降低水化热引起的温度上升。这种热交换的形式是流体和管道

12、表面之间对流引起的热交换，流体在管道内循环后上升温度。5初始温度初始温度是指浇筑混凝土时的水、水泥、骨料的平均温度，是进行分析的初始条件。6环境温度是指混凝土浇筑后养护过程中的周围温度，可以输入固定温度，也可以输入sine函数或者时间的任意函数形态。7固定温度由它来构成热传递分析的边界条件，并维持一定的温度。结构分析时，若没有输入节点的对流条件或固定温度，表明这个分析是在没有热传递的绝热绝热状态下进行分析。若使用对称模型，就在对称面上适用绝热边界条件。2.3.2 热应力分析综合热传递分析结果得到的节点温度的分布及随时间和温度变化的材料特性的变化；随时间变化的收缩；随时间和应力变化的徐变等因素，

13、来计算大体积混凝土各个阶段的应力。2.4计算参数2.4.1承台与基础计算参数承台与基础参数请见下表位置特性位置特性基础地基比热0.250.2容重2518热导率2.31.7对流系数外表面1212钢模12-外界温度（）20-浇筑温度()20-28天抗压强度40-强度发展系数a=0.45 b=0.95 -28天弹性模量热膨胀系数泊松比0.180.2每立方水泥用量420-热源函数系数K=41 a=0.759 -2.4.2管冷参数冷却管采用管径为48mm，壁厚2.5mm黑铁管，其流量控制在1.2以上。冷却管分三层布置，其间距保持在一米。2.4.3边界条件本文建立的计算模型中，按以下4种温度边界条件处理：

14、 (1)第一类边界条件：混凝土表面温度是时间的已知函数。承台的顶面、地基-的底面及地基的外侧面采用此类边界条件。地基的底面和侧面温度为土壤恒定温度。 (2)第二类边界条件：混凝土表面的热流量是时间的已知函数，若表面是绝热的，则为绝热边界条件。在l4承台模型的对称面上采用此类边界条件。承台的混凝土热源、冷却水管及养护等关于中心线基本对称，故在对称面上没有热量传递，为绝热边界条件。(3)第三类边界条件：当混凝土与空气接触时，假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度丁与气温T。之差成正比，即 式中：k为导热系数kJ(mh)；为表面放热系数(kJ(m。-h)；n为表面外法线方向。 在承台的外侧面和地

15、基与空气接触的顶面采用第三类边界条件。承台的外侧面和地基与空气接触的顶面考虑到不同的对流情况，取为不同的对流系数。 (4)第四类边界条件：当两种不同的固体接触时，如果接触良好。则在接触面上温度和热流量都是连续的，边界条件为： 式中：、分别为两种不同固体接触面上的温度；、分别为两种不同固体的导热系数。 在承台与地基接触面上采用第四类边界条件。本模型中没有考虑桩基在热传递中的作用，把地基也模拟为具有一定比热和热传导率的结构，地基与承台接触良好，在接触面上温度和流量都是连续的。3、计算分析3.1温度分析第10小时混凝土内部温度分布见图3.1-1所示，忽略地基温度变化此时承台的最高温度为31.6，最低

16、温度为28.0，最大温差为3.6。图3.1-1混泥土浇筑后10小时水化热散热情况第20小时混凝土内部温度分布见图3.1-2所示，忽略地基温度变化此时的最高温度为40.6，最低温度为33.4，最大温差为7.2。红色的断面（较高温度区）上绿色的圆圈区域（较低温度区），代表了冷管的冷却区域。图3.1-2混泥土浇筑后20小时水化热散热情况在混泥土养护过程中混泥土水化热最大值发生在100小时，其内部温度分布见图3.1-3所示，忽略地基温度变化此时的最高温度为60.02，最低温度为38.19，最大温差为21.8。图3.1-3混泥土浇筑后100小时水化热散热情况在混凝土内部温度较高点温度发展变化曲线如图3.

17、1-4所示。从图中可以看出，混凝土刚浇筑的一段时间内温度上升很快，在第4天达到最大值，由于温控管在施工一开始就进行注水降温因此出现一段温度下降较快区域但是总体来说降温持续时间较长。图3.1-4混凝土内部较高温度点温度变化曲线在混凝土边缘温度较低点温度发展变化曲线如图3-5所示。从图中可以看出，混凝土刚浇筑的一段时间内温度上升很快，同样也是在第4天达到最大值，然后开始降温，但是降温是比较的，持续时间也很长。同时也可以看出此期间由于温控管参与降温出现温度变化相对较快区域图3.1-5在混凝土边缘温度较低点温度发展变化曲线图通过调整各种计算参数综合软件分析结果可以得知，所布置冷却管取得了良好的计算结果

18、，承台混凝土内部的温差符合规范要求（不大于25），温度梯度也控制得很好。3.2应力计算分析水化热应力分析中强度发展公式采用ACI规法公式，如下所示。式中，对应于t龄期时的混凝土强度t混凝土龄期混凝土28天立方体抗压强度a、b水泥种类系数，取a=4.5，b=0.95第20小时混凝土内部应力分布见图3.2-1所示，此时的最大拉应力为，最大压应力为。图3.2-1混凝土内部应力分布图第20小时混凝土容许应力分布见图3.2-2所示，此时的最大容许拉应力为混泥土不会出现裂缝。图3.2-2第20小时混凝土容许应力图第100小时混泥土水化热最大时期应力分布如图3.2-3所示此时最大张拉应力为图3.2-3第10

19、0小时混泥土水化热应力分布图第100小时混泥土水化热最大时期容许应力分布如图3.2-4所示此时最大张拉应力为图3.2-4第100小时混泥土容许应力分布图在混凝土边缘应力最大点应力及其容许拉应力发展变化曲线如图2-14所示。从图中可以看出，开始阶段拉应力上升很快，在第5天达到最大值，然后开始降低，拉应力峰值点的出现与温差最大值的出现时间上很接近。取边缘点的在混凝土边缘应力最大点应力及其容许拉应力发展变化曲线如图3.2-5所示。从图中可以看出，开始阶段拉应力上升很快，在第5天达到最大值，然后开始降低，拉应力峰值点的出现与温差最大值的出现时间上很接近。图2-14混凝土拉应力及容许拉应力发展曲线从应力

20、计算分析数据可以看出，用MIDAS/CIVIL分析的数据反应了大体积混凝土由于温差及收缩变形带来的拉应力变化过程，与大体积混凝土水化热裂缝理论很吻合。4、结果比较与分析测点布置图实测数据与分析数据如下图所示（限于篇幅仅取1号点数据给予参考）单位：时间：d图4-1 1号点温度曲线图4-2 混凝土边缘温度较低点温度发展变化曲线图对比实测结果与理论分析结果可以看出两者结果十分接近其图形出现差异的原因主要在于施工时混凝土的水化热发热和理论分析是模型是有区别的。施工时混凝土由于是一层层浇筑故散热有先后性，但MIDAS/CIVIL分析时是按混凝土整体发热进行模拟计算的。另外施工中水温，室温，大地气温，等因

21、素也与理论有所出入，故导致理论数据与实测数据有所出入。结论：通过调整各种计算参数，取得了良好的计算结果，承台混凝土内部的温差符合规范要求（不大于25），温度梯度也控制得很好，没有出现裂缝。本文通过从混凝土材料及施工方法上并综合MIDAS/CIVIL有限元分析软件对大体积混凝土的水化热进行了计算分析并对比实测结果，可以看出在现代大体积水混凝土的施工之中采取水冷措施的必要性，也可以看出在大体积混凝土中布置冷却管降温的措施是有效而且可行的。参考文献：【1】 土木工程材料/黄政宇主编.-北京：高等教育出版社，2002.12【2】 北京迈达斯技术有限公司.Midas/Civil 6.7技术资料Z,2002.【3】 杨秋玲，马可栓.大体积混凝土水化热温度场三维有限元分析J.哈尔滨工业 大学学报【4】 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制M.北京：中国电力出版社，1999.专心-专注-专业