不同浇筑温度下孔口结构混凝土温控仿真分析

彭楷哲

(安阳师范学院 基建处，河南 安阳455000)

0 引言

长久以来，水工建筑物混凝土开裂是工程施工阶段以及学术研究领域很棘手的问题，因此水工建筑物混凝土的防裂措施成为施工工程师以及设计师在工程建设前期阶段较关心的问题。水工建筑物内部会配备多种类型的管廊或孔口结构，比如，泄水孔、排水管廊、交通管廊、箱涵结构、电梯井、观察井等。管廊或者孔口结构混凝土与基础以及建筑物主体接触部位的受力和变形相当复杂，许许多多对孔口结构混凝土不利的应力集中及混凝土开裂问题较为突出，如果没有真正掌握其裂缝产生的机理，就会大量浪费工程的投入和成本，在随后实施阶段也会进一步增加施工难度、造价和工程投资。孔口结构同时也是水工建筑物的重要防渗结构，应避免产生贯穿裂缝，如产生贯穿裂缝，该结构在运营期会成为渗漏通道，那么该结构的蓄水能力和安全就受到较大影响。因此对该结构进行有限元建模，进行模拟仿真计算，对孔口结构施工期不同的浇筑温度计算结果进行分析，研究不同浇筑温度对孔口结构施工期的温度变化与应力变化，对混凝土的温控防裂提供必要的帮助和有意义的指导。

1 计算模型与参数

1.1 计算模型

图1为孔口结构混凝土整体计算网格模型，三向基岩尺寸选取为结构长度、宽度或高度方向的一倍左右。本次模拟采用的直角坐标系如图1所示，定义为：顺水流方向为x轴，垂直水流方向为y轴，高度方向为z轴，原点选取在结构底面中间部位与基础接触的位置，即y=5.0m为顺水流方向的孔口中线面，x=4.0m为垂直水流方向的孔口中心面，z=-4.0m为孔口底部面。为方便计算，选取算例中两个典型的特征点来仿真计算分析，如图2所示，特征截面为y=5.0m。

图1 整体计算网格模型

图2 y=5.0m截面特征点选取位置

1.2 参数

本次计算建立的模型为标号为C25的混凝土，计算所选用的参数如表1。为直观看出不同的浇筑温度对水工建筑物混凝土的温度与应力的影响，特设三种工况进行模拟仿真分析，三种工况的浇筑温度分别为20℃、10℃和5℃，其他情况假定相同。

该结构混凝土中的水泥会发生水化反应，释放出体量相当大的热量，这些释放出的热量对三维不稳定温度场和徐变应力场会有较大的影响。用绝热温升这个概念来衡量和计算水化反应，绝热温升用θ表示。测量和计算绝热温升的方法主要有以下两种：直接法和间接法。直接法即借助试验设备直接测取；间接法为用已经使用的水泥用量和产生的水化热来仿真和计算。经过类比和以往的经验，能够断定直接法比较直观清晰，数据相对准确；而间接法会受到诸多元素影响，例如导热系数、线胀系数、密度和泊松比等，所以间接法的误差相对于直接法比较大。根据以往试验的经验，本次结构混凝土仿真计算的绝热温升为θmax≈38.16℃。

表1 计算参数

2 算例分析

通过程序仿真计算结果，把成果数据导入Excel表格中，得到各种工况下的计算成果图，可以简单明了地观察不同条件下该孔口结构混凝土的温度和应力变化的历时曲线。其中图3为不同浇筑温度下特征点T1的温度走势，图4为不同浇筑温度下特征点T2的温度走势，图5为不同浇筑温度下特征点T1的应力走势，图6为不同浇筑温度下特征点T2的应力走势。仿真计算时间统一为360d。

图3 不同浇筑温度下特征点T1的温度走势

图4 不同浇筑温度下特征点T2的温度走势

由图3和图4可得，若浇筑温度相同，特征点T1和特征点T2在前3d龄期温度迅速升高从而达到峰值，在此过程中，浇筑初期的混凝土中的水泥进行水化反应释放大量热量。根据图3，特征点T1的浇筑温度分别为5℃、10℃、20℃，龄期约42d时温度走向逐渐趋同。当浇筑温度为5℃时，特征点T1的温度峰值约为24.87℃(7d)，由于浇筑温度较低，水泥的水化反应相对平缓，因此温度的最大值较低；当浇筑温度为20℃时，特征点T1的温度峰值约为29.09℃(3d)，这是因为浇筑初期水泥的水化反应较为剧烈，所以温度最大值较高。由此可以得出另一结论：水泥水化反应使混凝土浇筑后温度最大值出现的时间和混凝土的浇筑温度存在一定关系，即混凝土浇筑温度越高，结构中混凝土温度最大值出现的越早。混凝土浇筑温度较高时，浇筑初期水泥的水化反应剧烈，使得混凝土的温度增长较大。由上述叙述可知混凝土的绝热温升终值是相同的，所以混凝土温度增长到峰值后会开始下降，水化反应逐渐减弱，温度逐渐趋于环境温度。特征点T2的温度最大值在同一浇筑温度下相较于特征点T1更高，是由于混凝土表面散热快而内部散热慢导致的(若混凝土内外温差较大则会引起开裂等现象，因此我们往往会在混凝土养护期间对其进行保温养护措施，从而减小内外温差，降低开裂风险)，当浇筑温度为10℃时，特征点T1和特征点T2的温度最大值为26.12℃(5d)和31.19℃(5d)。

图5 不同浇筑温度下特征点T1的应力走势

图6 不同浇筑温度下特征点T2的应力走势

根据图5和图6，特征点T2在浇筑初期呈现压应力状态(负值)，特征点T1浇筑初期呈现拉应力状态(正值)，龄期较大时则颠倒过来。因为混凝土早期水化反应较剧烈，结构温度上升较大，而在后期混凝土温度降低的阶段，外部混凝土散热快，内部混凝土散热慢导致内外温差较大，由此可得该水工建筑物的混凝土应力变化无异于一般性规律。由于温度分布为内部温度高外部温度低，所以结构混凝土早期内部呈现压应力，外部呈现拉应力；在龄期较晚时由于混凝土表面温度降低较快，内外温差进一步增大，混凝土热胀冷缩导致内部特征点呈现为拉应力而表面呈现压应力。

由于混凝土的应力受结构内外温差、环境温差以及基础约束的影响较大，虽然应力变化规律与温度变化规律相符，但是不能一概而论地参照温度变化来解释。混凝土内外温差和与环境温差的改变，尽管外部约束不会产生较大变化，但是内部约束也会转变，所以应力变化的规律也不尽相同。根据图5和图6，当浇筑温度为20℃时，特征点T1的拉应力最大值为0.56MPa(3d)，随着内外温差降低，由拉应力转变为压应力，且随着龄期增长压应力逐渐增大；浇筑温度对于特征点T1的拉应力最大值无太大影响，但是浇筑温度对特征点T1后期的压应力影响较大，浇筑温度越高，表面特征点T1的拉应力最大值出现的快。浇筑温度为20℃时，特征点T2在浇筑初期呈现压应力，压应力最大值为0.16MPa(3d)。同时对比3个工况，浇筑温度对混凝土内部应力最大值略有影响，浇筑温度增加，内部压应力增大。当龄期增长，内部结构的混凝土从呈现压应力转变为拉应力，且浇筑温度越高，龄期越大拉应力越大且最大值逐渐增加。

3 温控防裂措施

3.1 合理设计混凝土的配合比

混凝土的掺合料和配合比对混凝土防裂相当重要，建议：①尽量采用水化热较低的水泥，从而使混凝土的绝热温升值降低；②确保混凝土的强度等级，且充分利用浇筑后混凝土的中后期强度；③使用合适的外加剂；④严格控制掺合料的级配以及含泥量；⑤控制好混凝土塌落度，不宜大于180mm。

3.2 合理设计混凝土浇筑方案

混凝土在进行浇筑前应有详细的施工方案，大体积混凝土分层浇筑，从而可以利用浇筑面使混凝土散热，减少开裂风险。还应考虑混凝土结构的尺寸、钢筋的间距、预埋管道的铺设和其他螺栓的留设等因素。建议：①合理规划混凝土的浇筑量，分层厚度视情况而定，一般情况下每层厚度不超过2m；②根据多次试验确定混凝土初凝时间与终凝时间，保证其强度满足要求；③根据本次仿真计算结果，应控制混凝土的浇筑温度，根据施工条件和现场情况来设计合理的施工方案。

3.3 做好养护措施

混凝土养护要保证合适的温度和湿度，控制好内外温差及与环境的温差，保证强度正常发展的同时还要降低开裂的风险。建议：①混凝土浇筑完毕后，在初凝前宜立即进行覆盖或者喷雾养护工作；②混凝土在拆模时，内外温差及与环境的温差均不超过20℃；③可在结构内部预埋冷却水管来降低内外温差，在结构表面以及模板外增加保温措施(如覆盖保温材料等)减少温差；④根据工程现场情况，增加湿润养护的时间，模板拆除之后应即刻覆盖保温材料和回填；⑤大体积混凝土养护时间应符合表2的规定。

表2 大体积混凝土养护时间

4 结语

水工建筑物在浇筑后，混凝土中的水泥发生水化反应释放热量，使结构温度升高，温度达到最大值之后水化反应减弱，结构温度逐渐降低并趋近于环境温度。浇筑初期混凝土表面散热快，结构内部的温度大于表面温度，内外温差较大且与环境温度相差较大；浇筑后期内部的温度和表面温度大致相同且与环境温度变化一致。浇筑的温度增高，水化反应越剧烈，同时温度上升到最大值较快；但混凝土的绝热温升终值一样，所以结构温度达到最大值后开始产生下降趋势。仿真结果与实际情况的混凝土温度变化的规律一致。

浇筑初期混凝土内部特征点表现为压应力，表面特征点呈现为拉应力，浇筑后期则颠倒过来。因为混凝土结构浇筑初期处于温度升高阶段，内外温差和与环境温差较大，同时在浇筑后期处于温度降低阶段，混凝土内部的温差较大，仿真结果与实际情况混凝土的应力变化规律一致。受“内高外低”的温度场的分布规律的影响，在混凝土早期呈现“内压外拉”的应力分布特点。因此，在浇筑初期应特别重视其防裂措施。