水化热调控与水管冷却协同作用大体积混凝土降温控裂数值模拟研究

杨 睿 张士山

（江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

大体积混凝土在浇筑后由于内外散热条件不均，往往会出现内部温峰高、内外温差大的现象，极易产生温度裂缝[1]。为解决这一问题，冷却水管措施被广泛运用。在水工大坝领域，冷却水管措施取得了显著的降温抗裂效果。但大坝混凝土强度等级大多为C20 以下，胶凝材料用量低，且普遍采用中低热水泥。交通、市政等工程所用混凝土与水工领域相比，存在胶凝材料用量大、水化温升速率过快的问题，冷却水管措施往往达不到预期的降温效果。

除减少内部热量外，改变混凝土胶凝材料水化放热速率也是控制混凝土早期温度场发展的手段之一。近年来，混凝土水化热调控材料逐渐被研究人员所研究和重视[2-5]。该材料是一类能够影响水泥水化快速反应期的反应速率、减少早期放热量，在良好的散热条件下可显著降低混凝土结构温升和开裂风险的外加剂。徐文[6-7]等将水化热调控材料应用于隧道交通地下车站侧墙为代表的地下室侧墙结构中，取得了良好的早期裂缝控制效果。但对于交通工程中的大体积基础等结构，其尺寸远超过轨道交通工程车站侧墙，内部散热条件较差，使用水化热调控难以达到预期效果[8]。

交通工程大体积基础兼具了中高标号混凝土和大尺寸的特点，温度开裂问题难以解决。根据冷却水管措施和水化热调控材料的使用特点，考虑将二者结合使用，协同调控中高标号大体积混凝土的内部温升。目前尚无这一控温方法的应用研究。本文基于广西省贵港市平南三桥项目，利用有限元数值模拟对比了平南三桥北岸主墩基础大体积混凝土单独使用冷却水管、单独使用水化热调控材料以及二者协同作用的降温抗裂效果，证明了冷却水管和水化热调控材料协同作用，可有效控制中高标号大体积混凝土的内部温升，降低温度开裂风险。

1 工程概况

1.1 平南三桥工程概况

平南三桥位于平南县西江大桥上游6 公里处，跨越平南县大烟寮村和界首村附近的浔江水域，为荔浦至玉林高速公路平南北互通连接线上跨越浔江的一座特大桥。主桥为跨径575m（净跨径548m） 的中承式钢管混凝土拱桥。桥北主墩拱座基础为整体式圆形基础，几何形态为一直径54.6m，厚6.0m 的圆形大尺寸混凝体构件。拱座基础持力层为卵石层，基础施工前对卵石层进行注浆加固。圆形基础侧面为厚1.2m的地连墙结构，两者间设置柔性防水层，因此地连墙对基础约束较小。基础混凝土强度等级为C30。

1.2 混凝土原材料及配合比

图1 拱座基础四分之一有限元模型

图2 冷却水管布置模型

平南三桥工程原材料水泥采用华润水泥（平南） 有限公司P.II 42.5 硅酸盐水泥，粉煤灰采用广西钦州蓝岛环保材料有限公司F 类I 级灰，细骨料为梧州藤县黄华河河砂II 区中河砂，粗骨料碎石选用建峰石场，5～25mm 连续级配碎石（三级配，5～10mm 占10%，10～20mm 占35%，20～25mm 占55%）。本工程采用江苏苏博特新材料股份有限公司聚羧酸高性能减水剂PCA-I，其28d 干燥收缩率比≤100%。

在原材料优选基础上，本工程基础大体积混凝土配合比如表1 所示。

表1 平南三桥拱座及其基础大体积混凝土施工配合比

在上述配合比基础上，在混凝土中掺加水化热调控材料，对比不同掺量下的绝热温升曲线对混凝土温度发展及抗裂性的影响。水化热调控材料为江苏苏博特新材料有限公司生产的水化温升抑制剂SBT?-TRI。SBTR-TRI 主要通过降低水泥加速期的水化速率，减少混凝土早期放热量，推迟温峰出现时间，进而延长散热时间，降低混凝土温升，减少温度裂缝的形成。同时，SBT?-TRI 虽然可有效减少早期放热量，但不影响放热总量，因此对混凝土后期强度无负面影响。水化热调控材料对比掺量分别为胶凝材料的0，1.0%和2.0%。

2 模型仿真计算

2.1 模型概况及相关计算参数

本文采用MIDAS/FEA 软件建立平南三桥拱座基础及拱座的有限元模型，四分之一计算模型如图1 所示。根据工程实际情况，相关模型热力学计算参数列于表2。其中地连墙虽为C35 混凝土，但由于与基础为柔性连接，对基础约束较小，因此计算时取其弹模为40MPa。

表2 模型仿真计算相关热力学参数

根据实验室的同配合比混凝土试验结果，拱座基础C30混凝土基准及不同掺量水化热调控材料下的绝热温升曲线如图3 所示。根据相关工程经验和实验室测量结果，确定C30混凝土28d 弹性模量、抗拉强度和自收缩终值分别为30GPa、2.0MPa 和150με。

由于拱座基础体积大厚度高，为控制上表面与中心的内外温差，工程中采用10mm 厚棉被进行覆盖养护，根据大体积混凝土施工规范计算得出表面散热系数为15 kJ/m2·h·℃。

图4 单独布置冷却水管开裂评估结果

图3 基准及不同掺量水化热调控材料下混凝土绝热温升曲线

为控制大体积拱座基础内部温升，工程设计文件提出的冷却水管布置方案模型如图2 所示。拱座基础在高度方向共布置6 层冷却水管，相邻层水管方向互相垂直布置，冷却水管布置间隔为1m。水管采用40mm 直径的铸铁管，水管入口水温18℃，流速1m/s，每一根水管长度不超过200m。混凝土浇筑时即开始通水，在基础温峰过后一段时间停止通水，需保证结束通水后内部温度回升不会超过通水时的温度峰值。

2.2 混凝土开裂风险计算依据

根据混凝土温度分布结果、自收缩和力学性能发展曲线，基于弹性力学原理，可计算得到混凝土早期收缩应力结果[9]。定义结构混凝土开裂风险如下式所示[10]：

式中，σ（t）为t 时刻的混凝土最大拉应力，ft（t）为t 时刻的混凝土抗拉强度。

混凝土开裂风险评判准则：一般认为时η＞1.0，混凝土一定会开裂；考虑材料性能波动，认为0.7＜η＜1.0 时混凝土存在较大开裂风险，η＜0.7 时混凝土基本不会开裂。

3 数值模拟结果分析

3.1 单独使用冷却水管降温控裂效果分析

使用图3 中基准混凝土的绝热温升曲线对仅使用冷却水管的拱座基础进行开裂风险评估，将模拟结果与无水管的基准工况进行对比，结果如图4 所示。由图4（a）、 （b） 可知，基准工况下基础中心在6.5d 龄期时达到温峰值64.2℃，最大内外温差达到30℃以上。布置冷却水管后，基础中心在1.5d 达到温峰56.1℃，相比于基准工况减小了8.1℃，降温效率为12.6%。同时，基础最大内外温差减小至17.5℃，与基准工况相比有了明显降低。

图4（c）、图4（d） 的开裂风险模拟结果显示基准混凝土工况下基础中心100d 龄期开裂风险为0.97，表面最大开裂风险在1.0 左右，都具有较高的开裂可能性。使用冷却水管后，基础表面最大开裂风险仅为0.65，可判断表面基本不会开裂。但基础中心100d 开裂风险仍达到0.79，虽低于基准工况，但超过了0.7 的安全阈值。虽然冷却水管造成的温度历程、降温速率的改变引起了一部分的应力增加，但主要还是由于冷却水管降温幅度偏小，无法彻底解决基础中心开裂风险偏高的问题。

由模拟结果可见，冷却水管措施虽有助于降低大体积基础的内外温差，控制表面开裂风险，但其对基础中心的降温控裂效果不能达到预期目标。如何进一步降低基础内部温升是解决大体积基础开裂问题的关键方法。冷却水管布置间隔1m 已经较密，进一步加密冷却水管不仅会增加施工难度，也不利于混凝土的振捣施工，因此需采取更便捷的方式解决大体积基础内部温升偏高的问题。

3.2 水化热调控材料和冷却水管协同作用降温控裂效果分析

针对水化热调控材料使用时需具备较好的散热条件以及冷却水管在低水胶比混凝土中降温效果较好这两个应用特点，通过数值模拟研究二者协同调控对拱座基础的降温控裂作用。分别计算两种不同掺量水化热调控材料工况下基础布置冷却水管的温度和应力曲线，相关结果如图5 所示。由图5（a） 可知，相比于基准工况的温峰64.2℃，两种协同作用工况温峰分别下降了14.8℃和18.7℃，温峰时间分别为2d 和2.5d，降温效率达到23.0%和29.1%。与基准混凝土相比，掺入水化热调控材料后冷却水管降温效果得到了明显提升，且水化热调控材料掺量越大，提升效果越明显。由应力计算结果可见，由于降温效果得到了大幅度提升，基础中心开裂风险明显减小，两种掺量下基础中心100d 开裂风险分别为0.58 和0.49，成功控制在了安全系数以下，可认为基础内部混凝土不会开裂。

由上述分析可知，水化热调控材料与冷却水管具有良好的协同调控温度场和应力场的作用。分析其原因，冷却水管降温效率与两点因素相关。一是胶凝材料放热速率与冷却水管降温速率的相对大小，混凝土放热速率越慢，冷却水管冷却速率相对越高，其降温幅度则越大。二为冷却水管降温作用的有效时间。混凝土浇筑至达到温峰的时间即为冷却水管降温有效时间，有效时间越长，冷却水管散热则越充分，降温效果越好。混凝土中加入水化热调控材料后，混凝土水化放热速率明显减缓，冷却水管降温速率相对提高。同时基础中心温峰出现时间推迟了0.5～1d，延长了冷却水管有效作用时间。因此水化热与冷却水管共同作用可更好的调控基础内部温峰，降低结构开裂风险。

图5 水化热调控材料与冷却水管协同调控作用下基础中心温度及开裂风险计算结果

图6 水化热调控材料与冷却水管协同调控作用下基础中心温度及开裂风险计算结果

协同作用工况下基础的内外温差与表面开裂风险结果如图6 所示。由图可知，三种工况下基础内外温差均不超过20℃，且表面点开裂风险均小于安全系数0.7。但由于水化热调控材料延缓了胶凝材料的放热速率，其后期放热量大于基准混凝土。因此关闭冷却水管后基础中心温度回升偏高，内外温差增加，从而造成表面开裂风险高于基准混凝土。由此可知，当使用水化热调控材料时可适当延长冷却水管通水时间，减小后期基础中心温度回升值，控制表面开裂风险。

4 结语

本文基于平南三桥北岸大体积拱座基础，利用有限元软件计算分析了基础混凝土在单独使用水化热调控材料和冷却水管以及二者协同作用下的降温控裂效果。根据计算结果可分析得出下列结论：

1） 在拱座基础中单独采用冷却水管措施时，可有效降低基础温峰值，减小里表温差，但降温幅度不足控制基础内部开裂风险在0.7 以下。2） 当拱座基础采用水化热调控材料和冷却水管协同作用时，水化热调控材料可延长冷却水管作用的有效时间，减缓冷却作用时的胶凝材料放热速率。由此可显著提升冷却水管的降温幅度，有效控制基础中心开裂风险在0.7 以下。且水化热调控材料的掺量越高，协同调控的降温控裂效果越好。3） 由于水化热调控材料会减缓混凝土水化放热速率，引起冷却水管结束通水后基础温度回升幅度偏高，从而造成内外温差和表面开裂风险的小幅上升。因此在使用水化热调控材料时可适当延长冷却水管通水时间。