大体积混凝土放热过程试验监测与仿真

朱希文 袁伟斌 黄丽霞

1(浙江同济科技职业学院 浙江 杭州 311231)2(浙江工业大学建筑工程学院 浙江 杭州 310023)3(杭州萧山园林集团有限公司 浙江 杭州 311231)

0 引 言

大体积混凝土因其在浇筑过程中会产生大量的水化热，导致混凝土内部产生裂缝进而破坏混凝土结构[1-4]。因此，不少研究学者通过理论公式和数值技术对大体积混凝土放热进行计算。

余建杰等[5]用Midas对某高层建筑体积最大的7号桩承台进行仿真分析，考虑在冷却水管情况下对混凝土温度场的影响，未对其他影响因素进行探究。李涛等[6]用Ansys对斗轮机的基础建立计算模型仿真分析温度裂缝，王强等[7]用abaqus对沈阳某工程超厚筏板基础建立温度场模拟分析，模拟数据比实测数据偏高。

本文以实际工程为例建立模型，导入COMSOL进行温度模拟，估算在粉煤灰掺量20%时对大体积混凝土温度的影响，分析其是否在保证混凝土强度同时可以减少混凝土裂缝。该模型以瞬态热传导方程为基础，对其浇筑后20天温度变化进行模拟，并与实测数据进行对比分析。推测其产生裂缝的原因，再通过导热系数和浇注温度等因素对大体积混凝土温度裂缝控制进行模拟分析，并对其产生的影响效果进行对比分析，可为预防大体积混凝土开裂提供理论依据[8]。

1 工程概况及实测数据

济南佳汇大厦工程地下3层，地上15层，大厦为筏形地基，基础埋深10 m[9]，其混凝土配合比如表1所示。从基础上选取三个点，分布对其进行监测，并绘制其温度与时间的变化关系如图1所示。不同测点的分布位置如图2所示。

表1 C40混凝土施工配合比

图1 不同点处的温度变化

图2 不同测点分布位置

2 模拟参数设定

根据济南佳汇大厦实际基础平面图建立三维模型，其基础总体尺寸为50 m×50 m，最大厚度约为3.2 m，四周局部厚度约为2.2 m。根据CAD尺寸将该基础尺寸导入COMSOL软件中，并取C点进行计算。混凝土基础的基本参数如表2所示[9]。

表2 材料的基本参数

3 模型验证

将测点处模拟温度数据与混凝土温度实测数据进行对比分析。如图3所示，COMSOL计算得到的C点的温度数值，并发现计算结果与现场实测曲线基本吻合，数值相差不大。如：在C点顶部第12 h时，实测数据为18.1 ℃，而模拟值为17.8 ℃；相应的中部实测值为29.4 ℃，而模拟值为28.8 ℃。COMSOL仿真计算得到的数据与实测数据误差均在10%以内，如表3所示。因此本文模型与实际工程较为匹配，可利用该模型进行计算。

图3 C点实测值与模拟值对比

表3 预测值与实测值的误差

4 结果及分析

4.1 导热系数的影响

如图4所示，当混凝土导热系数为3(W/(m.k))时，C点顶部温度为25.1 ℃，而中部温度为52.7 ℃；随着混凝土导热系数增加时，C点的温度逐渐降低。而当导热系数大于6(W/(m.k))时，顶部和中部温度差小于30 ℃，满足最新规范要求。

这是因为导热系数增加则传热速率也就逐渐增加，大体积混凝土耗热较快，能够有效减少混凝土裂缝的产生。因此，在施工过程中应合理选择混凝土的种类：配合比的优化或掺合料的掺入。

图4 不同导热系数对温度影响

4.2 浇筑温度的影响

浇筑温度是指大体积混凝土在浇筑过程时空气的温度，也即为室外温度。从图5可以发现，当浇筑温度为0 ℃时，C点顶部温度为25.13 ℃，而中部为48.23 ℃。随着浇筑温度的上升，C点处的温度也在逐渐上升。并且顶部和中部的温差也逐渐上升，根据计算结果，当浇筑温度大于25℃时，大体积混凝土内部温差会超过30 ℃，因而不满足规范要求即会出现裂缝。

这是因为，浇筑温度即空气温度会作为边界条件参与大体积混凝土放热过程中，继而对传热过程产生影响。因此，通常大体积混凝土施工需要在冬季施工，这样能够避免裂缝的产生。

图5 不同浇筑温度对温度的影响

5 结 语

通过COMSOL软件对大体积混凝土放热过程及其影响因素进行计算分析，得出了以下结论：

(1) 大体积混凝土在浇筑完后3 d左右，表里温度差会大于30 ℃，超过规范要求，此时混凝土内部会出现裂缝。因此，建议需在浇筑完1～3 d内对大体积进行洒水降温处理。

(2) 建立的COMSOL仿真模型，能够较好地与实测数据吻合，其最大正负误差为10%。误差原因主要来自于实际工程中室外空气温度的不确定性，而在仿真模拟中室外空气温度给出的是平均值。

(3) 通过建立的仿真模型得出，大体积混凝土温度建筑温度增大会使混凝土内部的温度应力逐渐增大，导致裂缝的产生。因此建议浇筑温度在25 ℃以下最佳，这也是大部分大体积混凝土工程多在冬天浇筑的原因。

(4) 通过调整混凝土的配合比，能够使得混凝土的导热系数值降低，从而减缓了传热过程，避免了温度裂缝的形成。通过模拟得出，当混凝土导热系数低于6 W/(m.k)后，即粉煤灰掺量10%，能够有效避免裂缝产生。