midascivil水热化分析.docx
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midascivil水热化分析
课题背景及任务来源
随着我国交通事业的迅速发展,大跨度桥梁大量出现,在桥梁中大体积混凝土承台、锚碇、塔等亦随之大量出现。
目前所生产的水泥放热速度较过去大为提高,这使得大体积混凝土的温度裂缝问题日益突出,已成为普遍性的问题。
大体积混凝土在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和约束作用,由此而产生的温差和温度应力是导致混凝土出现裂缝的主要因素,从而影响结构的整体性、防水性和耐久性,成为结构的隐患。
因此大体积混凝土在施工中必须考虑裂缝控制。
大体积混凝土温度裂缝问题十分复杂,涉及到结构、建筑材料、施工、环境等多方面因素,工程建设领域目前对桥梁中所使用的大体积混凝土的研究还不够深入、全面,相关的规范条文还不够完善,对很多工程实践中的问题只能依靠经验处理,缺乏适当的理论依据,这会造成许多不必要的人力、物力、财力的浪费,大体积混凝土施工质量控制的结果也不很理想。
在总结大体积混凝土温度裂缝产生的原因的基础上,本文结合邕江四线特大桥,以及对承台试块的模拟试验,研究分析了大体积混凝土内部温度场和温度应力变化的规律和工程中采用的温控措施的实际效果。
本文在大体积混凝土工程中所采用的温度监测和裂缝控制措施,为今后同类工程施工提供了有用信息,也为今后开展深入的理论研究提供了试验和理论参考依据。
组成结构
通过midas来模拟大体积混凝土在水化热情况下温度与应力应变的变化,并且通过不加冷水管和加冷水管的情况下进行对比分析,并得出相应的结果。
功能与技术能够直观的看到混凝土内部在水化热的情况下温度随时间的变化,并且通过精确的数值进行分析。
从而使我们对水化热有进一步的认识,进而通过温度变化趋势分析混凝土可能会产生的裂缝的位置,从而提前做好防护措施,尽可能是裂缝降到最小。
成果的主要特点
通过对大体积混凝土水化热的分析,我们能更加深入的了解混凝土内部温度度的变化情况,从而对混凝土浇筑、养护、防护提前做出应对措施。
尤其是咋此过程中温度对其裂缝的影响。
创新点
通过软件对混凝土内部水化热产生的温度进行模拟分析,并且通过不同的情况(有无冷水管)进行对比分析。
建立模型的相关数据
拟定试块尺寸为3.4X2.65X1.55m,体积13.9655m3。
以MIDAS结构计算
软件中的水化热模块为分析基础,单元的划分主要考虑冷却水管、测点和钢筋的
位置及计算的精度等因素,均采用八节点六面体单元。
计算条件如下:
1.1根据试块结构特点,体积比较小,取全模型进行计算;
1.2试块混凝土方量较小,一次浇筑;
1.3从2月18日开始浇筑,气温4.0~14OC,月平均气温为9.5C,全年平均风速为4m/s,此处平均风速取为1m/s,混凝土浇筑温度为13.5C,固定温度取为7.5C。
1.4试块混凝土冷却水管采用50mm的薄壁钢管(壁厚2.5伽),冷却水温度取均值16C,流量为2.0m3/h,通水时间为7天。
1.5混凝土线膨胀系数a=1.0X10"5/C,泊松比0.167,比热为1.0kJ/kg;
1.6混凝土28天抗压强度为47.8Mpa,弹性模量3.0X104MPa;
1.7混凝土的弹性模量、导温系数、对流系数等按有关规范和经验取值,并
考虑混凝土的收缩和徐变引起的应力松弛作用;
1.8由混凝土设计配合比,按水泥312kg/m3,粉煤灰78kg/m3,折减系数取0.25,水泥水化热285kJ/kg,龄期按7天计算,算出绝热温升约为34.4C;
二重要参数的计算
2.1水化热计算中的重要参数
2.1.1水泥水化热
在大体积混凝土的温度应力计算当中,水泥的水化热起决定作用。
水泥水
化热是依赖于龄期的,主要有三种表达式,常用的为指数式[1]:
2-9)
Q()Q0(1em)
式中,Q()——在龄期时的累积水化热,kJ/kg;
——龄期,d;
m常数,随水泥品种、比表面及浇筑温度不同而不同。
根据某些试验资料,常数m的数值见表2-1。
表2-1常数m
浇筑温度(C)
5
10
15
20
25
m(1/d)
0.295
0.318
0.340
0.362
0.384
232混凝土绝热温升
测定,测定。
估算:
在温度场的计算中实际使用的是混凝土绝热温升。
绝热温升可以通过实验
也可以通过估算确定,如果条件允许,当直接采用绝热温升试验设备直接
,但是,当混凝土的绝热温升缺乏实测数据时,可根据水泥水化热按下式[卩
QWkF
c
(2-10)
式中,
W水泥用量(kg);
c混凝土比热(kcal/kg
C);
混凝土密度(kg/m3);
F混合材用量(kg);
)在龄期时的累积水泥水化热,kJ/kg;
k――折减系数,对于粉煤灰,可取k=0.25。
影响混凝土绝热温升的主要因素包括:
水泥品种、水泥用量、混合材料品
种与用量和浇筑温度。
但是,在大体积混凝土有限元结构软件的计算中,绝热温升的取值并不完全是通过实测或理论计算就可得到,其取值与气温和浇筑温度有关。
绝热温升的理论取值是从混凝土开始搅拌即开始计算的。
也就是说,浇筑温
度与绝热温升同时考虑了浇筑前的水泥水化放热。
因此,在有限元结构软件的水
化热计算中,浇筑温度一般按实际取值,而绝热温升则应扣除浇筑前的那一部分水泥水化放热量。
Q(
2.3.3混凝土导温系数
混凝土的导温系数与其组成材料有关,而骨料的比例约为85%〜90%,因
此,导温系数的大小主要由骨料的导热系数确定。
按下式[卩计算:
(2-11)
式中,a——混凝土的导温系数,(m2/h);
――混凝土的导热系数,(kJ/mhC);
c——混凝土的比热,(kJ/kgC);
混凝土的密度,(kg/m3)。
234混凝土表面对流系数
在大体积混凝土的水化热计算中,有三种重要的散热渠道,一是表面散热,二是冷却水管散热,三是地基散热。
因此,混凝土的表面对流系数是一个重要的影响参数。
其计算根据上海同济大学试验研究[18]按下式取值:
5.46v6/w/m2K)
2-12)
混凝土表面对流系数,(w/m2K);
v风速,m/s。
通常情况下,计算中使用的单位是kcal/(m2hC),因此可以进行单位换算:
1千卡/(米2时C)〔1kcal/(m2hC)〕=1.16279瓦/(米2开尔文)〔w/(m2K):
235冷却水管对流系数
式中,
在水化热计算中,冷却水管中的对流系数亦是一个重要的参数。
在MIDAS
水化热分析中采用的经验公式[38]如下:
HP4.75v43
2-13)
式中,HP冷却水管的管道对流系数,kcal/(m2hC);
v――冷却水的流速,cm/so
2.4大体积混凝土计算经验公式
在实际工程中,大体积混凝土的温度和温度应力要严格理论求解太过繁杂。
因此,一些专家根据现场实测数据和大体积混凝土水化放热变化规律,采用简化近似求解的方式,得出经验公式,直接应用于大体积混凝土工程温控实践当中。
主要包括:
最高温度、表面温度、温差、量设计的计算。
2.4.1最高温度
混凝土中心最高温度Tmax按下式
温度应力、保温材料厚度和冷却水管流
15]计算
Tmax
Tjmaxt
2-14)
式中,Tj――混凝土的浇筑温度(C)
maxmaxK1K2K3K4
K2――水泥品种修正系数;
K3――水泥用量修正系数;
K4――模板修正系数。
K1、K2、K3、K4取值参见表2-2。
t――t龄期混凝土的降温系数。
计算值见表2-3。
混凝土的降温系数与龄期、浇筑层厚度、水泥水化放热速度和气温等有关,具体取值按实际情况酌情而定。
表2-2Ki、K2、K3、K4修正系数
水泥标号
水泥品种
水泥用量
模板修
修正系数
修正系数
修正系数
正系数
Ki
K2
K3
K4
27.5
0.74
矿渣水泥
K3W
钢模板
32.5
0.86
1.0
1.0
42.5
1.00
普通硅酸盐水泥
275
木模板
52.5
1.13
1.2
W为实用水泥量
1.4
表2-3不同龄期和浇筑厚度的t值
浇筑层厚(m
不同龄期t天
3
6
9
12
15
18
21
24
27
1.00
0.36
).290.
170.0
90.05
0.030
.01
1.25
0.42
).310.
190.1
10.07
0.040
.03
1.50
0.49
0.460.
380.2
90.21
0.150
.120.(
)80.05
■
2.50
0.65
0.620.
590.4
80.38
0.290
.230.
190.16
1
3.00
0.68
0.670.
630.5
70.45
0.360
.300.:
?
502
4.00
0.74
0.730.
720.6
50.55
10.460
.370.:
90.25
■
注:
本表适用于混凝土浇筑温度为20〜30.0C的工程
242表面温度
混凝土的表面温度Tb(t)按下式门5〕计算:
4//
(2-15)
Tb(t)Tq-42h/H-h/Tt
H
h——实际浇筑厚度;
h—龄期为t时混凝土的虚厚度(m);
注:
h」K?
^314'
入-混凝土的导热系数(W/m-K);
K--计算折减系数,根据试验资料可取0.666;
3■-混凝土模板及保温层的传热系数(W/m*m-K)。
2.4.3内外最大温差
2.4.4温度应力计算
温度应力按下式'9'计算:
式中,Et――龄期为t时混凝土弹性模量(MPa);
Sh(t)――混凝土徐变松驰系数;
△T――混凝土最大综合温差「C);
u――混凝土泊松比;
――混凝土线膨胀系数1/[T];
Rk――混凝土弹性模量变化系数。
大体积混凝土温度应力安全系数
Rf
(2-18)
max
式中,Rf――混凝土抗拉应力;
2.4.5保温材料厚度的计算
根据不同龄期混凝土温度计算结果,混凝土在不同龄期养护所用保温材料厚度按下式'21'计算:
0.5HTbTq
K
1Tmax仏
(2-19)
式中,K——传热修正系数,见表2-4;
H――混凝土结构厚度(m);
――保温材料导热系数(w/m-K),见表2-5;
Tb――混凝土表面温度(C);
Tq――养护期间第t天的平均气温(C);
1混凝土导热系数(w/m-K);
Tmax――混凝土最高温度(C)。
246冷却水管流量设计
材料名称
材料名称
木模
0.23
粘土砖
0.43
钢模
58
油毡
0.05
草袋
0.14
沥青矿棉
0.09〜0.12
木屑
0.17
沥青玻璃棉毡
0.05
炉渣
0.47
泡沫塑料制品
0.03〜0.05
粘土
1.38〜1.47
泡沫混凝土
0.10
干砂
0.33
水
0.58
湿砂
1.31
空气
0.03
冷却水管流量设计,是在不考虑混凝土表面散热以及结构不产生裂缝的条表2-5各种保温材料导热系数值
件下,根据能量守恒规律,即水泥水化产生的热量等于冷却水带走的热量,得出
下式1221
CMgxT。
C2tT
(2-20)
式中,Ci混凝土比热;(kcal/kg
M1混凝土的质量(kg);
T0――不产生裂缝的最高温度
C2冷却水的比热(kcal/kg
C);
「C)
C);
M2——时间t内水的流量(m3/s);
T――冷却水管进出水口温差(C);
t降温所需的时|可(h);
三建模过程(附:
MidasCivil建模命名流)
■
1
4"L
-34
nrt
图1承台模型
四结果分析
图2温度云图
图2是某一时刻混凝土内部温度云图。
混凝土内部由水化热产生热量使混凝
土内部温度高于外界温度并向四周扩散。
从图中明显的看到混凝土中心部分温度
较高越向周边温度越低。
图3形变云图
图3是某一时刻混凝土内部形变云图。
从图中我们较清楚的可以看到混凝土
形变的趋势,造成这种趋势的原因是混凝土内部在这个区域内的温度较高,因而
和混凝土外部形成较大的温差,而温差是混凝土有温度产生裂缝的主要因素。
素以我们可以通过这个趋势可以尽早的知道混凝土裂缝发展趋势,并能够尽早挺土有效地防护措施。
ts
图4容许张拉应力图
图4是在混凝土内部沿X-Z剖面上选取的4个不同的点分别绘出各点容许张
拉应随时间的变化图。
我们从图中可以看出当时间在360h是趋于最大值。
fi度
图5温度变化图
图5是在混凝土内部沿X-Z剖面上选取的5个不同的点分别绘出各点温度
随时间的变化图。
我们可以看出在混凝土浇筑80h时,混凝土内部这一点的温度
达到最大值40.60C使内外温差为31.10C超出了对于,《混凝土结构工程施工及验
收规范》'12规定:
大体积混凝土温差不宜超过25.0C。
所以要对混凝土做降温
处理,否则由于内外温差过大会使混凝土产生裂缝,从而影响其强度,并加快混凝土碳化的速度。
图6加冷水管模型图
图6是由于混凝土内部温度过高而采取加冷水管来降低内部温度的模型图。
图7家冷水管温度变化曲线
图7是在混凝土内部沿X-Z剖面上选取的5个不同的点分别绘出各点温度随
时间的变化图。
我们可以看出在混凝土浇筑80h时,混凝土内部这一点的温度达到最大值34.10C,内外温差为20.60C,符合《混凝土结构工程施工及验收规范》'12规定:
大体积混凝土温差不宜超过25.0C的规定。
图8加冷水管后温度变化云图
图8是混凝土内部加冷水管之后某一时刻内部温度变化云图。
从图中可以看
出加冷水管之后混凝土内部温度有了明显的变化。
但是又使得冷水管与周围混凝土温差过大而对混凝土产生不利的因素。
所以要控制进水温度。
在一个就是在冷管进出口位置处温差也会过大。
应做好防护处理。
三混凝土裂缝的防护
大体积混凝土的温度裂缝问题给许多工程带来了一系列的挑战,因此,需要在总结前人经验的基础上继续深入研究。
如何防止大体积混凝土的温度裂缝,需要找到其产生的原因和影响因素,找到恰当的对策,采取恰当的措施,做到尽量避免和减少。
大体积混凝土中的裂缝有表面裂缝、深层裂缝和基础贯穿裂缝。
其中表面裂缝对结构的整体性能影响不大,只影响其防水性、抗渗性和耐久性。
但是,女口果不加以治理,经长时间的发展以后,极有可能发展成为深层裂缝,甚至成为基础贯穿裂缝,造成重大工程危害。
发现问题就要解决问题,在过去几十年,通过工程实践和试验等方式,提出了防止大体积混凝土产生温度裂缝的大量措施,包括使用低热水泥、降低水泥用量、采用导热系数高的骨料、优化混凝土的配合比、掺用混合材料、掺外加剂(引气剂、减水剂、缓凝剂和膨胀剂等)、降低浇筑温度(预冷骨料、冷却拌和水及加冰拌和)、合理分缝分块、合理安排施工进度、通水冷却、表面养护、提高混凝土的耐久性、发展碾压混凝土及特种混凝土(如钢纤维混凝土、微膨胀混凝土)等。
3.1材料
3.1.1使用低热水泥使用低热水泥如矿渣水泥和大坝水泥等,能明显降低混凝土的绝热温升,
降低大体积混凝土的最高温度。
伴随减小混凝土内表温差,起到减小温度应力的作用。
从而减少产生裂缝的充分条件。
由于矿物成分及掺加混合材数量不同,水泥的水化热差异较大,铝酸三钙
(C3A)和硅酸三钙含量高的,水化热亦高,而混合材掺量多的水泥水化热则较低。
为降低水化绝热温升、减小体积变形,大体积混凝土一般不宜使用水化热高水泥,应使用水化热较低的中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥;更不宜使用早强型水泥。
因此,在满足混凝土设计要求的前提下,尽量采用低水化热水泥。
3.1.2降低水泥用量在大体积混凝土的施工中,降低水泥用量和使用低热水泥一样,都能减小
温度应力,达到温控的目的。
大体积混凝土必须在满足强度的要求下,尽量降低水泥用量,通常有多种方法可以达到这种目的。
如选用级配良好的骨料、采用后期强度作为设计强度、掺入混合料和减水剂等。
大体积混凝土发生温度变化而导致体积变化的主要原因是水泥水化产生的水化热。
收缩、徐变和化学变化也会造成体积变化,但通常都远小于水泥水化热产生的体积变化。
因此,除采用低热水泥外,要减少温度变形,还是要尽量地降低水泥用量。
3.1.3优化混凝土配合比优化混凝土的配合比,尽量提高混凝土的抗裂能力。
在保证混凝土强度和
满足泵送要求的前提下,要选用级配良好的骨料,并严格控制骨料的含泥量,含泥量要W1.5%。
尽可能采用粒径较大的骨料,最大粒径越大,骨料的空隙率和表面积越小,混凝土的水泥用量就越小,相当于降低混凝土绝热温升。
在混凝土中,骨料所占的比例达到85%左右,因此,采用导热系数高的骨料,可以提高混凝土的导热系数,增加散热速度,从而达到温控的目的。
掺量在10〜30%之间。
粉
1/3,28天约为水泥的1/20,掺15%。
大体积混凝土的强度通
3.1.4掺一定比例的混合材
在大体积混凝土中,混合材通常是使用粉煤灰,煤灰的水化热放热量远小于水泥,7天约为水泥的加粉煤灰可以减小水泥用量,可有效降低水化热约常要求较低,允许掺较多的粉煤灰。
另外,优质粉煤灰的需水性小,有减水作用,可降低混凝土的单位用水量和水泥用量;还可减小混凝土的自生体积收缩,有的还略有膨胀,有利于防裂。
掺粉煤灰还能抑制碱-骨料反应并防止因此产生的裂缝。
3.1.5掺外加剂
外加剂有减水剂、缓凝剂、膨胀剂等多种类型。
减水剂是最常用、最重要的外加剂,它具有减水和增塑作用,在保持混凝土坍落度及强度不变的条件下,可减少用水量,节约水泥、降低绝热温升。
缓凝剂主要是延长混凝土凝结时间,降低水泥放热速率,相应地就会推迟温峰的到来,起到降低最高温度的作用。
近年来,人们研究出用膨胀剂配制的补偿混凝土能产生一定的膨胀,这种膨胀在内外约束条件下产生一定的内压应力,这种内压应力与冷缩或于缩产生的拉应力相抵消,建立混凝土内部新的应力平衡而防止开裂。
在配筋足够时,要形成足够的内压应力,就必须有膨胀作保证,以使内压应力与抗拉强度的总值等于或大于因温差收缩产生的拉力,因此,膨胀对温差的补偿效应。
实质上就是膨胀应力对温差收缩产生拉应力的补偿。
利用这种温差补偿效应,取得了防渗抗裂的效果。
[20]
据试验,掺加GCL1-3改性木钙减水剂,掺量为0.2〜0.4%,约减水泥用量15%掺减水剂可有效地降低混凝土的单位用水量,从而降低水泥用量。
缓凝型减水剂还有抑制水泥水化作用,可降低水化温升,有利于防裂。
还可延迟水化热释放速度,最高温度也有所降低。
这种减水剂可以缓凝,在大体积混凝土中可以避免冷接缝,提高工作性及流动性,有利于泵送。
对收缩及抗拉强度几乎没有什么影响,
3.2
在大体积混凝土施工过程中,为了有效降低大体积混凝土的内外温差,常采用分块浇筑。
分块浇筑又可分为分层浇筑法和分段跳仓浇筑法两种。
分层浇筑法目前有全面分层法、分段分层法、斜面分层法3种浇注方案。
在时间允许的条件下,可将大体积混凝土结构采用分层多次浇注,施工层之间按施工缝处理,即薄层浇筑技术,它可以使混凝土内部的水化热得以充分地散发,应该注意的是分层浇筑的间歇时间。
目前水工大体积混凝土中遵循的原则是薄层短间歇,对施工缝的处理要求十分严格。
而在桥梁大体积混凝土施工中,由于体积相对较小,多采用一次性整体浇筑和全面分层多次浇筑。
3.2.2降低浇筑温度
要降低混凝土的最高温度和温差,比较直接的措施是降低浇筑温度,但其实施必须拥有一定的条件才能实现,在特大型工程中可能才用得到。
降低浇筑温度的具体措施包括:
1、降低原材料温度,如做好水泥散热、骨料浇水冷却和预冷等;2、采用冷却拌和水与加冰拌和;3、浇筑前预冷混凝土;4、减少运输途中的热量倒灌,包括减小运输距离,采用特制的保温罐车,用保温材料包裹混凝土泵送管道等。
在桥梁大体积混凝土的施工中比较实用的措施是做好水泥散热工作、对骨料浇水冷却、采用冷却拌和水和减小运输距离等。
3.2.3合理安排施工进度
施工进度对大体积混凝土的温度的变化影响非常明显。
特别应该注意的是分次、分层浇筑的间歇时间。
在分次当中,若间歇时间过长,则会延长施工工期,另一方面也会使老混凝土对新浇混凝土产生较大的约束,从而在上下层混凝土结合面产生难以发现的垂直裂缝。
若间歇时间过短,则正处于下层混凝土升温阶段,表面温度较高,这时覆盖上层混凝土,就会明显地不利于下层混凝土的散热,同时也容易导致上层混凝土升温,就有可能超过混凝土要求的最高温升,从而加大混凝土产生裂缝的可能性。
因此,选择上层混凝土覆盖的适宜时间应是在下层混凝土温度己降到一定值时,即上层混凝土温升倒加到下层后,下层混凝土温度回升值不大于原混凝土最高温升。
在每次浇筑中,又分几层,其层间的间隔时间应尽量缩短,必须在上层混凝土初凝之前,开始浇筑下层混凝土。
层间最长的时间间隔不大于混凝土的初凝时间。
当层间间隔时间超过混凝上的初凝时间。
层面应按施工缝处理:
1、消除
浇筑表面的浮浆、软弱混凝土层及松动的石子,并均匀露出粗骨料;2、在上层
3、
混凝土浇筑前,应用压力水冲洗混凝土表面的污物,充分湿润,但不得有水;对非泵送及低流动度混凝土,在浇筑上层混凝土时,应采取接浆措施。
3.2.4冷却水管
目前,在大体积混凝土的现场温控措施中,较为常用的就是采用冷却水管,因为其具有直接、经济、易施工等特点,在桥梁中得到广泛应用。
在冷却水管的使用中,影响冷却效果的因素包括:
管材、管径、管长、埋设方式、间距、冷却水温度、通水速率等。
在管材的选择上,从钢管到铝管发展到聚乙烯管;管径从20〜50cm不等;管长根据现场情况而定,但长度应w400m;在埋设方式上,从矩形排列到梅花形再到纵横交错;间距在0.8〜3.0m之间,与计算结果有关;冷却水温度当然是越低越好,但也要考虑冷却水与混凝土的温差,以防在冷却水管周围引起裂缝;通水速率保证管内产生紊流即可。
影响冷却水管效果的几个因素:
[1]
1、管径:
按理论计算,当管径增大一倍时,钢材用量增大一倍,但冷却速度只提高了19.7%,效果并不明显。
2、管距:
当管距减小一倍时,管材用量增大一倍,但冷却时间可缩短123%,效果非常显著。
3、
管厚:
由于金属导热系数大,其壁厚对冷却效果几乎没有影响。
而其它材料由导热系数大小而定。
4、流量:
流量应足够大,以使管内产生紊流。
如发生层流,会
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