基于Comsol有限元模型對大體積混凝土澆筑溫度變化分析研究

基于Comsol有限元模型對大體積混凝土澆筑溫度變化分析研究摘要：大體積混凝土因一次澆筑量多、澆筑面積大、澆筑深度厚，水化熱過大，散失較慢，混凝土內(nèi)外產(chǎn)生較大溫差，為控制溫度裂縫的產(chǎn)生,因此以實際項目為載體，研究大體積混凝土溫度影響因素及變化規(guī)律，通過在comsol進行有限元分析進行前期溫度場仿真模擬數(shù)值與澆筑全過程溫度變化曲線及溫度場隨時間變化規(guī)律互相印證，實測數(shù)據(jù)與模擬變化數(shù)據(jù)大致相符。因此，在實際施工過程中可通過模型等數(shù)值分析法模擬大體積混凝土在不同澆注溫度及導(dǎo)熱系數(shù)影響因素下溫度變化趨勢。關(guān)鍵詞：Comsol有限元分析、大體積混凝土、溫度變化規(guī)律、裂縫控制；前言：本文以實際項目為例，通過comsol建立澆筑模型，模擬混凝土施工全過程溫度變化，與實測數(shù)據(jù)進行對比分析，推演裂縫產(chǎn)生的原因，模擬不同導(dǎo)熱系數(shù)，分析溫度變化規(guī)律，為溯源大體積混凝土裂縫控制提供了原始依據(jù)。1、大體積混凝土施工常見的施工重難點1.1

大體積混凝土的裂縫控制大體積混凝土內(nèi)出現(xiàn)的裂縫按深度的不同，分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種。貫穿裂縫是由混凝土表面裂縫發(fā)展為深層裂縫，最終形成貫穿裂縫。它切斷了結(jié)構(gòu)的斷面，可能破壞結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，其危害性是較嚴重的;而深層裂縫部分地切斷了結(jié)構(gòu)斷面，也有一定危害性;表面裂縫一般危害性較小。大體積混凝土施工階段所產(chǎn)生的溫度裂縫，一方面是混凝土內(nèi)部因素：由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生的;另一方面是混凝土的外部因素：結(jié)構(gòu)的外部約束和混凝土各質(zhì)點間的約束，阻止混凝土收縮變形，混凝土抗壓強度較大，但抗拉能力卻很小，所以溫度應(yīng)力一旦超過混凝土能承受的抗拉強度時，即會出現(xiàn)裂縫。這種裂縫的寬度在允許限值內(nèi)，一般不會影響結(jié)構(gòu)的強度，但卻對結(jié)構(gòu)的耐久性有所影響，因此必須予以重視和加以控制。1.2大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因

1)水泥水化熱水泥在水化過程中要釋放出一定的熱量，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面較厚，表面系數(shù)相對較小，所以水泥發(fā)生的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失。這樣混凝土內(nèi)部的水化熱無法及時散發(fā)出去，以至于越積越高，使內(nèi)外溫差增大。單位時間混凝土釋放的水泥水化熱，與混凝土單位體積中水泥用量和水泥品種有關(guān)，并隨混凝土的齡期而增長。由于混凝土結(jié)構(gòu)表面可以自然散熱，實際上內(nèi)部的最高溫度，多數(shù)發(fā)生在澆筑后的最初3～5天。

2)外界氣溫變化大體積混凝土在施工階段，它的澆筑溫度隨著外界氣溫變化而變化。特別是氣溫驟降，會大大增加內(nèi)外層混凝土溫差，這對大體積混凝土是極為不利的。溫度應(yīng)力是由于溫差引起溫度變形造成的，溫差愈大，溫度應(yīng)力也愈大。同時，在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，混凝土內(nèi)部的最高溫度一般可達60～65℃，并且有較長的延續(xù)時間。因此，應(yīng)采取溫度控制措施，防止混凝土內(nèi)外溫差引起的溫度應(yīng)力。

3)混凝土的收縮混凝土中約20%的水分是水泥硬化所必須的，而約80%的水分要蒸發(fā)。多余水分的蒸發(fā)會引起混凝土體積的收縮。混凝土收縮的主要原因是內(nèi)部水蒸發(fā)引起混凝土收縮。如果混凝土收縮后，再處于水飽和狀態(tài)，還可以恢復(fù)膨脹并幾乎達到原有的體積。干濕交替會引起混凝土體積的交替變化，這對混凝土是很不利的。影響混凝土收縮，主要是水泥品種、混凝土配合比、外加劑和摻合料的品種以及施工工藝、養(yǎng)護條件等。1.3

大體積混凝土養(yǎng)護時的溫度控制養(yǎng)護是大體積混凝土施工中一項十分關(guān)鍵的工作，溫度控制就是對混凝土的澆筑溫度和混凝土內(nèi)部的最高溫度進行人為的控制。大體積混凝土承臺里表溫差、降溫速率及環(huán)境溫度的測試，每天不少于4次;入模溫度的測量，每天（澆筑日）不少于3次。施工中應(yīng)該做到：基礎(chǔ)混凝土澆筑時，設(shè)專人配合預(yù)埋測溫裝置，配備專職測溫人員（由現(xiàn)場試驗員擔任），按兩班考慮。明確測溫要求和記錄填寫、報送。測溫人員要認真負責，按時按孔測溫，不得遺漏或弄虛作假。測溫記錄要填寫清楚、整潔，換班時要進行交底。測溫時發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部最高溫度與表面溫度之差達到25度或溫度異常時，應(yīng)及時通知技術(shù)部門和項目技術(shù)負責人，以便及時采取措施。1.4

大體積混凝土入?？刂仆ǔ？刂苹炷恋娜氡脺囟饶軌蛴行Ы档突炷羶?nèi)外溫差，從而減少溫度裂縫的產(chǎn)生，要求攪拌站采取措施將混凝土入模溫度控制在25℃以內(nèi)。施工現(xiàn)場設(shè)專人負責入泵混凝土的溫度監(jiān)測，監(jiān)測頻率控制在每段澆筑區(qū)域每4h測一次（每澆筑批不少于3次），并作好記錄。拌制混凝土的原材料均需進行檢驗，合格后方可使用。同時要注意各項原材料的溫度，以保證混凝土的入模溫度與理論計算基本相近。在混凝土攪拌站設(shè)專人摻入外加劑，摻量要準確。施工現(xiàn)場對商品混凝土要逐車進行檢查，測定混凝土的坍落度和溫度，檢查混凝土量是否相符。同時嚴禁混凝土攪拌車在施工現(xiàn)場臨時加水。2、大體積混凝土澆筑溫度計算2.1

項目基本信息項目位于長江中下游地區(qū)，澆筑時間為8月~10月，大體積混凝土設(shè)計強度等級C35P8，采用P·O42.5水泥，環(huán)境溫度選取當?shù)貧庀笳就隁v史同期氣象數(shù)據(jù)，如圖1?1所示。本次計算為大體積混凝土澆筑區(qū)域，選擇澆筑區(qū)域最厚處作為計算對象，計算最不利條件下的大體積混凝土施工期的溫度變化。3D模型如圖1?2所示，為便于計算，取1/4模型進行計算。圖1?2大體積混凝土澆筑區(qū)域1/4模型2.2

計算依據(jù)及參數(shù)2.2.1水泥水化度及放熱計算大體積混凝土澆筑區(qū)域混凝土設(shè)計強度等級C35P8，采用P·O42.5水泥，配合比如表1所示。表1計算用配合比/kg·m-3混凝土標號水水泥粉煤灰礦粉減水劑砂石C35P81651831008911.97801078計算使用水化度來描述膠凝材料水化的程度，其定義為：(1)其中Q為水化放熱；Qpot為完全水化反應(yīng)熱?？紤]膠凝材料水化反應(yīng)速率受溫度的影響，引入等效齡期，采用Arrhenius模型：(2)水化反應(yīng)速率與等效齡期的關(guān)系(3)考慮礦物摻合料水化反應(yīng)的影響，用Shindler和Folliard提出的公式進行計算(4)其中Slag和FA分別為礦粉和粉煤灰的摻量，為水泥在水化過程中所能達到的最大放熱量，P·O42.5水泥=400J/g。2.2.2傳熱計算假設(shè)混凝土中傳熱為固體傳熱，內(nèi)部傳熱僅為熱傳導(dǎo)，且遵循傅里葉定律，寫作：(5)其中為導(dǎo)熱系數(shù)，為比熱容，為水化熱。水泥混凝土為復(fù)合材料，其熱物理性能與配合比有很大關(guān)系，混凝土比熱按各材料重量百分比加權(quán)求和。表2混凝土熱物理性能估算參數(shù)材料名稱導(dǎo)熱系數(shù)[kJ/(m·h·℃)]比熱[kJ/(kg·℃)]21℃32℃43℃54℃21℃32℃43℃54℃水2.162.162.162.164.1874.1874.1874.187水泥4.4464.5934.7354.5930.4560.5360.6620.825砂11.12911.09911.05311.0990.6990.7450.7950.867石14.52814.19313.91714.1930.7490.7580.7830.8212.3邊界條件及模型參數(shù)傳熱計算中邊界條件為熱流邊界，垂直于邊界方向通過的熱流為(1)其中為不同邊界的等效換熱系數(shù)，大體積混凝土澆筑模擬一次澆筑，3天后拆模，邊界條件設(shè)定如圖3?1所示。模板邊界對稱邊界對流邊界熱源圖3?1一次澆筑熱源及傳熱邊界網(wǎng)格劃分如圖3?2所示。圖3?2大體積混凝土網(wǎng)格剖分計算中所用其他參數(shù)見表3。表3計算所用參數(shù)參數(shù)名值[單位]描述材料參數(shù)rho_c2414[kg/m^3]混凝土密度nu_c0.2混凝土泊松比C_p0.85[J/(g*K)]混凝土比熱容Lamda_c10.06[W/m·K]混凝土導(dǎo)熱系數(shù)水化模型參數(shù)c1-0.7擬合參數(shù)tk40[h]擬合參數(shù)Ea33200[J/mol]水化活化能Q_pot285.67[J/g]45.2水泥水化總放熱傳熱邊界換熱系數(shù)H_17.6[W/(m^2*K)]模板等效換熱系數(shù)H_26.623[W/(m^2*K)]頂面等效換熱系數(shù)H_319.11[W/(m^2*K)]空氣等效換熱系數(shù)其他T_ref293.15[K]參考溫度T_ini_pour30[degC]入模溫度2.4

計算結(jié)果環(huán)境溫度選取當?shù)赝隁庀笥涗洈?shù)據(jù)，施工時選擇夜間施工，混凝土入模溫度設(shè)為30℃作為熱物理場的計算初始值。模擬施工過程中心點和表面5cm處溫度變化。1#點2#點圖4?1溫度點示意圖基礎(chǔ)混凝土澆筑全過程中心溫度和表面溫度曲線如圖4?2所示，澆筑后36小時溫度達到最高值，如圖4?3所示，一次澆筑里表最大溫差不超過25℃，但拆模時表面溫度驟降，里表溫差大于25℃，存在開裂風險。圖4?2施工全過程溫度曲線圖4?3澆筑36h后溫度云圖圖4?4