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摘要：掌握温度应力变化规律及混凝土裂缝的产生原因对于进行合理的结构设计和施工极为重要的。本文首先简要论述了温度应力引起的原因及其形成过程，基于此，深入分析了浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响，仅供大家參考。
关键词：浇筑温度、大体积混凝土、温度应力
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
改革开放以来，我国经济蓬勃发展,城市建设不断朝着高建筑,整体浇筑混凝土方向发展。现在每年混凝土用量已达9亿立方米。为满足结构功能需要,大体积混凝土施工也越来越普遍,如高层建筑地下室基础的底板、承台,上部结构转换层等,混凝土工程的施工质量总体水平不断提高。但是与国民经济发展水平和国际先进水平相比,我国建筑工程混凝土施工质量仍有较大差距,特别是造成混凝土裂缝现象时有发生。引起混凝土裂缝原因很多,在大体积混凝土施工中,温度应力是造成裂缝最常见的原因。制大体积混凝土裂缝的产生与发展,首要控制的是混凝土的温度,因此从温控的角度来看,混凝土的浇筑温度对混凝土的温度应力起着重要的作用。大体积混凝土的温度应力的研究一直以来主要是材料的组成、水化热的释放速度、养护技术、降温措施、抗裂设计方法等,不管是那一种方法都存在一定的问题。
二、温度应力引起的原因及其形成过程
1、温度应力引起的原因
温度应力引起的原因主要由两个，这两种温度应力往往和混凝土的干缩引起的应力共同作用。
（1）自生应力
没有任何边界上完全约束或静止的结构, 如果内部温度是非线形分布的, 由于结构本身互相约束而会出现温度应力。例如桥梁墩身, 结构尺寸相对较大, 混凝土冷却时表面温度低, 内部温度高, 在表面出现拉应力, 在中间出现压应力。
（2）约束应力
结构的全部或部分边界受到外界的约束, 不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土在温度变化时的变形应力。
2、温度应力的形成过程
温度应力的形成过程可分为以下三阶段:
（1）早期
自浇注混凝土开始至水泥放热基本结束, 一般为30d。这个阶段具有两个特征, 一是水泥放出大量的水化热, 二是混凝土弹性模量的急剧变化, 这一时期在混凝土内部形成残余应力。
（2）中期
自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止, 这个时期中, 温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起, 这些应力与早期残余的应力相叠加, 在此期间混凝土的弹性模量变化不大。
（3）晚期
混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起的, 这些应力与前两种残余应力相叠加。
三、浇筑温度的计算
设浇筑温度TP可根据下式进行计算
式中: T1为入仓温度;Ta为气温； 1为平仓以前的温度系数； 2为平仓以后的温度系数；R为太阳辐射热;B为表面放热系数； 为从混凝土入仓后到平仓前所经历的时间(min)；k为经验系数。
因为平仓前的情况比较复杂,故在施工过程中现场应进行混凝土拌和物温度量测,根据实测结果确定系数。在缺乏实测资料时,可以取k=0.0030(1/min)。
四、浇筑温度不同情况的模拟分析
在结构模拟分析中采用嵌固板模型,即平面尺寸采用较大尺寸(所采用的混凝土底板平面尺寸为100m@50m)。基础为岩石基础,即为刚性约束,其他各边自由。混凝土的上部和侧面与空气接触,下面通过岩石基础导热。
把基础视为无限大物体,在ANSYS建模时,取长度和宽度为混凝土底板的2倍。基础的埋深取10m,岩石基础除上表面外,其他各面均采用三向固定约束。
在其他因素相同的情况下,混凝土浇筑前采用相应的降温措施,使混凝土具有不同的浇筑温度来分析混凝土的温度应力场。选用有限元软件ANSYS进行混凝土的温升与时间关系分析时,分别取混凝土的浇筑温度为25℃、30℃、35℃、40℃4种情况,用ANSYS模拟后,对所得结果进行分析,绘出如图1所示的不同浇筑温度情况下的温度与龄期的关系曲线图。
图1不同浇筑温度下温度与龄期的关系
由图1中可知,当浇筑温度不同时,混凝土的温度曲线也相应产生变化,混凝土的最高温度随着浇筑温度的升高而升高。如当浇筑温度为25℃时,最高温度为58.53℃；当浇筑温度为40℃时,最高温度达到70.31℃。同时当浇筑温度较高时,混凝土的最高温度出现的时间相对也较早,说明较高的浇筑温度会使水泥的水化速度提高。
同样,利用ANSYS的热-结构耦合功能将上面的温度作为荷载施加到大体积混凝土结构上,便可得到不同龄期时结构的温度应力,将模拟结果分析并处理,便得到如图2所示的第一主应力随龄期的变化曲线。
图2不同浇筑温度下温度应力与龄期的关系
由图2中可知,当浇筑温度越高时,结构所产生的温度应力越大。如当浇筑温度分别为25℃、30℃、35℃、40℃时,结构的第一主应力分别为2.86MPa、3.20MPa、3.54MPa、3.92MPa,其关系基本为线性关系,即浇筑温度每提高1℃,结构的第一主应力便增大2.47%。由此可以看出,浇筑温度对温度应力的影响是比较大的。另外,从不同的浇筑温度分析最大温度应力出现的时间可以发现,浇筑温度高,最大温度应力出现的时间晚,但差别并不大, 浇筑温度约每差10℃,最大温度应力出现的时间差为1d。
为了更好地分析浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响,将不同浇筑温度下大体积混凝土的降温差与龄期的关系、内外温差与龄期的关系分别绘制,如图3、图4所示。
图3不同浇筑温度下降温差与龄期的关系
图4不同浇筑温度下内外温差与龄期的关系
由图3、图4可知,大体积混凝土的降温差和内外温差都是随着浇筑温度的增加而增加,且最大降温差和最大内外温差均随着浇筑温度的增大使其发生的时间有所提前。同时,由于大体积混凝土的温度应力与降温差和内外温差均有密切的关系,从而可以看出,混凝土温度应力一定也是随着浇筑温度的增加而增加,并且都是呈线性变化的,这与实际情况完全相符。
五、控制大体积混凝土浇筑温度的措施
通过ANSYS的仿真结果可以得到,控制浇筑温度可以有效地降低大体积混凝土底板的温度应力。因此,在浇筑混凝土的过程中,应尽量地降低混凝土的浇筑温度。为此,可以通过降低出机口温度、入仓温度等来降低混凝土的浇筑温度。
混凝土出机口温度T0可按下式进行计算
式中:cs、cg、cc、cw分别为砂、石、水泥和水的比热；qs、qg分别为砂、石的含水量；Ws、Wg、Wc、Ww分别为每m3混凝土中砂、石、水泥、和水的质量；Ts、Tg、Tc、Tw分别为砂、石、水泥和水的温度。
从式(3)可以看出,砂、石、水泥、水等各种材料对混凝土的出机口温度均有影响,但从配合比设计中材料的性能匹配性原理出发,由砂、石、水泥的矿物质应接近的原则可知,砂、石、水泥的比热应接近。从大体积混凝土的配合比可知,石、砂的质量约为水泥的4.5倍和3.5倍。从式(3)还可看出,石子温度的影响最大,其次是砂子和水的温度,水泥温度的影响较小。所以,为了降低混凝土出机口温度,最有效的方法是降低石子和砂子的温度(如覆盖等),因为石子和砂子的温度每降低1℃,可分别使混凝土温度下降约0.63℃和0.19℃；另外,还可采用中、低热水泥等。
入仓前的运输与振捣对混凝土的浇筑温度影响也很大,这一过程伴随着气候和摩擦的热量倒灌。为了减少热量倒灌,可采取以下方法:
1、减少混凝土的运输时间。
2、对混凝土运输用的罐车和泵管采用覆盖的方法。
3、减少混凝土罐车在工地的停留时间。
4、减少混凝土输送管的弯头,尤其是90℃弯头,尽可能增大输送管的管径。
5、严禁混凝土的过振等。
六、结语
通过以上模拟研究分析，可总结出以下几点：
1、结构的第一主应力随着浇筑温度的提高而增大,且为线性关系,浇筑温度每提高1e,结构的第一主应力增大2.47%。
2、当浇筑温度较高时,混凝土的温度相对也高,且混凝土的最高温度出现的时间相对也较早,说明较高的浇筑温度会使水泥的水化速度提高。
3、浇筑温度高,最大温度应力出现的时间晚,但差别并不大,浇筑温度约每差10e,最大温度应力出现的时间差为24h。
4、降低大体积混凝土浇筑温度的最有效方法，就是采取降低混凝土的出机温度和入仓温度。
5、大体积混凝土的降温差和内外温差均随浇筑温度的增加而增加,且最大降温差和最大内外温差均随浇筑温度的增大使其发生的时间有所提前；同时,由于大体积混凝土的温度应力与降温差和内外温差有着密切的关系,从而可以看出,混凝土温度应力一定也是随着浇筑温度的增加而增加,并且都是呈线性变化的,这与实际情况完全相符。
参考文献：
［1］ 薛城：《大体积混凝土施工期温度应力若干问题研究》，清华大学， 2010年
［2］ 解荣：《大体积混凝土温度监控的研究》，长安大学， 2011年
［3］ 徐卫超：《大体积混凝土温度控制若干问题研究》，三峡大学， 2005年
［4］ 李潘武 曾宪哲 李博渊 还跃林：《浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响》，《长安大学学报(自然科学版)》， 2011年05期
［5］ 张宇鑫：《大体积混凝土温度应力仿真分析与反分析》，大连理工大学， 2002年
关键词：浇筑温度、大体积混凝土、温度应力
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
一、前言
改革开放以来，我国经济蓬勃发展,城市建设不断朝着高建筑,整体浇筑混凝土方向发展。现在每年混凝土用量已达9亿立方米。为满足结构功能需要,大体积混凝土施工也越来越普遍,如高层建筑地下室基础的底板、承台,上部结构转换层等,混凝土工程的施工质量总体水平不断提高。但是与国民经济发展水平和国际先进水平相比,我国建筑工程混凝土施工质量仍有较大差距,特别是造成混凝土裂缝现象时有发生。引起混凝土裂缝原因很多,在大体积混凝土施工中,温度应力是造成裂缝最常见的原因。制大体积混凝土裂缝的产生与发展,首要控制的是混凝土的温度,因此从温控的角度来看,混凝土的浇筑温度对混凝土的温度应力起着重要的作用。大体积混凝土的温度应力的研究一直以来主要是材料的组成、水化热的释放速度、养护技术、降温措施、抗裂设计方法等,不管是那一种方法都存在一定的问题。
二、温度应力引起的原因及其形成过程
1、温度应力引起的原因
温度应力引起的原因主要由两个，这两种温度应力往往和混凝土的干缩引起的应力共同作用。
（1）自生应力
没有任何边界上完全约束或静止的结构, 如果内部温度是非线形分布的, 由于结构本身互相约束而会出现温度应力。例如桥梁墩身, 结构尺寸相对较大, 混凝土冷却时表面温度低, 内部温度高, 在表面出现拉应力, 在中间出现压应力。
（2）约束应力
结构的全部或部分边界受到外界的约束, 不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土在温度变化时的变形应力。
2、温度应力的形成过程
温度应力的形成过程可分为以下三阶段:
（1）早期
自浇注混凝土开始至水泥放热基本结束, 一般为30d。这个阶段具有两个特征, 一是水泥放出大量的水化热, 二是混凝土弹性模量的急剧变化, 这一时期在混凝土内部形成残余应力。
（2）中期
自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止, 这个时期中, 温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起, 这些应力与早期残余的应力相叠加, 在此期间混凝土的弹性模量变化不大。
（3）晚期
混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起的, 这些应力与前两种残余应力相叠加。
三、浇筑温度的计算
设浇筑温度TP可根据下式进行计算
式中: T1为入仓温度;Ta为气温； 1为平仓以前的温度系数； 2为平仓以后的温度系数；R为太阳辐射热;B为表面放热系数； 为从混凝土入仓后到平仓前所经历的时间(min)；k为经验系数。
因为平仓前的情况比较复杂,故在施工过程中现场应进行混凝土拌和物温度量测,根据实测结果确定系数。在缺乏实测资料时,可以取k=0.0030(1/min)。
四、浇筑温度不同情况的模拟分析
在结构模拟分析中采用嵌固板模型,即平面尺寸采用较大尺寸(所采用的混凝土底板平面尺寸为100m@50m)。基础为岩石基础,即为刚性约束,其他各边自由。混凝土的上部和侧面与空气接触,下面通过岩石基础导热。
把基础视为无限大物体,在ANSYS建模时,取长度和宽度为混凝土底板的2倍。基础的埋深取10m,岩石基础除上表面外,其他各面均采用三向固定约束。
在其他因素相同的情况下,混凝土浇筑前采用相应的降温措施,使混凝土具有不同的浇筑温度来分析混凝土的温度应力场。选用有限元软件ANSYS进行混凝土的温升与时间关系分析时,分别取混凝土的浇筑温度为25℃、30℃、35℃、40℃4种情况,用ANSYS模拟后,对所得结果进行分析,绘出如图1所示的不同浇筑温度情况下的温度与龄期的关系曲线图。
图1不同浇筑温度下温度与龄期的关系
由图1中可知,当浇筑温度不同时,混凝土的温度曲线也相应产生变化,混凝土的最高温度随着浇筑温度的升高而升高。如当浇筑温度为25℃时,最高温度为58.53℃；当浇筑温度为40℃时,最高温度达到70.31℃。同时当浇筑温度较高时,混凝土的最高温度出现的时间相对也较早,说明较高的浇筑温度会使水泥的水化速度提高。
同样,利用ANSYS的热-结构耦合功能将上面的温度作为荷载施加到大体积混凝土结构上,便可得到不同龄期时结构的温度应力,将模拟结果分析并处理,便得到如图2所示的第一主应力随龄期的变化曲线。
图2不同浇筑温度下温度应力与龄期的关系
由图2中可知,当浇筑温度越高时,结构所产生的温度应力越大。如当浇筑温度分别为25℃、30℃、35℃、40℃时,结构的第一主应力分别为2.86MPa、3.20MPa、3.54MPa、3.92MPa,其关系基本为线性关系,即浇筑温度每提高1℃,结构的第一主应力便增大2.47%。由此可以看出,浇筑温度对温度应力的影响是比较大的。另外,从不同的浇筑温度分析最大温度应力出现的时间可以发现,浇筑温度高,最大温度应力出现的时间晚,但差别并不大, 浇筑温度约每差10℃,最大温度应力出现的时间差为1d。
为了更好地分析浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响,将不同浇筑温度下大体积混凝土的降温差与龄期的关系、内外温差与龄期的关系分别绘制,如图3、图4所示。
图3不同浇筑温度下降温差与龄期的关系
图4不同浇筑温度下内外温差与龄期的关系
由图3、图4可知,大体积混凝土的降温差和内外温差都是随着浇筑温度的增加而增加,且最大降温差和最大内外温差均随着浇筑温度的增大使其发生的时间有所提前。同时,由于大体积混凝土的温度应力与降温差和内外温差均有密切的关系,从而可以看出,混凝土温度应力一定也是随着浇筑温度的增加而增加,并且都是呈线性变化的,这与实际情况完全相符。
五、控制大体积混凝土浇筑温度的措施
通过ANSYS的仿真结果可以得到,控制浇筑温度可以有效地降低大体积混凝土底板的温度应力。因此,在浇筑混凝土的过程中,应尽量地降低混凝土的浇筑温度。为此,可以通过降低出机口温度、入仓温度等来降低混凝土的浇筑温度。
混凝土出机口温度T0可按下式进行计算
式中:cs、cg、cc、cw分别为砂、石、水泥和水的比热；qs、qg分别为砂、石的含水量；Ws、Wg、Wc、Ww分别为每m3混凝土中砂、石、水泥、和水的质量；Ts、Tg、Tc、Tw分别为砂、石、水泥和水的温度。
从式(3)可以看出,砂、石、水泥、水等各种材料对混凝土的出机口温度均有影响,但从配合比设计中材料的性能匹配性原理出发,由砂、石、水泥的矿物质应接近的原则可知,砂、石、水泥的比热应接近。从大体积混凝土的配合比可知,石、砂的质量约为水泥的4.5倍和3.5倍。从式(3)还可看出,石子温度的影响最大,其次是砂子和水的温度,水泥温度的影响较小。所以,为了降低混凝土出机口温度,最有效的方法是降低石子和砂子的温度(如覆盖等),因为石子和砂子的温度每降低1℃,可分别使混凝土温度下降约0.63℃和0.19℃；另外,还可采用中、低热水泥等。
入仓前的运输与振捣对混凝土的浇筑温度影响也很大,这一过程伴随着气候和摩擦的热量倒灌。为了减少热量倒灌,可采取以下方法:
1、减少混凝土的运输时间。
2、对混凝土运输用的罐车和泵管采用覆盖的方法。
3、减少混凝土罐车在工地的停留时间。
4、减少混凝土输送管的弯头,尤其是90℃弯头,尽可能增大输送管的管径。
5、严禁混凝土的过振等。
六、结语
通过以上模拟研究分析，可总结出以下几点：
1、结构的第一主应力随着浇筑温度的提高而增大,且为线性关系,浇筑温度每提高1e,结构的第一主应力增大2.47%。
2、当浇筑温度较高时,混凝土的温度相对也高,且混凝土的最高温度出现的时间相对也较早,说明较高的浇筑温度会使水泥的水化速度提高。
3、浇筑温度高,最大温度应力出现的时间晚,但差别并不大,浇筑温度约每差10e,最大温度应力出现的时间差为24h。
4、降低大体积混凝土浇筑温度的最有效方法，就是采取降低混凝土的出机温度和入仓温度。
5、大体积混凝土的降温差和内外温差均随浇筑温度的增加而增加,且最大降温差和最大内外温差均随浇筑温度的增大使其发生的时间有所提前；同时,由于大体积混凝土的温度应力与降温差和内外温差有着密切的关系,从而可以看出,混凝土温度应力一定也是随着浇筑温度的增加而增加,并且都是呈线性变化的,这与实际情况完全相符。
参考文献：
［1］ 薛城：《大体积混凝土施工期温度应力若干问题研究》，清华大学， 2010年
［2］ 解荣：《大体积混凝土温度监控的研究》，长安大学， 2011年
［3］ 徐卫超：《大体积混凝土温度控制若干问题研究》，三峡大学， 2005年
［4］ 李潘武 曾宪哲 李博渊 还跃林：《浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响》，《长安大学学报(自然科学版)》， 2011年05期
［5］ 张宇鑫：《大体积混凝土温度应力仿真分析与反分析》，大连理工大学， 2002年