建筑工程大體積混凝土施工過程中冷卻過程調整與優化分析

孫朋立

0 引言

大體積混凝土最為常見的冷卻措施是通水冷卻，在冷卻過程中，通過有限元分析方法，能夠判定水管冷卻精度與網格密度有著直接關聯，網格密集度越高，模擬分析精度越高?；谶@一原理，可以利用數學算法對大體積混凝土的整個冷卻過程的各項參量進行優化和調整，以最大限度地降低混凝土出現溫度裂縫的概率，而這種算法通常被稱為等效算法，在運用這種算法時，通常根據大體積混凝土的最高溫度、最低溫度、最大拉應力以及抗拉強度等指標對冷卻效果進行全方面分析，進而為冷卻方案的優化與調整提供更為精準的參考數據。

1 大體積混凝土概述與施工實例

1.1 大體積混凝土概述

所謂大體積混凝土主要是指結構實體的尺寸在1m 以上，或者是因為水泥水化熱的原則而引起混凝土內外溫差過大致使產生裂縫的混凝土。通過對概念的剖析和解讀可以發現，按照尺寸對大體積混凝土進行定義相對比較貼切。但是，正是因為混凝土結構尺寸大，水泥產生的水化熱量才會明顯高于普通混凝土。因此，出于對概念理解準確性的考慮，在界定大體積混凝土時，除了考慮混凝土結構尺寸以外，還應當考慮水泥的種類、強度、水泥用量、外界環境等因素。正是由于水泥水化熱的存在，以至于混凝土在冷卻過程中，混凝土內部與外部將出現較大的溫度差，在這種情況下，混凝土結構極易出現溫度裂縫和收縮裂縫。按照裂縫深度劃分，主要包括貫通裂縫、深度裂縫、表層裂縫。由于貫通裂縫貫穿于混凝土結構的整個斷面，如果不及時對裂縫進行處理，混凝土的結構強度將受到嚴重影響，甚至直接作為廢棄混凝土處理，這就給施工單位造成了巨大的經濟損失，而通過對產生裂縫的原因的分析，施工單位可以對混凝土冷卻過程中的各項參量值進行優化和調整，這樣能夠大幅降低裂縫出現的概率。

1.2 大體積混凝土施工實例

該工程為某高層住宅樓，全剪力墻結構，地下一層，地上24 層，總建筑面積49 256m。地下室部分基礎采用板式筏基，長度為76.5m，寬度為32m。后澆帶處于筏基較長部位的中間位置，寬度為0.8m，筏板厚度為1.4m，局部電梯井部位的混凝土厚度為2.9m，混凝土工程量約為3 600m。樓體基礎部分采用的混凝土均為大體積混凝土，其熱學性能如表1 所示。

表1 高層住宅樓基礎大體積混凝土熱學性能指標

2 大體積混凝土冷卻過程的計算理論

2.1 熱導方程與應力計算方程

在大體積混凝土冷卻過程中，首先需要建立一個數學計算模型，技術人員可以根據熱傳導理論，列出熱傳導的數學方程，并對冷卻的邊界條件予以判定，熱傳導方程如下：

根據這一方程，能夠確定大體積混凝土冷卻的邊界條件，即：

在上述方程當中，[]代表熱傳導矩陣，[]代表熱傳導補充矩陣， T、T代表節點溫度列陣，{}代表節點溫度荷載列陣，Δ代表時間步長，n 則代表時間序數。

在計算和分析和過程中，應當充分考慮水管這一負熱源，將冷卻水管的冷卻作用作列為影響大體積混凝土冷卻速度與效果的一個重要因素，然后，結合上述數學方程來推演出混凝土的等效熱傳導方程，即：

在上述方程式中，代表混凝土的初始溫度，T代表水管的進水口溫度，Φ 和代表水管冷卻效果函數，在計算過程中，應當考慮水管的材質與水管的內外徑。

根據熱傳導方程以及混凝土等效熱傳導方程，可以列出大體積混凝土的內外應力方程，首先確定Δτ時段內所產生的應變增量為：

2.2 計算模型與基本工況

在建立大體積混凝土冷卻計算模型時，首先需要確定模型單元數與模型結點，然后根據順建筑方向、橫建筑方向與垂直于建筑的三個方向，建立一個數學坐標系。在模型構建完畢，應當確定大體積混凝土的基本工況條件，即位于基巖位置的混凝土周邊、頂面及底面處于絕熱狀態，其他位置屬于熱量交換邊界，未經蓄水冷卻部位的溫度較外界環境溫度高出2℃，而水溫邊界則以蓄水邊界為準。

當大體積混凝土進入到施工階段以后，技術人員應當實時獲取每一道工序的施工狀態，并對基礎各個部位的溫度值予以測定，在確定具體的溫度值以后，可以根據測定結果來編制基礎的澆筑計劃。對于基礎的側面以及倉面則采取臨時保溫措施。如果混凝土澆筑時間在每年的11 月到3 月之間，為了減少內外溫差，施工人員需要對混凝土進行保溫處理，其中，該地的月平均氣溫如表2 所示。

從表2 當中可以看出，每年的11 月至3 月，當地正處于冬季時節，這期間，月平均最低氣溫出現在每年的1 月份，為1.9℃，由于外界溫度過低，如果不采取保溫措施，混凝土出現溫度裂縫的概率也將大幅提升。

表2 施工地月平均氣溫（單位：℃）

3 大體積混凝土冷卻過程中的調整與優化策略

3.1 冷卻條件分析

在對大體積混凝土進行通水冷卻時，涉及的主要內容包括通水水溫以及二期冷卻的起始時間。在調整和優化各項溫度參量時，需要考慮以下七種工況，即：基本工況，160d 時開始二次冷卻，在這種狀態之下，其余六種工況條件分別是一冷水溫為16℃、一冷水溫為20℃、二冷水溫為6℃、二冷水溫為10℃，145d 開始二冷以及175d 開始二冷。在實施通水管水冷策略時，選取的冷卻水管為彎曲的塑料管，導熱系數一般在1.0kJ以上，如果澆筑混凝土的時間為每年的4 月到10 月，那么，可以將冷卻水管排布成面積為1.5m×1.5m 的形態，對于上游防滲層，應當加密到1.0m×1.5m，并按照蛇形的布置方式對冷卻水管進行擺放。在冷卻過程中，所使用的冷卻水溫度與混凝土的溫度差應當保持在20℃以下。

在這種七種工況當中，基本工況是其他工況所參考的條件，即混凝土初冷時間在20d 以內，降溫幅度在8℃以下，通水溫度為18℃左右，通水流量介于1.5～ 1.8m/h 之時，為了增強冷卻效果，技術人員每間隔24h 的時間，需要改換水流方向，使得每24h 的降溫值在1.0℃以下。在對混凝土進行二次冷卻時，冷卻水的溫度以8℃為宜，通水流量可以適當增加，但是，最大流量值應當小于1.8m/h。

3.2 一次冷卻水溫的影響要素

在對建筑基礎的大體積混凝土進行一次冷卻時，在基礎工況條件下，冷卻溫度較之降低2℃，經過現場測定可知，建筑基礎高大高程的位置，溫度降低了0.41℃，隨著溫度的降低，混凝土最大應力值也相應降低0.12Mpa，如果溫度高出基礎工況2℃以后，那么基礎混凝土的最大溫度也將相應地增加0.46℃左右，最大應力值則增加0.01Mpa，冷卻最大溫度應力改變約為0.06Mpa/℃。通過現場觀察測定可知，在基礎混凝土完成澆筑工序以后，2～ 3d 的時間里，混凝土內部溫度的上升幅度較大，在這種情況下，技術可以對混凝土進行一次冷卻，以延緩混凝土內部的溫升速度，使內部溫度能夠始終保持在20℃左右，在一次冷卻過后，混凝土內部應力值也將呈現出明顯的下降趨勢。

3.3 二次冷卻水溫的影響因素

對大體積混凝土進行二次冷卻時，不同的水溫對混凝土的冷卻效果也會產生不同的影響。其影響的參量主要包括混凝土的溫度以及應力，通過比對分析發現，當二次冷卻的水溫在基礎工況的狀態下降低2℃時，倉內最高溫度仍然保持在原有狀態，這時，混凝土內部的最大應力增加0.24Mpa，如果在基礎工況的狀態下，將溫度提升2℃，那么，內部最大應力值將減少0.25Mpa，從這一數據可以看出，二次冷卻的最大溫度應力約為一次冷卻的2 倍左右。在七種不同工況條件下，對建筑基礎的溫度線進行比對可以看出，4 月到7 月間，降溫速率明顯增加，究其原因是通水時間與流量始終保持原有狀態，最低溫度并未發生改變，當水溫為6℃時，最混凝土的最低溫度為11.72℃，當水溫為8℃時，混凝土溫度為12.31℃，當水溫達到10℃時，混凝土的溫度升至13.62℃。而在不同工況下，對溫度應力曲線進行對比發現，當二次冷卻水溫在6℃時，此時的溫度應力已經遠遠超出混凝土的允許應力，由此可以看出，如果在二次冷卻時，將溫度調整到較低的區間，混凝土可以在較短的時間內達到目標溫度，但是，在冷卻過程中，試驗人員應當隨時觀察混凝土的溫度變化情況，以避免出現過冷現象，而影響混凝土的質量與性能。

3.4 二次冷卻起始齡期的影響因素

在對混凝土進行二次冷卻時，起始齡期不同，混凝土的溫度與應力值也有所不同。以基礎工況條件下的二次冷卻為例，如果齡期提前15d，那么，最大的橫向應力則增加0.17Mpa，如果齡期延后15d，混凝土的最大應力則降低0.14Mpa，由此可以看出，如果適當延長冷卻開始時間，則能夠達到緩慢冷卻的目的，在這種情況下，混凝土內外溫差范圍也將慢慢縮小。通過對七種工況條件下建筑基礎溫度曲線的分析，冷卻時間越提前，混凝土溫度的平穩狀態維持的時間越短。在一次冷卻過后的145d 進行二次冷卻，混凝土的最低溫度值為12.18℃，在一次冷卻過后的160d 進行二次冷卻，混凝土最低溫度為12.31℃，而在一次冷卻后的175d 進行二次冷卻，混凝土的最低溫度為12.36℃，三種不同的工況條件，混凝土的最低溫度也出現了微小的差異。而通過對溫度應力曲線的分析發現，如果在一次冷卻以后的第145d 開始進行二次冷卻，混凝土的實際應力值明顯超過允許應力，而在1 月至4 月期間，混凝土溫度僅僅存在一個緩慢的下降趨勢，因此，在剛剛進入二次冷卻以后，三種不同的工況條件下，其溫度應力差異并不明顯。

3.5 大體積混凝土冷卻過程調整與優化結果分析

在試驗過程中，一共選定了7種工況，進行數學建模與計算，其試驗結果顯示：在采取一次冷卻措施時，可以對混凝土的最高溫度進行調整，當最高溫度減小以后，混凝土的總溫差也將隨之減小，這時，混凝土的溫度應力也將有明顯降低，通過現場試驗可知，溫度每降低1℃，混凝土的溫度應力將減小0.06Mpa左右。而在對混凝土進行二次冷卻時，通水溫度則應當以低水溫為宜，冷卻水溫越低，則混凝土到達目標溫度的速度越快，在這種情況下，混凝土應力也將隨之增加，水溫每降低1℃，應力值將隨之增加0.12Mpa。另外，由于此次試驗的二次冷卻開始時間在4 月至7 月，這期間，外界的環境溫度呈現出緩慢升溫狀態，而如果對二次冷卻的開始齡期進行控制，則不會對混凝土的最低溫度造成較大的影響。但是，如果延長二次冷卻的開始齡期，混凝土的溫控時間將緩慢增加，最大應力值也將降低0.14Mpa 左右。

從以上的試驗結論可以看出，為了最大限度地降低大體積混凝土出現裂縫的概率，首先，技術人員可以采取降低一次冷卻最高溫度的方法，這種方法能夠有效降低混凝土的最大溫度應力。其次，應對二次冷卻的通水溫度進行合理控制，盡量降低二次冷卻的水溫，但是，應當防止過冷現象的發生。最后，技術人員可以適當延遲二次冷卻的開始齡期，這樣，也可以規避混凝土的開裂風險。

4 結語

綜上，大體積混凝土一旦出現裂縫等病害，不僅會影響混凝土結構的外觀質量，而且對結構的安全性能也將產生嚴重威脅。因此，大體積混凝土在施工過程中，施工單位應當結合現場冷卻效果以及混凝土的溫度與應力的實時數據，對冷卻過程中的溫度及冷卻開始齡期進行優化和調整，在降低混凝土裂縫風險的同時，使混凝土結構的整體質量與安全性能得到可靠保障。