大體積混凝土溫度應(yīng)力研究

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（宿州學(xué)院 管理工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

大體積混凝土溫度應(yīng)力研究

鄧?？?，陳小芳

（宿州學(xué)院 管理工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

闡述了大體積混凝土溫度應(yīng)力的類型以及形成過(guò)程，并對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響因素進(jìn)行了理論分析，通過(guò)工程實(shí)例所測(cè)數(shù)據(jù)分析了大體積混凝土溫度應(yīng)力的變化規(guī)律.結(jié)果表明：溫度變化大致可分為溫度快速增長(zhǎng)、溫度快速下降以及溫度緩慢下降三個(gè)階段，鋼筋應(yīng)力變化可分為壓應(yīng)力快速增長(zhǎng)和壓應(yīng)力緩慢減小直至部分鋼筋受拉兩個(gè)階段，混凝土內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力曲線與溫度呈負(fù)相關(guān)性變化.

大體積混凝土；溫度應(yīng)力；鋼筋應(yīng)力

大體積混凝土是一次澆筑量大于1000m3或混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體最小幾何尺寸等于或大于1m，且混凝土中膠凝材料水化熱會(huì)導(dǎo)致溫度變化和收縮而產(chǎn)生有害裂縫的混凝土[1].而溫度應(yīng)力是指由于溫度升降變化而引起的應(yīng)力.在大體積混凝土施工時(shí)，由于混凝土澆筑數(shù)量大，水泥中的膠凝材料，特別是其中的鋁酸三鈣，釋放熱量大且快，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度急劇上升并產(chǎn)生破壞性的溫度應(yīng)力.因此，本文通過(guò)對(duì)某大體積混凝土基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)，研究其溫度和應(yīng)力的變化規(guī)律，為相應(yīng)的防治措施提供理論依據(jù).

1 大體積混凝土溫度應(yīng)力

混凝土水化熱大量釋放的所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力可以分為兩大類：(1)自約束應(yīng)力：當(dāng)混凝土處于靜定狀態(tài)，且內(nèi)部各單元體的溫度呈非線性分布，由于應(yīng)變差而產(chǎn)生的應(yīng)力；(2)外約束應(yīng)力：不論混凝土內(nèi)部各單元體的溫度呈線性還是非線性分布，由于混凝土的自由變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力.

混凝土溫度應(yīng)力發(fā)展分三個(gè)階段：

1.1 早期

從開(kāi)始澆筑到水化熱釋放完畢，大概30天.此階段，溫度快速上升，表現(xiàn)出兩個(gè)特性：一是膠凝材料水化產(chǎn)生大量的熱；二是混凝土逐漸凝結(jié)，彈性模量劇烈變化，由于這個(gè)原因，在早期階段，混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力.

1.2 中期

從水化熱釋放完畢到混凝土冷卻至穩(wěn)定溫度時(shí)止，此階段，溫度較快下降，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大.

1.3 晚期

從混凝土冷卻至穩(wěn)定溫度開(kāi)始的整個(gè)壽命期，溫度應(yīng)力主要由于混凝土結(jié)構(gòu)外界溫度變化而產(chǎn)生，并與前兩階段的殘余應(yīng)力疊加.

2 大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響因素

2.1 彈性模量

從混凝土水化反應(yīng)開(kāi)始，即出現(xiàn)溫度應(yīng)力和彈性模量，兩者呈正比例變化關(guān)系.且隨著溫度場(chǎng)的變化，彈性模量時(shí)刻發(fā)生變化.因此，在計(jì)算溫度應(yīng)力的時(shí)候，需考慮彈性模量和溫度場(chǎng)的關(guān)系和變化.在澆筑早期階段，混凝土呈塑性狀態(tài)，彈性模量較小，由于溫度升高產(chǎn)生的溫度應(yīng)力能夠得到及時(shí)釋放，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也較小.隨著混凝土的逐步凝固硬化，彈性模量快速增加，溫度場(chǎng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也快速增加.因此，在對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算時(shí)，混凝土彈性模量的變化，是應(yīng)重點(diǎn)考慮的因素.

2.2 徐變

除了溫度場(chǎng)產(chǎn)生的變形，在長(zhǎng)期荷載作用下，混凝土?xí)a(chǎn)生跟荷載大小無(wú)關(guān)的長(zhǎng)期的變形，稱為混凝土徐變.徐變有利于抵消一部分溫度應(yīng)力產(chǎn)生的變形，有利于溫度應(yīng)力裂縫的控制.所以，大體積混凝土施加荷載后，再研究和計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，則應(yīng)充分考慮到非線性變形的徐變對(duì)溫度應(yīng)力的抵消作用.

2.3 水分場(chǎng)

大體積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)與水分遷移相互作用、相互影響，水的比熱容大，其遷移對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生很大影響.考慮兩場(chǎng)的交叉耦合機(jī)制，為混凝土失水收縮提供重要的理論依據(jù)，且在大體積混凝土溫度應(yīng)力研究方面，提供了另外一個(gè)角度的理論研究.大體積混凝土的應(yīng)變和溫度應(yīng)力的一部分存在形式是收縮應(yīng)力，由收縮變形引起，水分場(chǎng)作為影響大體積混凝土溫度應(yīng)力的因素，應(yīng)受到充分重視.

3 某大體積混凝土工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

依托某大體積混凝土工程，借助鋼筋計(jì)、溫度探頭、溫度采集系統(tǒng)等軟硬件設(shè)備，收集現(xiàn)場(chǎng)大體積混凝土不同部位溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力數(shù)據(jù)變化，可時(shí)刻監(jiān)視大體積混凝土的降溫措施的效果及產(chǎn)生裂縫的情況，進(jìn)而保證工程的安全施工.通過(guò)監(jiān)測(cè)元件的測(cè)試及數(shù)據(jù)采集，分析得出大體積混凝土內(nèi)部溫度及應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律，如下圖1所示：

由圖1可知，測(cè)點(diǎn)溫度變化大致可分為三個(gè)階段[3]：溫度快速增長(zhǎng)階段—溫度快速下降階段—溫度緩慢下降階段.每階段的具體分析如下：

圖1 測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

3.1 溫度快速增長(zhǎng)階段

大體積混凝土澆筑后，由于水泥中膠凝材料的化學(xué)反應(yīng)而放出大量的熱，在第1~2d后，導(dǎo)致整個(gè)混凝土產(chǎn)生足以使混凝土本身溫度升高到80度左右.由于外界環(huán)境的影響，表層混凝土的熱量快速傳遞給大氣，表層的溫度上升很??；內(nèi)部的熱量較難傳遞給外界，內(nèi)部的溫度上升的很高.因此，此階段，大體積混凝土內(nèi)外部產(chǎn)生過(guò)高的溫差，會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生大量有害的裂縫.所以，大體積混凝土澆筑早期，必須采取各種手段，降低混凝土的內(nèi)外溫差，防止有害裂縫的產(chǎn)生[4].

3.2 溫度快速下降階段

進(jìn)入這個(gè)階段，混凝土水化熱基本釋放完畢，由于內(nèi)外部的熱量交換，混凝土內(nèi)部溫度快速下降，逐步趨于環(huán)境溫度，溫度應(yīng)力快速增加.此外，混凝土的彈性模量增加較快，當(dāng)溫度應(yīng)力達(dá)到混凝土的極限抗壓強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)部容易出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重的情況下，甚至出現(xiàn)貫穿裂縫.這個(gè)階段，應(yīng)該采取外保溫措施，防止內(nèi)部溫度過(guò)快下降.

3.3 溫度緩慢下降階段

進(jìn)入最后一個(gè)階段，水泥水化反應(yīng)結(jié)束，且水化熱釋放完畢，混凝土結(jié)構(gòu)與外界仍然存在溫差，熱交換導(dǎo)致混凝土溫度緩慢下降，產(chǎn)生的應(yīng)力與前兩階段殘余應(yīng)力疊加.

自混凝土澆筑后，混凝土內(nèi)部的鋼筋應(yīng)力曲線與溫度呈負(fù)相關(guān)變化，鋼筋應(yīng)力值隨時(shí)間變化表現(xiàn)為先減小后增大的過(guò)程，具體如下圖2所示.鋼筋應(yīng)力變化可分為兩個(gè)階段[5]：

（1）壓應(yīng)力快速增長(zhǎng)階段：混凝土屬于一種熱惰性材料，水化熱產(chǎn)生的熱量不容易散失，導(dǎo)致整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)膨脹，其中，鋼筋的線膨脹系數(shù)與混凝土的近似相等.但是，鋼筋的彈性模量是混凝土的7~15倍.由于混凝土邊界的約束作用，鋼筋壓應(yīng)力增大，如圖2所示：伴隨混凝土溫度的急劇下降，鋼筋壓應(yīng)力反急劇增大，溫度降到最低時(shí)，鋼筋壓應(yīng)力達(dá)到最大值.

（2）壓應(yīng)力逐步消失直至部分鋼筋出現(xiàn)拉應(yīng)力.隨著水化熱基本釋放完畢和外圍熱量的進(jìn)一步散去，整個(gè)結(jié)構(gòu)的外圍溫度開(kāi)始下降，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)收縮變形.另外由于混凝土的散熱而產(chǎn)生收縮，伴隨著水分的蒸發(fā)和混凝土的繼續(xù)硬化，促使混凝土快速硬化收縮.但是，由于混凝土受到外圍約束，不可避免產(chǎn)生有破壞性的拉應(yīng)力，只要將拉應(yīng)力控制在一定范圍內(nèi)，就達(dá)到了目的.

圖2 鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié)言

4.1 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大體積混凝土溫度和應(yīng)力的實(shí)測(cè)，結(jié)合大體積溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，得出大體積混凝土溫度應(yīng)力的變化分為三個(gè)階段：初期急劇上升階段、中期急劇下降和后期緩慢下降階段.

4.2 大體積混凝土一旦澆筑，就面臨著高水化熱的極大影響，表現(xiàn)為溫度迅速上升，大概一天左右，最高溫度就可達(dá)到80℃左右，混凝土內(nèi)外溫差很大，必須采取溫度裂縫控制措施;

4.3 由圖2鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線可知，大體積混凝土鋼筋應(yīng)力曲線與溫度呈負(fù)相關(guān)性.隨著時(shí)間的推移，鋼筋應(yīng)力值的變化表現(xiàn)為開(kāi)口向上的拋物線變化趨勢(shì).鋼筋應(yīng)力變化可分為兩個(gè)階段：第一階段為快速增長(zhǎng)階段的壓應(yīng)力，第二階段為緩慢下降的壓應(yīng)力，直到一些鋼筋出現(xiàn)拉應(yīng)力.

〔1〕大體積混凝土施工規(guī)范.GB 50496-2009.

〔2〕朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].中國(guó)電力出版社，1998.4-5.

〔3〕王衍森，等.特厚沖積層中凍結(jié)井外壁溫度實(shí)測(cè)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,35(4):468-472.

〔4〕彭立海，等.大體積混凝土溫控與防裂[M].鄭州：黃河水利出版社，2005.

〔5〕王衍森，等.特厚沖積層中凍結(jié)井外壁鋼筋應(yīng)力的實(shí)測(cè)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,36(3):287-291.

TU755

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1673-260X（2012）05-0050-03

宿州學(xué)院碩士基金項(xiàng)目（2010yss09）