（岩土工程专业论文）大体积混凝土裂缝预控系统的研究.pdf

摘要 大体积混凝土具有体积庞大、结构形式复杂、连续施工性强、质量控制难等特点， 因而在施工中如果控制不力，很容易产生结构裂缝，轻则出现表面裂缝，影响混凝土耐 久性，重则出现贯穿裂缝，严重影响混凝土的力学性能和构筑物的安全性。因此，如何 有效的控制和预防大体积混凝土的开裂，成为建筑工程界的一个热点、难点问题。由于 大体积混凝土自身结构的复杂性和应用条件的多样性，大体积混凝土的开裂问题还广泛 的存在于工程界，这些现实问题要求我们必须对大体积混凝土的开裂机理、裂缝发展、 评价体系和控制措施进行更加深入的研究。 大体积混凝土的产生、发展和变化过程是非常复杂的，预防温度裂缝要比预防外荷 载引起的裂缝难度大的多。但混凝土温度裂缝并不是不可控制的，科学合理的采取一些 技术措施可以将开裂减小的最低程度甚至完全避免。这就要求我们对温度裂缝产生的机 理、发展过程和内部温度场进行模拟和分析，制定合理的温控技术措施，加强施工管理， 有的放矢的采取相应的防裂措施，从而达到减小和避免裂缝的目的。 本文紧密结合工程实践开展裂缝问题的研究，在总结已有温控防裂成果的基础上， 从混凝土的原材料、配合比、外加剂和施工工艺等宏观方面以及混凝土的微观方面研究 大体积混凝土结构的温度应力、开裂原因和裂缝控制措施。综合考虑了温度应力与混凝 土的收缩所产生的应力叠加对混凝土开裂的影响，深入的对大体积混凝土的预控系统进 行了研究，提出了大体积混凝土温控与防裂的一些具体预防措施；通过用有限单元法进 行理论模型仿真分析和试验数据对比的方式，研究了大体积混凝土的温度场和温度应力 随时间的发展变化趋势，得出了大体积混凝土开裂的临界温差和开裂时间，同时以工程 实例的形式进行了温度裂缝计算和控制，得出了大体积混凝土温控防裂方面的一些重要 结论 【关键词】大体积混凝土；预控系统；温度应力；温度场；水化热 a b s t r a c t m 鹪sc o n c r e t ei se a s yt 0c r a c ki fc o n s t r u c t e di m p r o p e r l y ，b e c a u s eo fi t sh u g ev o l u m e 锄d c o m p l i c a t e dc o n s t m c t i o nc o n d i t i o n a n dt h ec r a c k i n gw i l le i t h c ra f r e c tt h ed u r 曲i l i t yo ft h e c o n c r e t es m l c t u r c ，o re v e ni n n u e n c em em e c h a l l i c sp e r f o n 】 1 a n c eo ft h ec o n c r e t e s oa v o i d i n g t h em a s sc o n c r e t e 五r o mc r a c l 【i n gh 硒d r a w nt h ea t t e n t i o no ft h ee i l 百n e e r i n gf i e l do ft l l ew h 0 1 e w o r l d a st h ev 撕e t yo fm a u s sc o n c r e t ea p p l i c a t i o na n di t sc o m p l e x i t 弘t l l ec r a c l ( i i l go fm a u s s c o n c r e t ei so c c 嘶n ga tl a r g e t h e s ep r o b l e m sr e q u e s tu st 0d om o r er e s e a r c h e so nc r a c k i n g m e c h a l l i s m ，c r a c k i n gd e v e l o p m e n t ，弱s e s s m e n tc r i t e r i a 锄dc r a c l 【i n gc o n n 0 lm e t h o d s m 弱sc o n c r e t e se n g e l l d d e v e l o p m e n ta l l dm o v e m e n ti sav e d rc o m p l i c a t e dp r o c e d u r e t 1 0p r e v e n tt e r n p e r 曲啪sc r 习l c ki sm o r ed i m c u n ym 强t 1 0p r e v e n tl o a d sc r a c k b u tc o n c r e t e s c m c kc a i lb ec o 劬的1 1 e d r e 弱o n a b l em e a s u r e ss h o u l db ea d o p t e dw l l i c hc 趾b r i n gd o w 1 lc r a c k e v c na v o i dc r a c k w 1 l i c hd e m a n du sk n o wm ec a u s eo ft 锄p 蹦l t l j r e sc r a c k ，d e v e l o p i n g p r o c e s s ，s i m u l a t ea n d 雒s a yi 彻e rt e r n p e r a l u r ef i e l d e s t a b l i s hr e ：塔o n a b l et c c h m c a lm e 嬲u r e s t 0c o m r o lt 锄p e r a t u r e ，s 仃e n 咖豇l i i l gc o n s m j c t i o nm 锄a g 锄e n t ，p u 印o s e m l l yt 0t a ：k es t 印st 0 p r e v e n tc r a c k ，t 0b r i n ga b o u tt h ed e s i r e dr c s u l t t h el 甜e 印r e s st i g l l tc o u p l i n ge n 西n e e r i n gp r a c t i c et 0d e v e l o pm e 咖d yo fc r k a tt h e b a s i co fp r e v e mc r a c k sp r o d l l c t i o n ，丘0 mc o n c r e t e sm w 甜l dp r o c e s s e dm a t e r i a l s ，f o 姗u l a ， a “x t i l r e ，t e c i l i l o l o g yt l l e s em a c r o s c o p i c 嬲p e c t s 雅dc o n c r c t e sm i c r o c o s m i c 弱p e c t st 0s t u d y 鼬r i l c t u r e st e n l p e r a t l l r es t r e s s ，c a u s a t i o no fc r a z i n ga n dc r a c kc o n 心o l l i n g g i v eas y i l t h c t i c c o n s i d e r a t i o nt 0t e m p e r a t u r es 缸e s sa l l dc o n c r e t es m m ( s n i e s s ，e m b e d d e ds t u d yt 0p r e v e n t 觚d c o n t r o ls y s t e mo fm 硒sc o n c r c t e b r i n gf 0 刑a r ds o m en e wm e 弱u r ea b o u tm 舔sc o n c r e t e s t e m p e r a t l 鹏c o n 臼0 l l i n g 龇dp r e v c n t i l l gc r a c k ；b yc o n t r 嬲tb e t 、) i ，e 髓m e 0 巧i n o d e l 朗m l a t i o n 趾a l y s i so ff i i l i t ee l e m e n t 趾l dt e s t i n gd a t e ，s t u d i n gm et e i l d e n go f m 嬲sc o i l c r e t e st 锄印e r a t i l r e f i l e da i l dt e m 印咖r es t r c s s sd e v e l o p m e n tb y t i m e ，l e a dt 0m 雒sc o n c r e t e c r a c kt 锄印r e t i j r e 趾dc r a c kt i l i l e 趾s o舶mt l l em a s sc o n c n e t e e x a n l p l ec o n t r o l ，a b t a i l ls o m ei r 印o n 绷t c o n c l u s i o no fd e f - e n dn 】a s sc o n c r e t ec r a c k s 1 ( e yw o r d s ：m a s sc o n c r e t e ，c o n t r o ls y s t 锄，t e m p e r a _ t u r es 仃e s s ，t 印1 p r a _ t u r ef i e l d ，h e a to f h y d r a t i o n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：婀、刁钳月拥 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：制 刁钳胁日 1 吣胁口 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 有关概念及国内外研究现状 1 1 1 大体积混凝土裂缝的基本概念 l 、大体积混凝土 对于大体积混凝土的定义，现在全世界还没有一个非常准确的定义，但是目前主要 有两种定义方法，主要是日本对大体积混凝土的定义和美国对大体积混凝土的定义，日 本的相关科研机构有如下规定：“结构的断面尺寸如果超过8 0 c m ，产生的水化热引起混 凝土内部的温度峰值与大气温度之差超过2 5 的混凝土结构，都把它们归为大体积混凝 土范畴 。美国对大体积混凝土定义如下：“对于浇筑的大体积混凝土，如果它的尺寸 较大，则必须要求解决水化热问题和体积变形问题，以最大限度减少开裂【l 】。目前在 国际上最普遍的就是这样的定义方法，但是裂缝都主要是由于水泥水化热而产生很大的 温度应力所导致的，因此要研究大体积混凝土，要研究的核心就是温度应力问题。 从上面两种定义可以得知：大体积混凝土不是由它的绝对截面尺寸的大小所决定 的，而是由是否会产生水化热引起的温度收缩应力来统一定性的，所以我们不能针对它、 的截面尺寸来对大体积混凝土下定义，温度应力在裂缝的产生上是否起到了主要作用才 是界定是不是大体积混凝土的一个重要问题。但水化热的大小又与截面尺寸有关，很自 然的就与水化所产生的温度应力有关系。 由于目前国内外对大体积混凝土还没有一个非常一致的定义，单纯以结构的截面尺 寸来判断是否是大体积混凝土的现象还是比较常见的，但这样的方式也给给工程带来不 必要的损失。例如：有些工程虽然结构厚度达到了定义要求，但混凝土内部释放的水化 热却不起主要作用，因此不属于大体积混凝土范畴，但一些甲方单位却要求施工单位按 大体积混凝土标准施工，则造成不必要的浪费；另外，还有些工程虽然厚度未达到 8 0 c m ( 或l m ) ，但混凝土内部释放的水化热却比较大，施工单位却没有按大体积混凝土的 技术标准施工，造成了结构裂缝，后来又采取种种补救措施，又造成了额外的费用。 如果按照国内建筑规范，大体积混凝土的定义是这样的：最小断面任何一个方向 尺寸大于0 8 m 以上的混凝土结构，其尺寸已大到必须采取相应的技术措施降低其温 度，控制温度应力与裂缝开展的混凝土【6 】。 2 、大体积混凝土的裂缝类型 大体积混凝土的裂缝类型有很多种，如下：冷缩干缩造成的裂缝、冻裂缝、碱骨料 第一章绪论 反应裂缝、膨胀裂缝、碳化裂缝、硫化物氧化裂缝、硫酸盐及其他空气中有害气体侵蚀 混凝土又引起钢筋锈蚀产生的裂缝等多种裂缝2 1 。前三种裂缝一般是在施工期产生和发 展，后面几种裂缝一般在使用期才会出现。倘若施工期较长的话，混凝土质量欠佳，则 碱骨料反应裂缝和碳化裂缝很有可能在施工期发生。 冷缩裂缝的形状一般情况下以条形状或几个条状裂缝相交的形式发生，裂缝深度由 冷缩拉应力大小来界定；干缩裂缝多呈现散乱状、深度相对较浅；碱骨料裂缝呈现网状， 裂缝内有反应圈；对于碳化裂缝来说，裂缝深度达到钢筋深度的时候，则缝将沿锈蚀钢 筋方向继续扩大，裂缝表面可用化学方法检验；冻裂缝主要以疏松脱落为主；其他各种 裂缝往往是钢筋锈蚀膨胀交汇在一起，没有非常显著的特征。 究其裂缝的成因，可将大体积混凝土裂缝分为三大类： ( 1 ) 水化热裂缝 碱骨料反应膨胀，即水化热反应，它是由骨料中含有无定形的二氧化硅( d ) 与 水泥中的碱( d 、墨d ) 起反应所产生的。它大约可分为三类：其一，碱一硅酸反 应( a l l 【a l i s i l i c ar e a c t i o n ，简称a s r ) ；其二，碱硅酸盐反应( a l k a l i s i l i c ar e a c t i o n ) ， 其三，碱一碳酸反应( a 1 l 【a l i c a r b o m a t cr e a c t i o n ) 。前面两个是结晶良好的硅酸盐岩石 活性骨料的反应，第三个是碳酸盐岩石活性骨料发生的反应的结果。 水化热反应产生的缝内或裂缝处的混凝土外表面有干涸的或粘稠状的硅酸钠( 钾) 胶体等物质。如果为碳酸盐活性骨料则是尬( 伽) ：，其体积膨胀可达9 2 1 2 0 ( 水 泥中尥d 过多也会产生相应的膨胀破坏，水泥制造流程规定一般朋r g d 5 ) 。活性细 颗粒周边或部分有很明确的的颜色和化学成分的改变时，这一范围称为反应环或反应 带。用2 0 3 0 倍的显微镜可以看出详细情况。 水泥含碱量计算如下式计算： 么：曰+ o 6 5 c 【2 】 式中a 水泥中碱的含量； b 水泥中d 的含量； c _ 水泥中心d 的含量。 碱与活性骨料吸取混凝土孔隙水达到一个反应，其速度与温度成正比，反应时间较 长，一般需一年或数年完成，可以通过试验计算出反应历时长短。为了防止碱骨料反应 产生危害，有的国家规定混凝土中含碱量；英国，小于或等于3 0 k g 研3 ；新西兰， 2 长安大学硕士学位论文 3 5 k g 掰3 ：南非，2 1 k g 朋3 ；日本，3 o k g 聊3 。我国规定水泥含碱量不超过o 6 。 混凝土中有一个安全含碱量，当碱硅比( 墨d + d ) 研d 小于某一值时，亦即当水泥含 量小于活性骨料相应的水泥安全含碱量时不产生膨胀【1 4 1 。根据很多实际资料显示，骨料 一般都有部分活性物质存在，但是如在水泥中的含碱量协调好也就无危害了。抑制碱骨 料反应多在混凝土胶结材料中掺入活性混合料，如白石灰、火山灰、矿渣，而普遍的外 加剂统称为粉煤灰，用量采取现场实验确定。 ( 2 ) 碳化裂缝 混凝土里面存在孔隙，将会吸收空气中的m 与混凝土中c r 口( 伽) ，生成c 口c d 3 造成 收缩。对于这样的化学反应，即使c 玖浓度再低也能产生。混凝土碳化由外到内的发展 一直到外界空气渗透不进才停止。它和活性材料品种、外加剂、水灰比、混凝土标号等 都有着密切的关系，总的意义上来说，凡式混凝土密实、孔隙少，则碳化深度浅而慢， 反之则快。根据建筑部门试验，7 天龄期以前无碳化现象，2 8 天龄期即可发生。碳化后 使混凝土变硬收缩，提高了混凝土表面的抗压强度，在用回弹法测定混凝土强度时应考 虑它的影响。判定碳化裂缝时，可将缝凿开，吹去灰渣，用喷雾器喷浓度l ( 可以试 验确定) 的酚酞酒精溶液，未碳化的混凝土仍有游离的c 口( 伽) ，呈现淡红色或紫红色 ( 掺粉煤灰混凝土) ，如果已经碳化，它的颜色就不会发生改变。 ( 3 ) 冷缩裂缝 冷缩裂缝一般以垂直缝的形式出现。由于铅直向下有混凝土自重的影响，因此一般 不会发生水平方向的裂缝，即使发生水平缝也多在顶面下压较薄的地方，并常出现于施 工层面上；这种情况主要是施工太差造成的，施工时层面处理不好，比如层面冻结，泌 水未排，清理不彻底，振捣不够等都会引起，当发生一定温度应力便会产生裂缝。 裂缝发生之后，如果是冷缩裂缝或者干缩裂缝，应该明确浇筑配合比，浇筑后直到 发生裂缝时外界气温的变化情况，混凝土表面保护，外界湿度蒸发，施工质量较差及其 他可能促使裂缝发生等因素。同时查明裂缝长度、缝宽度、位置及该位置上下混凝土配 比浇筑情况。如果开裂严重，还可采取超声波、钻孔压水试验等方法界定它的大致范围， 然后进行室内分析计算，提出相应的修改意见。 1 1 2 国内外温控防裂研究发展现状 大体积混凝土结构裂缝主要是由水泥水化引起的温度应力造成的，在一些大型的工 程项目中，很容易出现严重影响结构安全性和耐久性的贯穿破坏裂缝，国内外有很多专 3 第一章绪论 业技术人员、学者都在研究大体积混凝土的裂缝，寻求如何去减小大体积混凝土结构有 害裂缝的方法，如何去将裂缝控制在规定的范围之内。目前为止，在水利、建筑等各个 领域都取得了比较好的成就。 二十世纪初，美国首先开展了对大体积混凝土裂缝的研究，在各种理论研究成果的 基础之上，逐渐提出了采用低热水泥去拌和混凝土，同时对骨料进行预冷的处理措施， 降低混凝土的出仓温度和浇筑温度，施工中采用冷却水管降温的方法降低混凝土温度梯 度，以及混凝土表面保温减小混凝土降温速率的措施等一系列控制方法。这些措施在一 定程度上控制和预防了大体积混凝土裂缝的产生和发展。直至目前为止，这些方法一直 都在使用。另外，欧洲和日本在借鉴美国所取得成果的同时，他们也都提出了温控防裂 方面的一些重要技术措施。许多西方国家在关于如何设置伸缩缝方面也做了相关规定。 其中当以日本为主，他们在上世纪8 0 年代左右就成立了专门研究大体积混凝土温度场 合温度应力的研究机构，对于温度场和温度应力的变化规律以及裂缝出现的时间，都研 究出了很多有效的结果，最值得说明的是，日本提出了通过在混凝土上设置诱发缝的技 术措施，使裂缝的发展不至于破坏建筑的安全性和耐久性，这种有效措施的采用，从很 大程度上避免了主体结构受到破坏。 我们国家对大体积混凝土裂缝的研究室从上世纪5 0 年代开始的。有突出成就的主 要有两人，朱伯芳先生和王铁梦先生，朱伯芳先生主要从事理论方面的研究，对于温度 场的变化和温度应力的发展变化规律有自己独到的见解和结论，通过采用有限单元法模 拟混凝土的温度应力和温度场，取得了良好的成果。王铁梦先生主要在工程实践方面作 出了很大的贡献，他编著的工程结构裂缝控制，以理论联系实际的方式，给出了预 防和控制大体积混凝土裂缝发生和发展的很多有效的技术措施，对混凝土裂缝控制具有 很高的应用和参考价值。我国对于混凝土裂缝的研究主要建立在国外研究的基础上的。 截止目前为止，我国在温度场和温度应力等相关方面的研究以及温度应力变化规律研究 与计算方面已经取得了很好的成就，在混凝土温控防裂技术的使用方面也有很多突破， 分层分块浇筑法、加冰拌和法、预冷骨料法、水管冷却法、表面保温法等措施都被广泛 的应用于各项工程。 1 2 研究课题的提出 目前，在全世界，大体积混凝土都被广泛应用于各项大型工程当中，尤其是在水利 水电工程当中。大体积混凝土裂缝控制显得非常重要，某一处裂缝的发展都有可能严重 影响结构的安全性和耐久性能。除上述工程之外，港口建筑物、水工结构和高层建筑物 4 长安大学硕士学位论文 基础等用到大体积混凝土也非常频繁。大体积混凝土施工的主要特点，是以大区段为单 位进行施工的，施工体积大、厚，由此带来了很多施工上的技术难题和挑战。即使某些 工程采取了相应的技术措施，结构还是会发生开裂现象。追究其原因，主要还是胶凝材 料水化所释放出的水化热使混凝土内部温度迅速升高，由此产生的内部热量在短时间内 又不容易散发，造成了很大的内外温差( 温度梯度) ，再加上混凝土结构早期抗拉强度 较低，弹性模量小，混凝土会被拉断，从而导致开裂，严重影响工程的质量。 为了防止裂缝的发生和发展，必须有针对性的采取切实有效的技术措施。正是由于 大体积混凝土体积庞大、施工条件复杂多变、施工技术多种多样等特点，再加上混凝土 材料力学性能差异比较大，因此研究和控制温度变形裂缝就不仅仅是一个技术问题，而 是牵扯到结构计算，结构设计，混凝土配合比和各项物理力学性能指标还有施工工艺等 多方面的综合问题。如果能够准确掌握大体积混凝土温度场的温度变化规律和温度应力 变化规律，就可以有针对性的提出裂缝控制方案，有的放矢，对现场施工提供比较全面 合理的技术指导，有利于有效的保证现场施工质量的控制，增强结构物的耐久性和安全 性，这在各项工程中都具有深远的意义和研究价值。 1 3 本课题研究的内容和特点 本文在总结了已有温控防裂成果的基础上，在微观结构方面以理论结合实验数据的 形式，分析了大体积混凝土结构裂缝的大致发展趋势，对混凝土内部水泥水化所产生大 量水化热而引起的温度应力进行了详细的分析，总结了大体积混凝土在各个阶段内部温 度场的变化发展规律，综合考虑的温度应力与混凝土的干缩、温度收缩和塑性收缩所产 生的应力叠加对混凝土开裂的影响，在不同的温差阶段对混凝土进行了仿真分析，确定 了大体积混凝土开裂的临界温差，提出了大体积混凝土施工各个阶段的温度控制方法。 同时也对大体积混凝土的原材料、配合比、外加剂、施工工艺等宏观方面进行了更深入 的研究，对某些温控防裂措施进行了系统的优化。提出了一些大体积混凝土施工中防止 裂缝发生和扩展的行之有效的技术措施和管理办法。另外，本文在理论仿真分析和试验 数据分析结合的基础上，针对天津某污水处理厂混合反应沉淀池底板进行了抗裂计算和 防裂控制。 5 第二章大体积混凝十温度场和温度应力 第二章大体积混凝土温度场和温度应力 长期的工程实践经验证明，温度应力引起的结构裂缝是不可彻底避免的，但通过采 取合理的技术措施，裂缝是完全可以控制的。 大体积混凝土温度应力的发生、发展和变化是非常复杂的，因此防止温度裂缝要比 防止外荷载引起的开裂难度大的多，大体积混凝土防裂要保证在混凝土硬化到混凝土强 度增长的全过程中，温度应力均小于混凝土的抗拉强度，这个过程是很难控制的，影响 因素有很多。 2 1 大体积混凝土温度场 2 1 1 大体积混凝土温度场 混凝土温度场就是某一时刻结构内部与表面各点的温度状态【1 1 。大体积混凝土结构 形成以后，由于混凝土内部水泥水化热的大量产生，造成混凝土内部温度急剧上升，由 于大体积混凝土厚度大，很难和外界进行热量交换，因此这样就造成了很大的内外温差， 导致裂缝的出现。 2 1 2 大体积混凝土温度场的计算 混凝土在硬化的时候，会放出大量的水泥水化热，在混凝土浇筑后的最近几天内， 混凝土的温度变化非常快，主要是温度上升，可以从浇筑温度上升至最高温度。由于热 交换的存在，混凝土内部热量和外界环境不断的进行着热交换，逐渐的，温度就会达到 一个相对稳定的状态，大体积混凝土体积越大，达到稳定状态的时间越长。 对于计算混凝土的温度场，其实是求解热传导方程。依照不同的结构形式，温度场 可分为一维温度场、二维温度场和三维温度场。对于一维温度场，主要只考虑温度随厚 度的变化情况，例如混凝土的底板；而二维温度场则是按照平面求解方法来计算，温度 只沿x 方向、y 方向变化，沿z 方向看作不变；当结构各方向尺寸差别不大时，一般三 维温度场进行计算，如混凝土方块等。 因此，大体积混凝土温度场的计算其实是求解热传导方程的一个过程。 考虑一个材质均匀、各个方向性质相同的固体，从其中取出一非常小的计算单元 出咖出，在单位时间内从左边界面咖龙流入的热量为口，西忱，经右边界面流出的热量 为g 。+ 出咖出，则流入的净热量是q ，一g j + 出场庇，在固体的热传导过程中，热流量 g ( 单位时间内通过单位面积的热量) 与温度梯度a 成正比，但热流方向与温度梯 度方向相反，即： 6 长安大学硕士学位论文 口：一允坚 ( 2 1 ) g j2 一九_ 厶l ， 式中：旯导热系数 显然，热流量g 。是工的函数，将热流量展开成泰勒公式并只取前两项可得： 蒯，+ 罢出卅罢一允窘，于是，沿x 方向流入的净热量为： b j 飞础胁= 名窘蚴 ( 2 - 2 ) 同理，沿y 方向和2 方向流入的净热量分别为 名窘批和名窘撇 ( 2 3 ) 由于水化热作用，在绝热条件下混凝土的温度上升速度为： 塑：旦：堕( 2 4 ) 一= 一= 一 、二， 宅1 c pc p 式中：9 混凝土的绝热温升，； 形水泥用量，堙聊3 ； g 单位重量水泥在单位时间内放出的水化热，移慨 ) 。 由上式可得热传导方程： 篆= 。 ( 3 1 ) 式中： - 一单元任一位移矩阵； 【】形函数矩阵； 艿) 。为单位节点位移矩阵。 ( 3 ) 分析单元的力学性能。可由三个方面来说明： 表示单元应变的关系式如下： p = 【曰】 万 。 ( 3 2 ) 式中： p ) 某一点应变矩阵； 【曰卜一单元的应变矩阵。 单元应力的关系式如下： 盯) = d 】( s ) _ f 。) ) + 盯。) = 【d 】【曰】 艿 。一【d 】 占o ) + 仃。 ( 3 3 ) 式中： p 卜一为单元内应力矩阵； 【d 卜一单元弹性矩阵； 概) _ 一单元原始应变矩阵； - 一单元原始应力矩阵。 节点位移和节点力关系式： r ) 。= k 。 j 。 ( 3 4 ) 式中： 2 1 第三章大体积混凝土理论模型和试验模型的研究 职) 8 单元节点力矩阵； 隧】8 单元刚度矩阵。 ( 4 ) 等效节点力的计算。在连续的单元当中，传力过程是这样的：力是从某一个单元 的边界传递到另一个单元边界。所以，施加于计算单元边上的面积荷载、体积荷载和集 中荷载，当然还有初始应力合初始应变等都必须等效到节点之上，也就是用等效节点力 来间接的把作用在单元上的所有力替代掉。不过这里需要注意一个原则问题：施加在计 算单元上的原始应力或应变与等效节点力在任何一个虚位移上的虚功必须数值一致，不 然的话就不能等价替代。 ( 5 ) 建立结构平衡方程。这里需要集合所有单元的刚度方程，一般有两方面的内容： 其一是单元刚度矩阵集合成整体刚度矩阵，其二是将作用在各单元的等效节点矩阵集合 成总的荷载矩阵，可得下式： 【k 】 研= 但 ( 3 5 ) ( 6 ) 求解计算。当结构各部分温度发生变化时，物体将由于热变形而产生线应变占，公 式如下： g = 口( 丁一瓦) ( 3 6 ) 其中： 口材料的热膨胀系数； r 某一点温度值； 瓦原始温度。 如果物体各部分的形变不受到来自各个方面的外界约束，就会产生变形，但没有应 力存在。但如果结构受到的约束或温度变化不均匀的时候，膨胀所产生的变形就不能自 由伸缩，就会在结构内部生成温度应力。 除此之外，大体积混凝土由于热膨胀的缘故，只能生成线应变而没有剪切应变，这 种是因为热变形缘故而产生的应变一般看作是结构初应变来考虑。在计算热应力的时 候，只需要计算得出膨胀变形引起的初应变，求出初应变引起的等效节点热荷载，而后 解得由于热变形引起的节点位移，再依次求得热应力。 求解热应力问题的泛函表达式如下： n p ( 万) = 肌告 ) 【d 】p 一 占 r d 】 占。) - 一 田r 厂 ) d r f 万) 7 r ) d r ( 3 7 ) 胄 一 这里的热应力主要指温度应力。 2 2 长安大学硕士学位论文 3 2a n s y s 分析的主要步骤 a n s y s 分析的主要步骤如下： ( 1 ) 创建有限元模型：1 、确定文件名、分析标题单位和进入前处理；2 、定义单元类 型、定义材料属性( 导热系数、密度和比热) ；3 、建立几何模型；4 、划分网格，生成 有限元模型。 ( 2 ) 施加荷载和求解：1 、定义类型；2 、定义初始条件；3 、施加温度荷载；4 、a n s y s 求解。 ( 3 ) 后处理。主要显示结构的第一主应力大小、随时间的变化规律；各个阶段温度应 力和抗拉强度的大小，判断结构是否开裂。 a n s y s 分析流程图如下： 第三章大体积混凝土理论模型和试验模型的研究 3 3 理论模型的建立 3 3 1 模型的建立 模拟一矩形混凝土块早龄期温度场和温度应力的变化，混凝土块的几何尺寸为1 2 m 1 2 m 1 m ，外界温度取2 2 ，计算简图如下图所示： 1 。2 卜1 图3 1 1 蹦1 2 m 1 m 混凝土计算模型 要求对混凝土浇筑完成至于水泥水化基本结束这一过程进行仿真分析，这一阶段混 凝土的弹性模量变化不大，温度应力主要是由内外温差引起的。 3 3 2 参数的确定 在应力场分析过程中，需要确定下列参数：混凝土的导热系数名、放热系数，。热 膨胀系数口【2 0 1 。 取修正系数k 。为1 0 5 ，得到混凝土的热学参数： 允= 9 0 7 移( 朋办c 。) ；c = 1 0 0 8 移( 堙c 。) ；p = 2 8 5 0 堙m 3 。 放热系数与风速有关，取施工区域风速为3 埘s ( 因实际情况而定) 得出： = 6 9 1 6 0 锣朋2 办c 。 混凝土弹性模量按下式计算： e ( f ) = 五i ol 1 一e x p ( 一口f t ) j ( 3 8 ) 式中： 鼠f 专时的最终弹性模量； 2 4 、6 常数。 涮凝土的配合比如f 表3l 混凝土配合比及性能参数 崎| ： i水i l 己水 砂石子总计 重量 4 j o2 1 2 8 8 01 2 l52 7 5 7 冉分比 1 63 277 0 3 l 9 14 4 0 71 0 0 密度口 船 3 l o o1 0 0 02 6 6 02 6 6 02 7 5 7 导热系数 u m c 。145 9 321 6 0l l0 9 9 l o4 6 790 7 比热c u ( 培c 。) o5 3 641 8 707 4 5o7 0 8l0 0 8 热膨胀系数n1 0m ，p l8 5o8 5lo 333 初始条件和边界条件 混凝上底部采用绝热边界， 他部分与守气埘流形成热对流边界，混凝十表面和空 气进行热交换，属丁第三类边界条什。 通过a 、s y s 分析束分析计算该模型在施加温度荷载的情况下温度应力的变化情况， 由于a n s y s 热分析考虑边界条件很多，比较复杂，这里按照给混凝土块施加结构荷载的 形式束计算，这里的结构荷载以温度荷戴的形式来实现，给混凝上模型施加多个囡水泥 水化而产+ f 的温度梯度引起的荷载，该计算模型由混擞土内外温差为j 分析到内外温 差为3 0 ，束分析混凝土模刑在不做任何预防措施情况f 的应j 分布和变形情况 3 4 理论结果分析 单元的划分和竖向应力分巾： 圈32 单元的划分冈33 竖向戊力分布 辩= 仆根棍r 培模掣月试验m $ 的究 混凝土计算模型在各个温度梯度情况f 的第。主应力分如图 图38 温差为2 5 时第一主应力分布 图39 温差为3 0 时第一主应力分布 从圈3 7 和图3 8 可以看m ，温差2 0 2 j 混凝1 ：应力变化很州硅，也就是说温 差2 0 2 5 是混凝七丌裂的临界期，为了便于掌握准确开裂温差，这里对温差为2 l 2 6 长安大学砸十学位论文 、2 2 、2 3 、2 4 所引起的荷载也进行仿真分析 第一主应力图如下： 图3 一1 0 温差为2 1 时第一主应力分布图3 一l l 温差为2 2 时第一主应力分布 图3 一1 2 温差为2 3 时第一主应力分布 图3 - 1 3 温差为2 4 时第一主应力分布 从上面应力云图可以得出如下结论： ( 1 ) 在混凝土浇筑后的时间里，由于水泥水化的作用，混凝土内部温度迅速升高， 升高的温度在短时间内无法散失，热量越聚越多，混凝土处于膨胀状态而混凝土外表 面可与空气形成对流，进行持续的热量交换，因此温度比混凝土内部要低的多。混凝土 中心温度可达5 6 。 ( 2 ) 2 0 2 5 的温差是一个混凝土开裂的临界期，从上面的第一主应力大小和分 布可以看出，2 l 的温差是大体积混凝土模型丌裂的临界条件。当温差小于2 1 时，混 凝土中心水泥水化产生的温度应力和混凝土外边缘的温度应力相对集中，不会出现叠加 现象，因此产生的内部裂缝和外部裂缝不连通，一般不会发生有害裂缝裂缝；而当内外 第三章大体积混凝土理论模型和试验模型的研究 温差大于2 1 时，内外温度应力开始叠加，混凝土内部裂缝和外边缘裂缝连通，已经有 开始向贯穿裂缝发展的趋势，具体施工中必须加以控制。 ( 3 ) 在混凝土浇筑完成后的一段时间内，产生大量水泥水化热，混凝土内部温度峰 值上升很快，处于热膨胀阶段，但是由于靠近底层的混凝土受到底板的约束缘故，因此 就会产生压应力，但考虑到混凝土早期弹性模量相对较低，压应力很小，一把不会对结 构造成破坏。而当混凝土处于温降阶段时，产生的拉应力逐渐会抵消掉膨胀阶段的压应 力，还会很快出现多余的拉应力，最大达到了2 9 m p a ，已经超过了同龄期的混凝土抗拉 强度，导致结构开裂。 ( 4 ) 混凝土模型经历了由膨胀到收缩开裂的过程，该模型浇筑后o 3 5 h 是膨胀期， 3 5 h 以后是收缩开裂期。 为了分析方便，这里取了3 个典型的节点进行温度场的仿真分析，其中1 号节点为 混凝土表面，3 号节点为混凝土中心。 如图所示： 1 2m 图3 1 4 节点示意图 1 、2 、3 号节点的直线间距为0 3 m ，处于混凝土块的不同厚度，可以对混凝土不同 厚度区域的应力发展和变形进行仿真分析。 下图为混凝土块各节点温度随时间的变化规律： 长安人学硕士学位论文 p 魁 赠 0 02 03 04 05 06 07 01 0 01 1 0 时间( h ) 图3 一1 5 各节点温度时间曲线图 由图3 一l l 可以看出，内部节点相比较外部节点温度升高和降低速度快且数值大， 这主要是因为内部和大气热量交换的少。 混凝土块各节点温差随时间的变化规律： 2 5 p2 0 渊 赠1 5 1 0 5 0 01 02 03 04 05 06 07 0 8 09 01 0 011 0 时i ( h ) 图3 1 6 各个节点温差时间曲线图 2 9 阳 衢 f ； 惦 柏 f ； ；笛加佰佃s o 第三章大体积混凝土理论模型和试验模型的研究 从图3 一1 2 可以很明确的看出，首先是内部节点3 在混凝土浇筑后大约3 0 小时左右 温度达到了最高温度，这个时候的混凝土温度梯度最大。随着龄期的增长，混凝土水化 热逐渐降低，再加上外表面的散热作用，内部温度和外界条件进行不断的热量交换，最 后趋于稳定状态。对于节点2 和节点l ，相对于节点3 来说与外部交换热量快，因此节 点温度随混凝土厚度的减小而减小，最后温度趋于稳定。混凝土中心和外界的最大温度 梯度达到了3 2 5 ，在浇筑后5 0 小时之内，混凝土内部温度变化很快，而到5 0 小时之 后，温度变化便渐渐变慢，处于一个缓慢降温的阶段。 混凝土浇筑后，水泥水化热首先在混凝土内部形成压应力，这主要发生在升温阶段， 随着水泥水化的进行，温度梯度变大，混凝土开始降温，此时就会在混凝土内部产生拉 应力，拉应力逐渐增长不但抵消了原有的压应力，而且多余的拉应力部分继续增大，如 果剩余的拉应力超过了混凝土该时期的抗拉强度，裂缝就产生了。而混凝土的开裂，一 般也就是从降温阶段开始的。 为了研究混凝土内部的应力变化情况，这里将a n s y s 分析的数据以图表的形式给出 来，一般情况下压应力取+ 值，这里为了便于对比分析，压应力取一值。 混凝土各节点应力随时间的变化规律： 1 5 - 2 0 图3 1 7 各节点应力时间曲线图 3 0 5 0 5 0 5 0 1 1 0 0 o 1 缓穴。，颦状+m乱=v穴毯 长安大学硕士学位论文 如图3 一1 3 所示为混凝土块各节点的应力随时间的变化规律，三个节点应力的变化 趋势基本相同，都是先产生了压应力，主要发生在混凝土浇筑后3 5 4 5 小时之间，其 中最大的压应力发生在3 号节点，即混凝土块中心，应力值为o 7 2 m p a ，l 号节点的最 大压应力值为0 2 1 m p a ，2 号节点的最大压应力值为o 3 2 m p a ，压应力的大小随温差的增 大而增大。图中所示的应力为混凝土模型的总应力，即是拉应力和压应力之和，只是早 期的拉应力非常小，可以近似忽略而已。这时候混凝土内部是压应力起主导作用。 随着拉应力的不断增大，在混凝土浇筑后3 5 4 5 小时左右，压应力已经逐渐被拉 应力所抵消，抵消完压应力剩余的拉应力继续增大，这时候混凝土内部是拉应力起主导 作用。虽然混凝土的抗拉强度随龄期而增大，但其增长速率没有拉应力增长速率快，因 此在某一个时刻，拉应力超过了抗拉强度，混凝土就被拉裂了。 随着应力的变化，混凝土会发生变形，下面研究混凝土的变形情况 混凝土各节点变形随时间的变化曲线： 1 2 0 1 6 0 幻 2 0 毪 制 o 2 0 _ 4 0 与0 8 0 一1 0 0 图3 1 8 各节点变形时间曲线图 随着混凝土试件温度的变化和强度的发展，混凝土块经历了由收缩到膨胀，再从膨 胀到收缩直至开裂的过程。 混凝土的抗拉强度随时间变化趋势： 3 l 第三章大体积混凝土理论模型和试验模型的研究 c 口 乱 乏 越 蕊 鼎 蝠 01 02 03 04 05 06 0 7 08 09 01 0 011 0 时间( h ) 图3 1 9 抗拉强度时间曲线图 此为混凝土抗拉强度随时间的变化趋势，从图3 1 5 可以看出，混凝土抗拉强度随时 间的累计而增大，在浇筑后1 0 0 小时左右，逐渐达到一个相对稳定的数值，在实际工程 中，要达到一个相对稳定的数值，一般需要6 天左右。 c 口 也 苫 型 爱 颦 辖 穴 毯 图3 2 0 应力一抗拉强度时间曲线图 3 2 o 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 2 1 1 1 1 1 0 o 0 o o 长安大学硕_ 上学位论文 由图3 一1 6 可以看出，混凝土的抗拉强度是随龄期逐渐增长的，而混凝土的应力是 先负后正，即先膨胀产生压应力，而后收缩产生拉应力。显然，拉应力的增长速度要比 抗拉强度的增长速度快，在混凝土浇筑后8 0 小时左右，首先在混凝土块中心拉应力超 过了抗拉强度，混凝土被拉裂了。 混凝土从开始浇筑到强度达到设计值要经历一个过程，在这个过程中，混凝土里的 水泥水化将产生大量的热量，与混凝土表面形成较大的温度梯度，温度梯度越大，开裂 越明显，在混凝土浇筑后的各个龄期，只要混凝土因很多综合因素产生的拉应力超过了 同龄期混凝土的极限抗拉强度，混凝土就会被拉断。而对于大体积混凝土而言，产生拉 应力的最主要的因素就是温度应力，这里先从理论上分析了混凝土的开裂情况，接下来 将和试验数据进行对比分析。 3 5 试验模型建立 3 5 1 试验的目的 a 通过对试块的观测计算，总结大体积混凝土的温度变化规律，确定大体积混凝土 试件的温度与应力、应变的关系。 b 从温度变化规律来界定结构发生裂缝的大致时间。 c 和理论模型进行对比。 3 5 2 试块的制作 1 混凝土的各项性能指标 混凝土标号为c 柏，采用商品混凝土； 混凝土的配合比： 表3 2 试验用c 4 0 商品混凝土配合比1 8 】 材料水泥( 4 2 5 r )水中砂 卵石 f uf s w 一4 用量( 堙朋3 ) 3 7 01 6 56 8 01 1 2 0 1 0 01 1 8 坍落度1 6 0 m f i t 一1 8 0 咖； 混凝土的初凝时间为4 6 h ，终凝时间为8 1 2 h ； 2 试件制作 制作1 2 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 的大体积混凝土试件一块，置于实验室混凝土地面上。 采用钢模板制作。试块底部与混凝土地面之间铺设1 咖厚油毡一层。 在混凝土块中心和表面埋设测温装置各一个。 模板拆除时间为混凝土浇筑后2 4 h 。 3 3 3 6 试验数据分析 第三章大体积混凝土理论模型和试验模型的研究 1 混凝土温度与时间的关系曲线 试块中心温度与时间的关系曲线。 5 0 4 0 01 02 03 0 4 05 06 07 08 09 0 时间( h ) 图3 - 2 1 试块中心温度与时间关系曲线 试块表面温度与时间的关系曲线 5 0 p 邂 3 5 赠 3 0 0 1 02 03 04 05 06 07 08 09 0 时间( h ) 图3 2 2 试块表面温度与时间关系曲线 p 越赐 长安大学硕士学位论文 2 中心温差、表面温差与时间的关系 4 0 3 5 3 0 2 5 p2 0 喇 赠1 5 1