基于Comsol有限元模型对大体积混凝土浇筑温度变化分析研究

基于Comsol有限元模型对大体积混凝土浇筑温度变化分析研究摘要：大体积混凝土因一次浇筑量多、浇筑面积大、浇筑深度厚，水化热过大，散失较慢，混凝土内外产生较大温差，为控制温度裂缝的产生,因此以实际项目为载体，研究大体积混凝土温度影响因素及变化规律，通过在comsol进行有限元分析进行前期温度场仿真模拟数值与浇筑全过程温度变化曲线及温度场随时间变化规律互相印证，实测数据与模拟变化数据大致相符。因此，在实际施工过程中可通过模型等数值分析法模拟大体积混凝土在不同浇注温度及导热系数影响因素下温度变化趋势。关键词：Comsol有限元分析、大体积混凝土、温度变化规律、裂缝控制；前言：本文以实际项目为例，通过comsol建立浇筑模型，模拟混凝土施工全过程温度变化，与实测数据进行对比分析，推演裂缝产生的原因，模拟不同导热系数，分析温度变化规律，为溯源大体积混凝土裂缝控制提供了原始依据。1、大体积混凝土施工常见的施工重难点1.1

大体积混凝土的裂缝控制大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同，分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯穿裂缝。它切断了结构的断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是较严重的;而深层裂缝部分地切断了结构断面，也有一定危害性;表面裂缝一般危害性较小。大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝，一方面是混凝土内部因素：由于内外温差而产生的;另一方面是混凝土的外部因素：结构的外部约束和混凝土各质点间的约束，阻止混凝土收缩变形，混凝土抗压强度较大，但抗拉能力却很小，所以温度应力一旦超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。这种裂缝的宽度在允许限值内，一般不会影响结构的强度，但却对结构的耐久性有所影响，因此必须予以重视和加以控制。1.2大体积混凝土产生裂缝的主要原因

1)水泥水化热水泥在水化过程中要释放出一定的热量，而大体积混凝土结构断面较厚，表面系数相对较小，所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去，以至于越积越高，使内外温差增大。单位时间混凝土释放的水泥水化热，与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄期而增长。由于混凝土结构表面可以自然散热，实际上内部的最高温度，多数发生在浇筑后的最初3～5天。

2)外界气温变化大体积混凝土在施工阶段，它的浇筑温度随着外界气温变化而变化。特别是气温骤降，会大大增加内外层混凝土温差，这对大体积混凝土是极为不利的。温度应力是由于温差引起温度变形造成的，温差愈大，温度应力也愈大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度一般可达60～65℃，并且有较长的延续时间。因此，应采取温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的温度应力。

3)混凝土的收缩混凝土中约20%的水分是水泥硬化所必须的，而约80%的水分要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。混凝土收缩的主要原因是内部水蒸发引起混凝土收缩。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替会引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。影响混凝土收缩，主要是水泥品种、混凝土配合比、外加剂和掺合料的品种以及施工工艺、养护条件等。1.3

大体积混凝土养护时的温度控制养护是大体积混凝土施工中一项十分关键的工作，温度控制就是对混凝土的浇筑温度和混凝土内部的最高温度进行人为的控制。大体积混凝土承台里表温差、降温速率及环境温度的测试，每天不少于4次;入模温度的测量，每天（浇筑日）不少于3次。施工中应该做到：基础混凝土浇筑时，设专人配合预埋测温装置，配备专职测温人员（由现场试验员担任），按两班考虑。明确测温要求和记录填写、报送。测温人员要认真负责，按时按孔测温，不得遗漏或弄虚作假。测温记录要填写清楚、整洁，换班时要进行交底。测温时发现混凝土内部最高温度与表面温度之差达到25度或温度异常时，应及时通知技术部门和项目技术负责人，以便及时采取措施。1.4

大体积混凝土入模控制通常控制混凝土的入泵温度能够有效降低混凝土内外温差，从而减少温度裂缝的产生，要求搅拌站采取措施将混凝土入模温度控制在25℃以内。施工现场设专人负责入泵混凝土的温度监测，监测频率控制在每段浇筑区域每4h测一次（每浇筑批不少于3次），并作好记录。拌制混凝土的原材料均需进行检验，合格后方可使用。同时要注意各项原材料的温度，以保证混凝土的入模温度与理论计算基本相近。在混凝土搅拌站设专人掺入外加剂，掺量要准确。施工现场对商品混凝土要逐车进行检查，测定混凝土的坍落度和温度，检查混凝土量是否相符。同时严禁混凝土搅拌车在施工现场临时加水。2、大体积混凝土浇筑温度计算2.1

项目基本信息项目位于长江中下游地区，浇筑时间为8月~10月，大体积混凝土设计强度等级C35P8，采用P·O42.5水泥，环境温度选取当地气象站往年历史同期气象数据，如图1‑1所示。本次计算为大体积混凝土浇筑区域，选择浇筑区域最厚处作为计算对象，计算最不利条件下的大体积混凝土施工期的温度变化。3D模型如图1‑2所示，为便于计算，取1/4模型进行计算。图1‑2大体积混凝土浇筑区域1/4模型2.2

计算依据及参数2.2.1水泥水化度及放热计算大体积混凝土浇筑区域混凝土设计强度等级C35P8，采用P·O42.5水泥，配合比如表1所示。表1计算用配合比/kg·m-3混凝土标号水水泥粉煤灰矿粉减水剂砂石C35P81651831008911.97801078计算使用水化度来描述胶凝材料水化的程度，其定义为：(1)其中Q为水化放热；Qpot为完全水化反应热。考虑胶凝材料水化反应速率受温度的影响，引入等效龄期，采用Arrhenius模型：(2)水化反应速率与等效龄期的关系(3)考虑矿物掺合料水化反应的影响，用Shindler和Folliard提出的公式进行计算(4)其中Slag和FA分别为矿粉和粉煤灰的掺量，为水泥在水化过程中所能达到的最大放热量，P·O42.5水泥=400J/g。2.2.2传热计算假设混凝土中传热为固体传热，内部传热仅为热传导，且遵循傅里叶定律，写作：(5)其中为导热系数，为比热容，为水化热。水泥混凝土为复合材料，其热物理性能与配合比有很大关系，混凝土比热按各材料重量百分比加权求和。表2混凝土热物理性能估算参数材料名称导热系数[kJ/(m·h·℃)]比热[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边界条件及模型参数传热计算中边界条件为热流边界，垂直于边界方向通过的热流为(1)其中为不同边界的等效换热系数，大体积混凝土浇筑模拟一次浇筑，3天后拆模，边界条件设定如图3‑1所示。模板边界对称边界对流边界热源图3‑1一次浇筑热源及传热边界网格划分如图3‑2所示。图3‑2大体积混凝土网格剖分计算中所用其他参数见表3。表3计算所用参数参数名值[单位]描述材料参数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)]混凝土比热容Lamda_c10.06[W/m·K]混凝土导热系数水化模型参数c1-0.7拟合参数tk40[h]拟合参数Ea33200[J/mol]水化活化能Q_pot285.67[J/g]45.2水泥水化总放热传热边界换热系数H_17.6[W/(m^2*K)]模板等效换热系数H_26.623[W/(m^2*K)]顶面等效换热系数H_319.11[W/(m^2*K)]空气等效换热系数其他T_ref293.15[K]参考温度T_ini_pour30[degC]入模温度2.4

计算结果环境温度选取当地往年气象记录数据，施工时选择夜间施工，混凝土入模温度设为30℃作为热物理场的计算初始值。模拟施工过程中心点和表面5cm处温度变化。1#点2#点图4‑1温度点示意图基础混凝土浇筑全过程中心温度和表面温度曲线如图4‑2所示，浇筑后36小时温度达到最高值，如图4‑3所示，一次浇筑里表最大温差不超过25℃，但拆模时表面温度骤降，里表温差大于25℃，存在开裂风险。图4‑2施工全过程温度曲线图4‑3浇筑36h后温度云图图4‑4