混凝土表面保温和水管冷却的温控效果研究.pdf
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1、第 4 2卷 第 1 1期 2 0 1 1 年 6 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r VO 1 42 NO 1 1 J un e, 201 1 文 章编 号 : 1 0 0 141 7 9 ( 2 0 1 1 ) 1 10 0 2 70 5 混凝土表面保温和水管冷却 的温控效果研究 郭 磊 , 韩 永 林 , 黄 养 连 , 陈 守 开 ( 1 华北水利水 电学院 水利 学院, 河南 郑州 4 5 0 0 4 5 ; 2 浙江省水利水 电建筑监理公 司, 浙江 杭 州 3 1 0 0 2 0 ; 3 舟 山原 水 管 理 中心 , 浙 江 舟 山 3 1 6 0
2、2 1 ) 摘要 : 为了对比探讨表 面保 温和通 水冷却 这两种措施 的温控 效果, 采用有限单元法 , 对带有冷却水管的混凝土 温度场和应力场进行模拟计算。在表面保 温方面 , 认 为应合理选择保 温力度 , 优 化保 温效 果, 可以实现“ 既 达 到防止早期表面开裂 , 又能提 高后期表 面的抗裂性 能” 的 目的。在 水 管冷却方 面, 提 出 了影响水 管冷却效 果 的 4个 控 制 指 标 , 即 温度 峰 值 、 峰 值龄 期 、 降温 速 率 和 停 水 温 度 , 认 为在 采 用 水 管 冷 却 方 法控 制 温 度峰 值 的 同 时, 还应 考虑峰值龄期 和降温速 率对
3、温度 应力的影响。 关 键 词 : 表面保温;水管冷却 ;温度应 力;温控效果 中图法分类号 : T V 5 4 4 文献标志码 : A 一 直 以来 混凝 土结构 的裂 缝 问题并 没有 得到 真正 的解决 , 颇受 各方关 注 。在水 工混 凝土 中 , 温 度变形 是 导致开 裂 的主要 原 因之一 , 混 凝土 浇筑 后 , 由于水 泥的水 化放 热和混 凝 土 的表 面散 热 , 混 凝 土 的温 度 在 时问和 空 间上 都不 断 变化 , 从 而产 生 温 度 变形 和 温 度 应力 , 有时温度应力在数值 上可能超过其他外荷载引 起 的应 力 , 因此 , 需 要对施 工期 混
4、凝 土采 取温 度控 制措 施 。 目前 , 水 工混凝 土 施 工 期 温控 最 常 用 和 最有 效 的 措施就 是表 面保 温和 水管 冷 却 方 法 , 且 已在 大体 积 混 凝 土施 工 中得到 了广泛应 用 。本文 运用 较为 成熟 的含 冷却水 管 的温度 场 和 应 力场 有 限单 元 法 , 对 表 面 保 温和水 管冷却 的温控效 果进 行研 究 。 1 表 面保温及保湿 1 1 表 面 保 温 的温 控 作 用 ( 1 )增 加混 凝土 与外 界 环 境 的 热 阻 , 即 当环 境 温 度高 于混凝 土温度 时可 以减 少 热量 倒 灌 ( 称 为 隔热 ) , 环
5、境温 度低 于混凝 土 温度 时 可 以减 少 表 面热 损 ( 称 为 保 温 ) , 从 而减 小 内外温差 。 ( 2 )保 温有利 于减小 内外 混凝 土热 力学 性能 在发 展 过程 中 的差 异 , 如强度 、 弹性 模量 、 自生 体积 变形 等 , 研 究表 明 , 保 温还有 利 于混凝 土强 度 的发 挥 。 ( 3 )减 小表层 混 凝 土温 度 受 环境 因素 的 影 响 , 如 昼 夜温 差 、 寒 潮 和风速 等 , 减小 水 和空气 中不利 介质对 混 凝 土的侵 蚀 。 ( 4 )不 透 气 的保 温 材 料 还 能 起 到 表 面保 湿 的作 用 。众 所周
6、知 , 混 凝 土 的水 灰 比一 般 在 o 5 0左右 , 水 分在用于水泥水化反应后还有大量的剩余 , 这些剩余 水 分有 一部 分会通 过 表 面 和仓 面 蒸 发掉 , 若 在 表 面覆 盖不透 气 ( 水 ) 的保 温材 料 , 则会 在 保 温材 料 和混 凝 土 表 面之 间形 成 “ 湿 润 的小环境 ” , 从 而达到 保湿 目的 。 1 2 表面保温 力度 的选择 这 里 的保 温 力 度 是 指 保 温 强度 ( 热 阻 能 力 ) 和保 温 时长 。 目前 , 保 温 力 度 问题 存 在 争议 。保 温 对 于施 工和温控而言存在利弊两方面的影响。由于混凝土热 性
7、和热 惰性 , 使 得 混 凝 土 内部 热 量 容 易 积 聚 , 温 度 较 高 , 而 表面散 热快 , 温 度 较 低 。换 言 之 , 内部 混 凝 土成 熟 较快 , 表层 混凝 土成 熟较慢 , 即存 在 由水化度 和成熟 度不同引起的热力学性能 的内外差异, 如内外温差 , 内 外 自生 体积 变形差 , 内外 热胀 系数差 等等 , 这些 差异导 致 在表 层混 凝 土产 生 了不 利 的拉 应 力 , 易 引 起 开 裂 。 表 面保 温是 减小这 些 差 异 的主 要 手段 , 但 是 保 温力 度 大 小 的合理 选择对 混 凝 土整 体 结 构 的散 热量 、 去 除
8、保 温 后所 导致 的冷击 的抗 裂压力 以及 经济成 本等 都有直 收 稿 日期 : 2 0 1 01 21 0 作者简介 : 郭磊 , 男, 讲 师, 博士 , 主要从 事水 工混凝土耐 久性研 究。E 28 人 民 长 江 2 0 1 1年 接 的影 响 , 因此 如何 选择 合 理 的保 温 力度 是 温控 防裂 的关键 。 笔 者认为 , 在保证 混凝 土表面不 开裂 的同时 , 选 择 较小 的保 温力度 对提 高后期混凝 土表 面的抗 裂性能 是 有利的。其一 , 保温力度越大 , 混凝土结构的散热量就 越 小 , 最 高温度 就越 高 , 基 础 温 差也 就 越 大 , 不
9、利 于 混 凝土后期的防裂工作; 其二, 混凝土结构较大的内外温 差一般 出现在升 温阶段 , 此时 的混凝 土刚度较低 , 产生 的拉应力 也较小 , 而到 了后期 , 混 凝 土 的刚 度变 大 , 内 外 温差 的减小 则会 带来 更 大 的剩余 压应 力 , 有 利于 提 高后 期混凝 土表面 的抗 裂 性 能 , 对 于 大坝 蓄 水 表面 还 可以减小蓄水冷击带来 的抗裂压力 ; 其三 , 保温强度越 大 , 说 明混凝 土 表 面温 度会 越 高 , 即 与 环境 温 差 就越 大 , 去 除保温后 带来 的冷击就越 显著 , 那 么需要 的保 温 时长就 越长 ; 此 外 ,
10、保 温 强度 越 大 , 意 味着 所需 保 温 材 料用 量越 大 , 增加经 济成 本 , 而保 温 时 长越 久 , 则 会增 加人 工维 护成本 和影响后续 混凝 土的施 工 。 现设 一 1 0 m 6 m 3 m的混 凝土 浇筑块 , 计 算模 型如 图 1所示 , 计算时 假定底 部 ( = 0 m) 为绝热 和约 束面 , 其余边界面为 自由散热面, 给定导热系数为8 5 8 k J ( m h o C) , 导 温 系数为 0 0 0 3 2 m h , 绝 热温 升 ( r ) =2 8 4 1一e x p ( 一0 5 6 r ) , 弹性 模 量 E( r )=2 5
11、1一e x p ( 一 0 3 4 7 ”) G P a , 热膨胀系数 = 1 O1 0 C, 不 考虑 自生 体 积 、 于缩 变形 、 徐变 以及 自重 的影 响 。 则 在不 同散热条 件下 , 混凝土上 表 面 ( z= 3 m) 中心位置 的温度 和应力历 程见 图 2 。由图可 知 , 表面保温 力度越 小 , 早 期 温度 越低 , 相 应 的拉应 力 就越 大 , 但 ( 准 ) 稳 定 阶 段 的压 应 力 也越 大 , 即后 期 混 凝土 表面 的抗 裂性能 越好 。 图 1计 算 模型 可见 , 早期 混凝 土表 面 的保 温力度 越弱 , 后 期混凝 土 表面 的抗
12、裂性 能就越好 , 因此 , 建议对 不 同施 工条件 下 的混凝 土结构进 行仿 真 计 算 , 以便 在 满 足抗 裂要 求 的前提下 , 选 取保 温力度尽 可能低 的保 温方式 。 此外 , 相 比干态保 温材 料 , 湿态 保温材 料 的保 温性 能要差很多 , 在采用保温材料进行保温时 , 为了用最少 的材料 达到最佳 的保 温 效 果 , 除 了选 择导 热性 能 较低 ( 即保温 性能较 好 ) 的材料外 , 还 要 注意 避免 材料 受 潮 而影 响其保温效 果 。 赠 龄期 d (a ) 温度 龄 期 d ( b ) 应力 图 2不 同 散 热条 件 下 混 凝 土 表 面
13、 温 度 与 应 力历 程 2 水 管冷却技术 2 1 水 管冷却的温控效 果 ( 1 )通 过温度较 低 的冷却 水 , 带 走 混凝 土水 化反 应产生 的大量 的热量 , 从 而 减小 混 凝 土 的温 升 幅度 和 最高温 度 , 进 而达到 减小 混 凝 土 内外 温 差和 基 础温 差 的 目的。 ( 2 )通过降低混凝土 内部的温度 , 来减小结构内 外水 化度 和成熟度 不 同所 引起 的热 力学 性 能 ( 如 弹性 模 量 、 热胀 系数及 自生 体 积变 形 等 ) 的差 异 , 从而 可 提 高结构 的整体 性和抗 裂性 能 。 ( 3 )提 高施工 期混凝 土通水期
14、间 的降温 速度 。由 于混凝 土弹性模 量 的发 展 与龄 期 和 温度 有 关 , 因此 降 温速度 越快 , 温 度 越 低 , 混 凝 土 弹 性 模 量 发 展 也 就 越 慢 , 单位 温差产 生的应 力也 就越小 , 在保证 温降产 生的 拉 应力不 超过允许 值 范 围 的前 提 下 , 降温 速率 越 大对 混凝 土后期 的 防裂 越有利 。 ( 4 )控 制混凝 土 最高 温 度 的 出现 时 间 , 即峰 值 龄 期 。 由于混凝 土各 项热力 学性 能的发 展除 了与龄期有 关外 , 还 与混凝 土 自身的温 度及其 历程有 关 , 最高 温度 作为混凝土温度历程中最重
15、要 的标志, 除了其数值大 第 1 1 期 郭 磊 , 等: 混凝 土表 面保温和水管冷却的温控效果研 究 2 9 小 , 其 出现 时间亦 是影 响 温控 的重要 方面 。此外 , 最 高 温度 出现 之前 和之后 , 代 表 着 混 凝 土 的 温度 变 形 状 态 是膨胀 还是 收缩 , 因此 , 峰 值龄期 是混 凝土 温控 的重 要 方面 , 而 目前 对 峰值 龄期 控 制 也 唯有 采取 水 管 冷 却 才 能实 现 。 总之 , 水 管冷 却是 混凝 土导 热降 温 的最 佳手 段 , 因 此笔 者认为 在保 证水 管 内外 温差 满 足 要 求 的情 况 下 , 在升温阶段和
16、初降温阶段 , 冷却力度越大越好。 2 2 水 管冷却 的控 制指标 上节定 性分 析 了水 管 冷却 的温 控 效 果 , 下 面 主要 就水管 冷却 控制 的 主要 指 标进 行 量 化 分 析 , 主要 包括 对温度 峰值 、 峰值 龄期 、 温 降速率 以及 停水 温度 等指标 的控制 。 2 2 1 温 度峰 值 及 峰 值 龄 期 混凝土 温控 的一个 主要 指标 是控 制混 凝土最 高 温 升值 , 即温 度 峰 值 。为 此 , 首 先 来 探 讨 两 个 极 端 的 情 况: 若混凝土的浇筑温度为最高温度 , 从 温控 角度 来 讲 , 它是 在给定 浇筑 温度 的情 况下
17、, 温控 防裂所 能 达 到 的最 佳效 果 ; 若 混凝 土浇 筑后 , 处 于绝 热 状态 , 即 温度 随水化反 应 不 断升 高 至 最 高温 度 保 持 稳定 , 则 只 要不超 过混 凝 土 的 极 限 拉 伸 变 形 , 亦 无 需 进 行 温 控 。 但是 , 在实 际 情 况 中 , 这 两 种 极 端 情 况 都 是 难 以 实 现 的 , 那 么如何 给定 一个 合 理 的峰值 龄期 就 是 一 个 需要 讨论 的问题 。从 理论 上 讲 , 只 要对 冷却 水 管 的 运 作进 行调 节 , 是 能够控 制混 凝土 的最 高温度 和 到达 时间 。 现假定 两个 相 同
18、的 混 凝 土 浇筑 块 , 其 内部 埋 设 冷 却水 管 , 但 两个 浇筑块 的浇 筑温 度不 同 , 考 虑通过 调 整 水管通水冷却过程使得其最高温度相等 , 但出现时间 不 同。计算模 型 和水 管 网格 如 图 3和 图 4所 示 , 选取 模型 中心 点 ( 距 离 水 管 最 远 的 内 部 点 ) 为 考 察 对 象 。 两种情 况 的混 凝 土浇 筑 温 度 分别 为 2 0 和 2 5 。绝 热温 升模 型 0 ( ) :4 6 0( 1一e ) , 取 导热 系 数为 8 5 8 k J ( m h ) , 导温 系数 为 0 0 0 3 2 m h , 表面 传热
19、系数 为 4 l 。 7 k J ( m hq C) , 其 比热 值 为 0 9 7 k J ( k g c I 二 ) , 热 胀 系数 为 7 2 5 1 0 , 弹性 模量4 4 8 0 r 。 ( 3 1 4 6+7 _ ”) G P a 。 计 算结 果 见 图 5 和 图 6。 算例结 果 表明 , 不 同浇 筑 温度 在 冷却 水 管 作 用 下 可 以达到相 同 的温 度 峰 值 。浇 筑 温 度 2 0 C在 通 水 水 温 1 9 、 流速 1 0 m s 作 用 下与浇 筑温 度 2 5 在 通水 水温 1 2 c = 、 流速 1 2 m s 作 用 下达 到 了 相
20、 同 的最 高温 度 2 8 4 C, 但峰值 龄期 不 同 , 浇 筑温 度 2 0 c I 二 在 龄期 1 0 d出现 峰 值 , 浇 筑 温 度 2 5 则 在 龄 期 5 d即 达 到 , 显 然 , 由于计 算 时假定 环 境 温 度2 0 c C, 两 种 情 况 最 终趋 图 3计 算 模 型 图 4水 管 单 元 图 5相 同温 度 峰 值 下 的 温 度 比 较 图 6相 同温 度 峰 值 下 的 应 力 比 较 于 2 0 的稳定 温度 。但是 , 尽 管两 种 情况 的最 高温 度 和稳定 温 度相 同 , 但 混凝 土 所 承 受 的抗 裂 压力 则 差别 较大 。如
21、 图 6中 , 浇筑 温度 2 0 时 出现 的最 大拉 应 力 为 0 8 6 M P a , 而 浇筑 湿度 2 5 则达 到 1 2 4 MP a , 相差 近 0 3 8 MP a 。分析其 原 因 , 不 同的 浇筑 温度 要达 到相 同 的温度 峰值 , 峰值 龄期 势 必 不 同 , 也就 是 说 , 浇 筑 温 度越 高 , 要 达到 与较低 浇筑 温度相 同 的峰值 , 就 需要加 大水 管冷 却力度 , 峰值 龄期 必定 出现较 早 , 而越 早 出现 3 0 人 民 长 江 温 度峰值 , 其温升 时 间就 越 短 , 累 积 的压 应力 就 越小 , 抵 消降温 阶段产
22、生 拉 应力 值 就 越少 , 后 期 拉应 力 也 就 越 高 。 2 2 2 温 降速 率 从整 体上看 , 当水化放 热量 小于混 凝土散 热量时 , 混凝土即开始降温 , 因此就存在一个降温速率的问题。 降温速率 既不能太 快 , 也 不能 太 慢 , 如果 太 快 , 混凝 土 的拉应力增 幅会远 大 于混 凝 土抗 拉 强度 的增 幅 , 一 旦 超 过混凝 土的抗拉 强度 即会 出现裂 缝 。如浙江某 大 闸 在施 工前几个 闸墩 时 , 就 因水 管 冷却 力 度过 大 导致 混 凝土 降温过快 而 引起 早期 的 内部裂 缝 。 当然 , 如果 降 温速率 过慢 , 则 由于
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- 混凝土 表面 温和 水管 冷却 温控 效果 研究
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