对于大体积混凝土内外温差限值的控制标准, 各国并未给出一个较明确的计算方法, 而是笼统地规定一个温度值或者温度范围。我国GB50496—2009《大体积混凝土施工规范》规定:混凝土浇筑块体的里表温差 (不含混凝土收缩的当量温度) 宜≤25℃^[1]。依据对地下室桩基承台、底板及楼层钢梁等大体积混凝土温度全程监测, 发现混凝土开裂时的温差、温度梯度与混凝土的龄期和内外间距存在着相关性, 混凝土是否开裂与一定位置的混凝土在现实龄期时所达到的温差、温度梯度的大小有关, 温度梯度所对应的温度差应力超过混凝土现时的抗拉能力就会导致混凝土开裂。不同位置的混凝土开裂所需的温度梯度均不同, 研究各点处的大体积混凝土在何种温度梯度作用下才会出现开裂, 需动态监控不同龄期混凝土关键点处的温差、温度梯度, 防止相应龄期混凝土中温差、温度梯度超限。各龄期合理的温度梯度限值可作为混凝土工程监测与安全分析的预警指标。

某建筑广场项目总用地面积81 101m², 净用地面积59 591m², 总建筑面积约540 000m²。项目设地下室4层, 总高度150~180m。B4层面积约20 000m², 地下室底板结构相对标高为-19.500m, 开挖底相对标高为-20.700m。本工程地下室基础结构为钻孔灌注桩+大体积承台+1 000mm厚底板。由于本工程场地狭窄, 结合该工程的道路设置情况, 将地下室及裙楼施工划分为A, B, C共3个施工区段, 3个区段依次进行流水施工作业, 施工分区如图1所示。施工现场环境较为复杂, 依据现场监测数据的完整性, 能体现温差、温度梯度与表面裂缝关系的原则, 现以C-1施工段中的CTA, CTB长方体承台进行分析, 尺寸分别为2.2m×2.1m×1.3m, 14.45m×3.4m×3.8m, 承台上面为1m厚底板, 大体积混凝土温度监测点分水平面及垂直方向布设, 本文所分析的测温点命名方式如图2所示。

采用ANSYS有限元软件分析, 所选大体积混凝土承台为规则的长方体, 且四周边界条件相同, 混凝土内、外温度分布具有对称性, 故按SOLID70单元, 建立了1/4模型进行模拟^[2]。承台上方为1m厚的底板, 四周及下方分别为10, 5m厚的基础土体, 底板上表面与大气接触, 下部为水泥砂浆护面胎模, 承台与底板同时浇筑混凝土。混凝土强度等级为C40, 水泥用量为325kg/m³, 混凝土比热容为0.976k J/ (kg·℃) , 混凝土密度为2 381kg/m³, 混凝土入模温度为32.6℃, 基础土体温度为20.0℃, 从混凝土入模开始, 模拟20d内混凝土温度场的变化情况。求解出混凝土温度场后, 使用通用后处理及时间历程后处理绘制出混凝土温度分布云图、温度曲线图及温度梯度曲线图。将ANSYS所计算CTA, CTB承台温度主要特征数据汇总于表1, CTA, CTB承台温度及温度梯度曲线分别如图3, 4所示。

由于监测点特殊性, CTA第3测点中的d测点落在承台侧表面与基础土体接触面上, b, c点落在底板内部。自混凝土入模后d点处热量与基础土体进行热交换, 导致该点混凝土温度上升缓慢, 并降低了温度峰值, 通过有限元计算, d点升温速率、温度峰值均小于b, c点, CTA-3-d最高温度比对应的b点低, CTA-2-b, CTA-2-c至上表面混凝土温差均<25℃, 如表1所示。根据图3显示, 监测点至上表面混凝土的温度梯度波动较大, 至侧表面混凝土的温度梯度波动较小。混凝土浇筑1d后, 监测点至侧表面温度梯度大幅度下降, 同样在500mm深处的混凝土, 监测点至混凝土上表面的温度梯度大于监测点至混凝土侧表面的温度梯度;可知对大体积混凝土温度监测中, 混凝土垂直温度梯度应该是监测的重点对象。

分析可知, 靠近大体积混凝土承台中心的垂直方向 (中偏下) 温度分布高而密, 靠近大体积混凝土承台边缘的垂直方向温度分布较低而散。升温阶段内快外慢, 降温阶段外快内慢。混凝土体的尺寸与温度变化存在反相关性, 随着混凝土龄期的增长, 底板温度降到较低时, 承台内部温度还处于较高状态, 越大的混凝土内部中心点处的高温持续时间就越长。如图4所示, 大气温度直接影响着混凝土上表面温度, 造成混凝土上表面温度变动幅度大于混凝土内部温度变化幅度, 因大气温度的快速变化而直接影响混凝土监测点至上表面温度梯度的变化。由此可说明, 若养护不当, 则会造成温差和温度梯度过高而导致混凝土开裂。

现场采用K型感温线搭配热电偶配合记录仪 (型号TM-902℃) 对大体积混凝土进行测温。K型感温线有0.5~10m的规格, 可在混凝土内部任意位置进行测温点的布设。测温仪能监测-50~1 300℃范围的固体、液体及气体的温度, 分辨率为0.1℃, 可满足大体积混凝土温度监测精度的要求。根据混凝土厚度选用B10~B14钢筋作为传感器布设的竖向定位杆, 将K型感温线固定在钢筋上, 使用胶带捆绑钢筋, 避免测温探头与钢筋接触。

本项目混凝土承台基础边界条件较复杂, 且多数承台与底板同步浇筑混凝土, 为了减小其他因素的影响, 力求确切地反映大体积混凝土内、外温度的变化情况, 选择现场相同施工段、配合比、浇筑时间的不同尺寸大体积混凝土承台进行分析比对^[3,4]。将温度测点布置在结构具有代表性区域内, 测点按“正交原则”布置于大体积混凝土构件的表面、中心和边缘部分^[5,6]。大体积混凝土承台的尺寸及传感器布设情况如表2所示。混凝土入模后开始执行温度监测记录工作, 主要监测混凝土入模温度, 混凝土内、外部温度以及大气温度;监测温度的同时观察并记录混凝土裂缝的长、宽随龄期的变化情况。

在混凝土内、外部布置多个温度传感器, 较全面地获取到混凝土内、外以及大气的温度, 将现场监测到的主要特征数据分别汇总于表3。选取CTA, CTB混凝土表面裂纹、裂缝处最近测点的监测数据, 将其绘制成曲线, 如图5, 6所示 (图中温度梯度指监测点至对应上表面的温度梯度) 。

根据图5、图6显示, 实测结果与ANSYS计算结果对应的监测点温度-时间曲线规律较吻合, 温度场的分布规律基本一致。混凝土在浇筑的第1天出现急剧升温, CTA承台在混凝土浇筑的第2天已达到最高温度, 而水化反应还没有结束, 后期混凝土温度稍有回升, 但混凝土边界散热速率比水化放热速率要快, 此时混凝土已开始慢慢出现降温。CTB承台混凝土浇筑5d后达到最高温度, 混凝土内部降温速率较缓慢, 并有较长的时间处于高温状态, 主要原因是前期混凝土发生水化反应释放出大量热量, 而CTB承台混凝土尺寸较大, 混凝土导热性较差, 这些热量积聚在混凝土内部不易散发出去。

不同的温差、温度梯度会使混凝土产生不同的应变, 该应变与相应龄期弹性模量得出的应力若超过现时混凝土抗拉能力, 则混凝土会出现裂缝^[7]。混凝土裂缝并非瞬间完成, 开始会出现裂纹, 随后慢慢发展成裂缝^[8,9]。早期CTA承台温差、温度梯度上升较快, 根据观察记录, CTA承台比CTB承台出现裂纹时间要早;CTA承台内外温差>25℃时, 由于当时温度梯度在安全范围内, 产生的应力小于现时混凝土抗拉能力, CTA承台混凝土出现较多裂纹, 较少发展成裂缝。随着混凝土弹性模量快速增长, 27h后, CTB混凝土内外温差长期处于>25℃状态, 温度梯度最高达到53.6℃/m, 在CTB-1测点附近发现多处裂缝, 裂缝长度为45~120mm;CTB-2-c至上表面温度梯度在2~4d多集中于48~53℃/m, 最高达到53.6℃/m, 裂缝持续发展到70~205mm, 5~6d下降到38.5~50℃/m, 裂缝仍有7~10mm的增长。7d时, 温度梯度下降到30~38℃/m, 裂缝不再发展。8d后温度梯度多集中在10.0~30.0℃/m范围, 裂缝停止发展。

基于监测温度数据简单地计算出不同尺寸的混凝土承台中多点温度梯度值, 计算方法如式 (1) 所示, 两试件上表面均受大气温度变化的影响, 其温度梯度变化均受到较大的影响。越靠近中心的混凝土温度梯度就越小, 而越靠近表面时温度梯度则越大。CTA与CTB温度梯度可以分为3个变化阶段, 第1阶段为上升阶段, 第2阶段为稳定阶段, 第3阶段下降阶段, 需要合理控制这3个阶段的变化情况, 使混凝土温度应力保持在现时抗拉能力的范围内。在混凝土前期, 随着混凝土龄期的增长, 其弹性模量也迅速增大, 所以在不同龄期出现温差、温度梯度的极值对混凝土裂缝有很大影响。结果表明:混凝土尺寸大小、受注意点的位置的不同, 会对温度梯度极值和变化速率造成一定的影响;在混凝土内部, 测温点越靠近中心, 其混凝土温度梯度越小, 相反, 越靠近表面时温度梯度则越大。

式中:x_i指x监测点在i龄期时刻的混凝土温度 (℃) ;y_i指y监测点在i龄期时刻的混凝土温度 (℃) ;h_xy指监测点x与y的距离 (m) ;s_{i, xy}指在i龄期时刻, x, y监测点间混凝土的温度梯度 (℃/m) 。

现场观察到承台裂缝宽度较小, 需用水泼洒到混凝土表面才能观察得到, 裂缝宽度约为0.01~0.02mm。从结构耐久性、承载力等要求, 严格的允许裂缝宽度为0.1mm, 但许多国家根据大量试验与泵送混凝土的经验, 可将其放宽到0.2mm^[10,11]。CTB承台混凝土的裂缝未达到有害裂缝的程度, 属允许裂缝, 计算CTA, CTB及工程中有代表性的承台试件均未出现裂缝时所对应龄期的温度梯度, 归纳出300, 500mm深混凝土20d内的温度梯度限值, 如表4所示。

通过ANSYS对试件CTA, CTB进行分析, 得出温度场与实测结果较为吻合。在工程应用中, 可通过ANSYS有限元软件对大体积混凝土进行分析, 在关键点埋设传感器对其进行测温, 并动态观察温差、温度梯度的变化, 各龄期的温度梯度通过与表6进行比较, 当混凝土里表温差>25℃时, 应在温度梯度即将达到限值前对大体积混凝土采取合理的养护措施, 避免混凝土出现有害裂缝。

1) 混凝土水平温差、温度梯度较小;监测过程中应重点观察垂直温差、温度梯度。

2) 表面温度受大气温度影响较大, 其变动幅度大于混凝土内部温度变化幅度, 因大气温度的快速变化而直接影响混凝土温度梯度的变化。

3) 混凝土尺寸大小、受注意点位置的不同, 会对温度梯度极值和变化速率造成一定的影响。

4) 混凝土温度梯度可以分为上升、稳定和下降3个变化阶段, 应合理控制这3个阶段的变化情况, 使混凝土温度应力保持在现时抗拉能力的范围内。

5) ANSYS计算结果和实测数据中对应的监测点温度-时间曲线规律较吻合, 温度场的分布规律基本一致。在实际工程应用中, 可按实际边界条件及参数预先对所需监测的大体积混凝土试块进行模拟, 参考计算结果, 在关键部位埋设温度传感器。

6) 通过动态观察混凝土各龄期温度梯度并将其控制在合理的范围内, 使混凝土抗拉强度保持大于相应时期温差产生的应力。