大体积混凝土施工过程中的水化热分析及裂纹控制

华中科技大学硕士学位论文大体积混凝土施工过程中的水化热分析及裂纹控制姓名：陈群山申请学位级别：硕士专业：水利水电工程指导教师：何保华2011-02-28华中科技大学硕士学位论文I摘要温度裂缝是大体积混凝土裂缝的主要存在形式，为控制温度裂缝，对大体积混凝土在施工过程中的水化热进行仿真分析与裂纹控制就成为一个重要的研究课题。本文基于有限单元法，就大体积混凝土在施工浇筑过程中温度场和温度应力两个方面进行了较深入的分析研究。本文的主要内容如下：1、介绍了大体积混凝土在施工过程中的水化热分析与裂纹控制的理论基础并对温度场和温度应力的有限单元法进行了介绍。由于大体积混凝土在施工过程中由水化热产生的温度场属于固体热传导中的不稳定温度场，故本文通过ANSYS热分析模块中的瞬态热分析来模拟整个水化热的过程。2、本文基于ANSYS的APDL语言，通过编制了计算程序来模拟了大体积混凝土的浇筑过程。对体积为50m×40m×10m的混凝土按照边界条件，对其实际施工过程由水化热引起的温度场和温度应力进行了仿真计算。通过仿真计算得到了大体积混凝土在施工过程中的一些规律。在温度场方面，混凝土中心温度昀高，并向四周依次降低；混凝土内外温度梯度值达到昀大值18℃，而产生温度裂缝的理论温差值为25℃，故平均温差远小于25℃，没有产生温度裂缝的危险。在温度应力方面，由于水化程度的加深以及受到对流的影响，逐渐形成较大的温度梯度；同时在混凝土周围边界条件的约束下，混凝土的内部形成了明显的应力场；混凝土底部四个角的应力值要大于混凝土四周的温度应力值。3、针对模拟分析的结果，并对大体积混凝土裂缝的控制方法进行了深入探讨。关键词：大体积混凝土水化热温度场温度应力裂纹控制华中科技大学硕士学位论文IIAbstractThermalcrackisthemainformofthecrackofmassconcrete.Tocontrolthethermalcrack,thesimulationanalysisonhydrationheatofmassconcreteandcrackcontrolduringconstructionprocessbecomeanimportantresearchsubject.Basedonthefiniteelementmethod,thispaperdoesadeepresearchonthermalfieldandstressofmassconcreteduringconstructionprocess.1.Introducetherationaleofhydrationheatofmassconcreteandcrackcontrolduringconstructionprocessandpresentsthefiniteelementmethodofthermalfieldandstress.Thethermalfieldofmassconcreteduringconstructionprocessbelongtheunstablethermalfieldofsolidconductivity.ItcanbesimulatedwithtransientthermalanalysisinANSYSthermalanalysismodule.2.BasedonAPDLofANSYS,thispapersimulatestheconstructionprocessofmassconcretebywritingprogram.Thesimulatingmodelis50m×40m×10mconcrete.Aftersimulateanalysis,findingsomelawsofmassconcreteduringconstructionprocess.Intermsofthermalfield,thereisahighesttemperatureinthecenterofmassconcrete,reducingroundthemassconcrete.Thehighesttemperaturegradientbetweeninnerandouterconcreteis18℃,cannotreachthetheoreticalvaluetogeneratethermalcrack,whichis25℃.Soitdoesnothavetheriskofthermalcrack.Intermsofthermalstress,themassconcretegraduallyformalargetemperaturegradientbecauseofthedeepeninghydrationheatdegreeaswellasformationofconvection.Atthesametime,becauseoftheroundrestrainofmassconcrete,theinnerconcreteformtheobviousstressfieldandthestressoffourcornersisbiggerthantheroundconcrete.3.Forthesimulationresults,thispaperhasadeepresearchinmassconcretecontrolmethods.Keywords:MassconcreteHydrationheatThermalfieldThermalstressCrackcontrol独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日本论文属于华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1背景与意义国内外研究资料表明，温度应力是引起混凝土结构早期裂缝的主要原因[1]。大体积混凝土在施工过程中，水泥会发生水化反应并产生大量水化热，使混凝土温度上升，而混凝土为热的不良导体，导热性能较差，外表面散热较快，内部散热慢，使得大体积混凝土内部形成较大的温度梯度，在地基或模板的约束下使得混凝土内部产生较大的温度应力，进而使混凝土表面出现温度裂缝,造成混凝土整体结构安全性下降。因此，如何减少甚至消除内外温度梯度，从而减少温度应力是解决大体积混凝土由于水化热而产生裂缝的一个重要的问题，也是大体积混凝土在施工过程中必须高度重视的问题。1.1.1大体积混凝土结构物理力学特性不同于一般的混凝土结构，大体积混凝土结构在设计和施工过程中有其特殊之处，具体表现如下[2][3][4]：1）混凝土自身的材料的特殊性。混凝土是一种脆性材料，抗压能力强而抗拉能力很弱，抗拉强度仅为抗压强度的十分之一，并且其受到拉伸时变形很小，在对其进行短期加载时，混凝土的极限拉伸变形仅为（0.6~1.0）×410−m左右，大约相当于自身温度降低6~10℃的变形大小。2）变化的弹性模量的作用。大体积混凝土在进行一次性浇筑时的体积较大，由于水化热作用而引起的温度应力在浇筑初期已经出现，在浇筑后期，由于弹性模量变化，故容易使混凝土结构产生较大的温度应力。3）徐变效应对混凝土浇筑的影响。基于大体积混凝土结构的特殊性，其断面尺寸较大。而在浇筑完成后，由于此时弹性模量较小，徐变较大，故尽管混凝土内部温度急剧上，温度应力却不大；但是在温度逐渐下降后，弹性模量逐渐变大，徐变相应较小，产生的温度应力很大。4）大体积混凝土结构本身的影响。大体积混凝土结构通常都是超静定结构，施工过程很复杂，因此，增大了人为增加结构出现温度裂缝的可能性。5）大体积混凝土施工环境的影响。大体积一般都是在户外施工，混凝土通常都华中科技大学硕士学位论文2是暴露在空气中。由于混凝土的外表面与空气或者水接触，一年四季气温和水温的变化导致混凝土温度变化而产生温度裂缝。6）大体积混凝土结构在浇筑过程中一般不配筋或配少量钢筋，故由混凝土内部水化热而引起的温度应力需要依靠混凝土结构自身来承受。1.1.2大体积混凝土温度应力的成因分析大体积混凝土在浇筑过程完成后，由于水泥会发生水化反应，在水化热过程中会产生大量的水化热，使混凝土内部温度急剧升高。另一方面，由于混凝土是热的不良导体，其导热性能较差，伴随着混凝土热量与外部环境交换，在混凝土结构内部会形成一个温度梯度，外部冷混凝土受到内部热混凝土的约束而收缩，从而产生温度应力。大体积混凝土温度应力的形成过程分为三个阶段[4][5]：早期、中期和晚期。温度应力的形成主要集中在早期，具体来说是在混凝土浇筑过程中，水泥水化过程开始一直到水化过程基本结束，大约持续一个月。在这个阶段，水泥由于水化作用产生大量的水化热，混凝土自身的弹性模量由于温度的变化而发生，这也是产生温度应力的主要原因。按引起原因划分，温度应力可分为两类[6]：1）自生应力：即假设大体积混凝土不受到任何边界条件的约束，温度应力完全是由于结构内部的互相约束而产生的。2）约束应力：即大体积混凝土结构受到外部条件或边界条件等约束而引起的温度应力。由大体积混凝土的温度条件来准确分析出温度场和温度应力的大小和分布，这项工作比较复杂。一般来说，需要依靠模型试验或仿真计算的方法来实现。另外，混凝土的徐变效应会使温度场和温度应力有相当大的松驰，所以徐变对大体积混凝土的影响也是在计算温度场和温度应力时需要考虑的。1.1.3研究背景及意义随着科学技术的发展，混凝土的施工越来越趋于大型化。在大体积混凝土施工过程中，由于水泥的水化反应产生大量的水化热和混凝土自身材料的特殊性，在混华中科技大学硕士学位论文3凝土内部产生一个不均匀的温度场，在受到内部或外部的约束时产生温度应力，是大体积混凝土在施工过程中产生裂缝的重要原因。因此对大体积混凝土结构的耐久性和结构稳定性会产生很大的影响，并且也会降低混凝土结构的承载能力、防水性能、耐久性能。一般来说，在水利工程结构中，当混凝土施工的厚度为80cm~100cm以上，混凝土下端固定的地基约束为50cm以上时，由水化热而引起的裂缝问题格外突出，就非常有必要计算温度场和温度应力的分布[7]。在工程实践中，迫切需要对大体积混凝土施工过程中的水化热进行分析，以及对由温度应力引起的裂缝产生开展理论研究，并进一步研究大体积混凝土在施工过程中的温度场和温度应力场的分布规律，从而能够完善大体积混凝土的水化热分析及裂纹控制理论。大量的工程实践与事实表明，大体积混凝土在施工过程中如果不采取合理的技术措施，就会很容易出现因温度应力而引发裂缝，进而甚至会造成工程隐患引发工程事故[9]。因此，在大体积混凝土中，对大体积混凝土的水化热分析及裂纹控制的研究具有重要意义。1.2国内外水化热分析及裂纹控制研究现状目前，大体积混凝土的水化热分析一般都是利用经验公式来计算。在温度场计算方面，通常采用经验公式计算混凝土的表面温度和中心昀高温度，而未能考虑在混凝土受到连续变化的外界气温的影响和混凝土内部温度场的连续分布；在温度应力计算方面，施工单位也基本上都采用公式来分开计算大体积混凝土的内约束力和外约束力，并不能反映出混凝土内部各处的温度应力分布。从混凝土材料在十九世纪诞生以来，就开始有研究人员进行混凝土水化热的分析研究；到二十世纪初，大体积混凝土结构已经大量出现，大体积混凝土在施工过程中的水化热分析和裂纹控制逐渐引起工程界的重视，研究工