桥梁大体积混凝土水化热分析

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【摘要】：桥梁工程对于城市交通以及居民生活都具有非常重要的作用，大体积混凝土的使用使得桥梁工程发展进入了一个崭新的阶段。水化热是桥梁大体积混凝土施工过程中常见的一种现象，对于桥梁工程而言具有很大的危害。本文主要针对桥梁大体积混凝土水化热问题，分析计算了桥梁大体积水热产生的热量，主要从三个方面进行了详细的计算，包括混凝土搅拌温度和浇筑温度、混凝土中心最高温度的计算以及混凝土内外温差，随后文章对桥梁大体积混凝土水化热的防治给出了三点措施，对于桥梁大体积混凝土水化热问题研究提供了一定的指导意义。

【关键词】：桥梁，大体积混凝土，水化热，防治措施

1、引言

在公路桥梁的建设过程中，需要用到大量的混凝土，特别的是在桩基以及桥身的建设过程中，这些混凝土支撑着整个桥梁的建设结构，是桥梁质量的重要影响因素。在建筑工程中，混凝土是一种比较常用的工程材料。混凝土是有多种物质共同组成的，它具有较强的抗压性能，并且有和好的可塑性，能够满足不同形式的工程需要，因此，楼房建造、桥梁工程以及各种土木工程中被广泛的应用。但是，在混凝土工作过程中，如果遇到水就会在混凝土结构中产生大量的热量，这些热量如果过大就会严重影响整体工程的质量。混凝土遇水产生热量的现象成为混凝土的水化热，这在混凝土工程中也是一种常见的现象，特别是在大体积的混凝土中则是一种普遍的现象。由于混凝土水化热改变了混凝土内部的物质组成，破坏了混凝土的整体结构性，因此，分析计算大体积混凝土水化热以及水化热的防治措施具有非常重要的意义和实际价值，对于实际过程有非常大的帮助。

2 、桥梁大体积混凝土水化热热量计算

在工程混凝土浇筑和工程结构建造过程中，需要首先对混凝土水化热热量进行分析，进而提出一系列的措施。一般在计算过程中分为三部分，一部分是混凝土在制作过程中的搅拌温度和浇筑温度，另一部分是混凝土中心的最高温度，第三部分是混凝土的内外温度差。

2.1 混凝土搅拌温度和浇筑温度计算

一般将混凝土的搅拌及浇筑温度统一计算，合称为混凝土的原始温度。混凝土的物质组成较为复杂，包括水泥、水、粗骨料、细骨料、粉煤灰以及缓凝性减水剂。这个物质的组成质量分别为：水泥：334kg/m3；水：190kg/m3；大气温度在30℃，水温在27℃；粗骨料：1010 kg/m3；细骨料：731kg/m3；粉煤灰：78kg/m3；缓凝型减水剂：1%。通过计算以及经验表示，其产生的热量以及升高的温度表示为下表1所示。

表1混凝土拌及浇筑温度计算表

材料名称	重量W/kg	比热C/(kJ/kg·℃)	热当量WC*(kJ/℃)	温度T(℃)	热量TWC(kJ)
水泥	334	0.973	340.6	30	10218
水	190	4.2	798	15	11970
砂子	731	0.84	787.9	30	23637
碎石	1010	0.84	644.3	30	19329
粉煤灰	60	0.84	75.6	30	2268
砂石含水量	53	4.2	739.2	27	19958.4
膨胀剂	6.6	0.9	40.5	50	2025
合计			3426.1		89405.4

上表中的各值表现了混凝土的原始制作温度及热量，那么根据计算公式可以得到每立方米混凝土在制作过程中升高的温度，具体计算为：

T_c=(∑T*W*C)/(∑W*C)=89405.4/3426.1=26.1℃

在混凝土的运输过程以及外界条件作用下，混凝土一般要比制作温度高4℃左右，所以，在实际的使用时，混凝土水化热温度、大约T_k =30.1℃。

2.2 混凝土中心最高温度的计算

混凝土的中心最高温度对于混凝土内部结构整体性有非常重要的作用，其计算公式一般表示为

T_max=T_k+T_h*ξ

T_k =30.1℃，ξ为散热系数取0.70，T_h为混凝土最高绝热温升其计算公式为

T_h=W*Q/C/r=350*377/0.973/2321=50.43℃

其中350 kg为水泥用量；377kJ/kg为单位水泥水化热；0.973KJ/Kg.℃为水泥比热；2321kg/m³为混凝土密度。则

T_max=T_k+T_h*ξ=30.1+50.43*0.70=67.98℃

由计算可以看到，混凝土内部水化热最高温度达到67.98℃，这对于混凝土正常工作危害非常大，所以要进一步的加以控制。

2.3 混凝土内外温差计算

混凝土内外温差的计算对于混凝土工程水化热问题控制具有非常重要的作用，因为了解内外温差可以有效的规划各种方案以此来防止因为内外温差大小而造成的混凝土结构影响。

混凝土表面温度：

T_b=Tq+4h’(H-h’)△T/H2

式中：

H=h+2h’=3+2*0.07=3.14m；h’=k*λ/β＝0.666*2.33/22＝0.07m；T_bmax—混凝土表面最高温度(℃)；T_q—大气的平均温度(℃)；H—混凝土的计算厚度；h’—混凝土的虚厚度；h—混凝土的实际厚度；ΔT—混凝土中心温度与外界气温之差的最大值；λ—混凝土的导热系数，此处可取2.33W／m·K；K—计算折减系数，根据试验资料可取0.666；β--混凝土模板及保温层的传热系数(W/m*m·K)，取22；Tq为大气环境温度，取30℃，△T= Tmax-Tq=40.94℃。

故

T_b =33.73℃

混凝土内表温度差：

△Tc=Tmax- T_b =70.94-33.73=37.21℃＞20℃

大于20℃的混凝土温差对于混凝工程而言危害极大，通过计算可以很明确的计算得到这一数值，为进一步的防止工作提供依据。

3 、桥梁大体积混凝土水化热的防治措施

3.1 减少立方米水泥量

在混凝土中，水泥是用量较多且水化热产生热量比较多的一种成分，因此，通过减少每立方米的水泥梁可以有效的减少混凝土水化热过程中产生的热量值。根据试验每增减10kg水泥，其水化热将使混凝土的温度相应升降1℃。尽管只是1℃的温度，对于桥梁工程而言也是非常重要的。同时，研究表明，即使在混凝土中减少一定量的水泥，对于混凝土整体的强度和结构特性影响不大，所以减少水泥量是减小混凝土水化热影响的一种有效措施。

3.2 骨料合适配比

试验表明，合适的骨料配比对于混凝土的水化热量控制也有较好的作用。由表1看出，越细的骨料其产生得热量以及水化热的温度都较大，所以控制粗细料比对于热量控制比较有效。使用粗骨料，尽量选用粒径较大、级配良好的粗细骨料；控制砂石含泥量；掺加粉煤灰等掺合料或掺加相应的减水剂、缓凝剂，改善和易性、降低水灰比，以达到减少水泥用量、降低水化热的目的。

3.3 循环水管散热措施

这一措施是具体的桥梁工程中较为常用的。在承台安装钢筋后期,安装直径50的钢循环水管,以混凝土中心范围水管间距不大于4米,以1000立方米为一个循环系统为原则。楼承台混凝土施工关键是控制混凝土内部中心温度与表面温度温度差值不大25℃,而采取循环水管散热措施能有效控制温差变化，并且在使用时,须将混凝土测温增加到每1小时测温一次,当温度受到控制时,可减少水冷至停止,以免降温过快。

参考文献

[1] 李鑫，杜嘉骅，张若钢.桥梁承台大体积砼水化热温度监测及数值分析[J].公路与汽运，2009,5

[2] 张玉新，苟季，廖宸锋.桥梁承台混凝土水化热仿真分析[J]. 红水河，2008 ,1

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