数理方法分析直线加速器大体积混凝土温度裂缝控制
【摘要】 以医疗建筑中的直线加速器室为例，运用数理分析的方法，提供动态的控制信息，分析探讨了大体积混凝土温度裂纹产生的主要原因，提出了一系列防裂措施，对今后大体积混凝土的温度裂纹控制具有指导意义。
【关键词】 大体积混凝土； 温度裂纹； 数理分析
随着的，建筑日益朝大规模的方向发展。在桥梁工程中，随着桥梁结构的跨度不断增加，基础混凝土体积越来越巨大，裂缝的控制在土木工程中越来越成为影响工程质量的关键因素。详细分析大体积混凝土裂缝产生的机理及其发展过程，并探讨有效的控制措施，对保证工程质量和工程的正常使用具有重要意义。本研究以某的直线加速器室的大体积混凝土作为对象，运用数理分析的方法，分析随着外部环境的变化和水化热的逐渐释放，控制大体积混凝土内部温度的应力，并通过观察出对桥梁、建筑等结构中大体积混凝土避免温度裂缝发生具有指导意义的一些措施。
1 裂缝在医疗建筑直线加速器室中的危害
医疗建筑中的直线加速器的建设对改善就医条件、提高医疗质量有积极的促进作用，但项目的建设对围围的环境将会产生一定的影响。直线加速器利用其产生的射线杀死癌细胞，其产生的X射线具有连续能谱，它的最大能量等于被加速的能量，如果射线外溢，则会对公众产生辐射危害。放射线性的物质的射线种类不同以及与人体接触方式不同，产生的危害程度也不同。所以机房大体积混凝土要采取防裂措施，减轻环境污染，防止危害、保护环境、保障人体健康。影响其开裂的因素很多，本研究着重分析温度变化引起的裂纹。
2 大体积混凝土由于温度变化引起裂缝的主要原因
混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。混凝土温度变形是指混凝土随温度变化而发生的膨胀或收缩，温度应力是由温差引起的温度变形而造成的，一般温差愈大，温度应力也愈大。大体积混凝土的开裂主要是由温差引起的。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有：① 年温度；② 日照；③ 骤然降温；④ 水化热。年温变化是极缓慢的气温变化所致；日照温度变化主要是太阳辐射作用致，其次是气温变化影响，后者相对于前者来说要小得多，再次之是风速影响；降温温度变化主要是强冷空气的侵袭作用和日落后在夜间形成的内高外低的温度分布。这3种温度变化，都是环境条件变化所造成的，人们难以消除它。由于水泥的水化热作用，混凝土浇筑后要经历升温期、降温期和温度稳定期3个阶段。混凝土结构在浇筑初期，由于水泥水化过程中发出的热量，升温速度很快，混凝土内部升温值一般在3~5天内产生，3天内温度可达到或接近最大温升，一般可达到55℃~59℃，此后趋于稳定并开始降温。但由于混凝土导热性能差，混凝土内部温度聚集在结构物内长期不易散失，在早期水化热温度迅速升高阶段，由于混凝土内、外散热条件不同，形成温度梯度，内外温度使混凝土内部产生压应力，外部产生拉应力，若大于相应龄期的容许拉应力时就有可能产生裂缝［1］。在混凝土降温阶段，混凝土的温差引起的变形加上混凝土的体积收缩变形，受到外界条件的约束时(如新浇混凝土受内部钢筋、封底混凝土、桩头、承台、模板等约束)，而不能自由收缩，此时弹性模量相对较低，若降温梯度过大就容易产生较大的温度拉应力，在结构体中央断面产生内部拉应力，当该拉应力超过混凝土的抗拉强度时，整个混凝土截面就会产生贯穿裂缝，这种裂缝对混凝土质量、耐久性都将造成不良影响。因此，控制温差应尽量降低温度梯度，这是保证不产生裂缝的根本。水泥水化热主要取决于它的矿物成份，各种矿物成份的水化热值表如表1。
表1 水泥中各种矿物成份的水化热值（略）
由表1可见，C3S和C3A的发热量最大，因此有同品种、不同标号的水泥所含矿物成份不同，具有不同的水化热，在大体积混凝土中要适当选用。在大体积混凝土中，应优先考虑采用C3S和C3A含量低的水泥，如大坝水泥等。
3 物理方面的温度场
从浇筑完成开始，大体积混凝土就处于一个动态温度场中，这个温度将引起应力，所以在控制大体积混凝土裂缝方面，温度场引起的应力起到关键作用，有必要首先分析温度场及其变化过程。浇筑刚刚完成时，混凝土的初始温度为入模温度，即内部任一点，其初始温度T0=入模温度。导致混凝土开裂的温度应力是混凝土内此点与周围温度ΔT(t)引起的混凝土变形造成的。混凝土内外温差是水化热的绝热温升T(t)、混凝土浇筑温度T0 、混凝土结构物的散热温降T(t)、外界温度Ts(t)的叠加。ΔT(t)=T(t)+T0 -Ts(t)-Ta(t)(1)在绝热条件下，即水泥与外部没有热交换时，水泥水化热不能散发出去，混凝土温度将持续升高，不同的水泥品种和单位体积的水泥用量影响温度升高，温度随时间上升的曲线为：T(t)=Wq／cρ(1-emt)(2)其中w为水泥含量kg／m3,q为kg水泥水化热量，c为比热，一般为0.92~1.0×103J／kg.℃，ρ为混凝土密度，m为水泥品种有关系数，一般取0.3~0.5。在一般的建筑钢筋混凝土结构设计中，主要考察在使用过程中结构的内力和变形，所以混凝土弹性模量主要采用龄期足够长、材料性能趋于稳定后的值。通过对大体积混凝土产生裂缝的原因分析，主要从降低水泥水化热、降低混凝土入模温度、通水散热、混凝土养护、严格控制拆模时间等几方面做好混凝土温度控制工作，确保：① 混凝土的内表温差不超过25℃；② 折模时内外温差小于25℃；③ 最大降温速率要小于2.0℃／d，尽量降低混凝土内部温度的升降速率。
4 工程实例?
某直线加速器室概况本工程直线加速器室剪力墙最厚处达2.44M，顶板最厚达2.44M，顶板标高5?44M，模板支撑体系复杂，加速器室混凝土做3次浇筑，第1次浇筑-1.95M至-1.45M，第2次浇筑-1.45至-0.6M，第3次浇筑-0.6M至5?44M。
4?1 用数学统计表统计测温结果测温前，要选择好控制区，在控制区内选择好有代表性的观测点，并布置好传感器，绘制平面图，准备好测温用的电路及测温系统。在测温过程中，及时做好测温记录，用数学统计表形式统计测温数据。顶板代表性记录(间隔5小时数据)结果见表2。
表2 顶板测温数据表（略）
4?2 利用数据表绘制数学曲线图图1 数学曲线图数学曲线图及时将静态的工程转化为动态的数据控制，提供动态的控制信息。利用物理温度场中计算模拟信息，并绘出控制线，通过数据的波动情况，反映温度状态变化趋势，并利用控制线观察是否处于正常状态。数学曲线图中引起温度波动的因素有两类：一类是正常的混凝土的物理、化学变化，另一类是操作人员的误差及可能仪器的原因。如果能反映正常的规律变化，就能达到正常的预测和控制目的。
4?3 形成统计报表
表3 测温统计表（略）
4?4 用数理分析法在本工程应用中提出防止混凝土开裂的措施和方法① 通过数理计算，绘制出温控线；② 通过数理计算，水泥选择水化热低的大坝水泥；③ 混凝土采用粒径大、级配好的龙泉山青石料，减少水泥用量；④ 混凝土掺缓凝减水剂，减少混凝土用水量，延长混凝土初凝时间；⑤ 混凝土搅拌前对骨料进行冰水预冷； ⑥ 在混凝土浇筑后，通过统计曲线反映，接近或达到25℃时，增加塑料薄膜养护，并在薄膜内浇热水养护，控制混凝土内外温差。
5 分析
数理分析方法能够反映大体积混凝土内温度变化的动态信息，运用该方法在混凝土结构设计、施工中能正确选择混凝土材料和施工方法，根据工程的地质、气温、日照情况建立混凝土裂缝控制的有效机制。大体积混凝土裂缝一旦形成，特别裂缝出现在重要的结构部位，危害极大，它会降低结构的耐久性，削弱构件的承载力，同时可能危害到构筑物的安全使用。本研究通过数理分析，结合实际提出防裂措施，对今后大体积混凝土的裂纹控制具有指导意义。
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1 姚军军?大体积墩身混凝土施工裂缝控制?铁道建筑，2005
