大体积混凝土冷却水管降温效果研究

摘要：水化热温度是影响大体积混凝土质量的主要因素，施工过程中有效的降低大体积混凝土内部水化热温度，减少内外温差是控制的重点。采用冷却水管降温是施工中常用的方法，本文对冷却水管不同的布置形式，不同的间距，不同的水管管径进行了对比分析研究，得到了既能满足工程需要又节约工程成本的冷却水管合理形式，供类似工程参考。

关键词：大体积混凝土；冷却水管；混凝土施工 1、概述

混凝土硬化初期，水泥与水发生化学反应，放出较多的热量，混凝土的温度逐步升高。普通尺寸混凝土构件散热条件好，混凝土内外温差较小，整个构件变形基本一致，不致产生严重的水化热裂缝。而大体积混凝土由于尺寸较大，散热较慢，水化热使混凝土内部温度明显升高。《大体积混凝土施工规范》

（GB50496—2009）中指出，大体积混凝土是混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。 2、不同冷却水管形式对比研究

2.1 不同冷却水管布置方式的冷却效果对比

冷却水管的布置形式包括立面布置和平面布置，其中立面布置分为矩形和梅花形，如图1所示。按梅花形排列水管的冷却效果最好，但在实际工程施工过程中，为了安装方便，冷却水管大都采用矩形的排列方式。

a）矩形布置

b）梅花形布置

图1 冷却水管的立面布置形式

冷却水管的平面布置形式分为环形和蛇形，其中蛇形布置又分为两种：一种是在混凝土体的一端进水一端出水如图2-b；另一种是在混凝土体的中部进水两端出水，如图2-c。

a）环形布置形式

b）蛇形布置形式一

c）蛇形布置形式二

图2 冷却水管的平面布置形式

为了研究以上三种平面布置形式对承台混凝土冷却效果的影响，分别建立有限元分析模型进行数值计算，其他计算参数不变，不同平面布置形式的冷却效果如图3所示。

图3 不同平面布置形式的冷却效果对比

a）环形布置

b）蛇形一布置

c）蛇形二布置

图4 不同平面布置形式的60h温度场分布图（单位：℃）

由图3可以看出，三种布置平面布置形式下的降温幅度没有明显差别。但从图4所示的温度场分布情况来看，蛇形一布置的冷却水由右侧流入承台，从左侧流出，冷却水流入时温度较低，流出时温度升高，混凝土右侧温度降低幅度较大，左侧温度降低幅度较小；而环形布置和蛇形二布置的冷却水由承台中间部位流入，冷却水温度在水管中的分布是中心低、四周高，这与承台混凝土中心高、四周低的温度场分布相反，两者叠加可使混凝土温度场分布更加均匀。由于环形冷却水管的安装较为复杂，一般在实际工程中较多地采用蛇形二布置的平面形式。

2.2、不同冷却水管间距的冷却效果对比

冷却水管的间距包括水平间距和竖直间距，水管的竖直间距为1.0m，水平间距分别取1.0m、1.5m、2.0m，采用蛇形二的平面布置形式，其他计算参数不变，进行数值模拟，得到了不同冷却水管间距下的混凝土最高温度与内外温差，如图5、6所示。

图5 不同间距的冷却效果对比

图6 不同水平间距的中心与体表温差对比

由图5、6可以看出，减小冷却水管的水平间距可以大大提高冷却效果，有效地降低混凝土的最高温度。当水平间距为2.0m时，承台混凝土的最高温度为71.7℃，内外最大温差为31.0℃；当水平间距为1.5m时，承台混凝土的最高温度为69.4℃，内外最大温差为28.2℃；当水平间距为1.0m时，承台混凝土的最高温度为65.0℃，内外最大温差为21.8℃。与水平间距为2.0m时的冷却效果相比：当水平间距为1.5m时，其冷却效果提高了52%；当水平间距为1.0m时，其冷却效果提高了1.21倍。减小冷却水管的间距会增加管材的用量，如果采用2.0m的水平间距，则需要432m的冷却水管；如果采用1.5m的水平间距，则需要531m的冷却水管；如果采用1.0m的水平间距，则需要690m冷却水管。过多的减小冷却水管的间距，将会增加冷却水管的长度，从而影响到水管内压力、水头损失、水泵型号和施工成本，同时也增加了施工难度。《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009中3.0.4条明确要求：混凝土浇筑块体的里表温差（不含混凝土收缩的当量温度）不宜大于25℃。根据已有工程经验，冷却水管的竖直间距一般为浇筑层厚，冷却水管的水平间距一般在1.0m～2.0m之间，将混凝土水化热的最高温度控制在70℃以内，1.0m×1.0m的间距已经达到了要求的冷却效果。 2.3、不同冷却水管管径的冷却效果对比

为研究不同直径的冷却水管对混凝土冷却效果的影响，分别取DN20（6分管）DN25（1寸管）、DN32（1寸2管）、DN40（1寸半分管），采用蛇形二的平面布置形式，其他计算参数不变，建立有限元模型进行计算。不同管径冷却水管的冷却效果对比，如图7所示。

图7 不同管径的冷却效果对比

由图7可以看出，在其他计算参数不变的情况下，虽然增大冷却水管的管径，可以降低混凝土的最高温度，但其对冷却效果的影响并不显著。增大管径必将增加管材的消耗，提高施工成本，所以通过加大管径的方式来提高冷却效果是不经济的。管径过小会增加水管阻力，若要保持相同的流量，就必须加大管内冷却水的流速，这必将增加供水设备的工作负荷，从而提高了施工成本。根据以往的工程经验，冷却水管的管径一般取25mm～30mm。 3、结论

（1）大体积混凝土冷却水管布置宜采用双进水口，双出水口的布置方式，可以有效的降低承台内部温度；

（2）综合考虑施工实用和经济控制，冷却水管层间距取1m更为适宜；

（3）冷却水管管径取25mm～30mm可以满足工程需要； 参考文献：

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