在美國(guó)，過(guò)去往往會(huì)忽視橋梁構(gòu)件中的溫度梯度。其原因是：常用的柱子、柱礎(chǔ)和承臺(tái)的尺寸相對(duì)比較小。但是，隨著結(jié)構(gòu)要求、運(yùn)輸要求和美學(xué)的原因，構(gòu)件尺寸日益增大，溫度梯度和溫度裂縫已成為橋梁工程師深感頭痛的問(wèn)題。許多大體積混凝土工程項(xiàng)目都規(guī)定了最大的溫差為35。F，有些甚至規(guī)定了極限最高內(nèi)部溫度（通常為160。F）。從事這些工程項(xiàng)目的承包商和工程師都日益要求開(kāi)發(fā)研究一種溫度控制手段，來(lái)滿足這些規(guī)范的要求。
遺憾的是，即使規(guī)范的目標(biāo)，都能很好地被大家理解，但是，最大為35。F溫差的合理性（合法性），仍廣受質(zhì)疑。這些規(guī)范的目的，是希望大大降低溫度裂縫，并使之受到控制。但是，僅僅進(jìn)行大體積混凝土構(gòu)件溫度的分析，并不能直接控制產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。很顯然，需要一種更為統(tǒng)一的進(jìn)行大體積混凝土設(shè)計(jì)方法，才能防止溫度裂縫，才能提高其長(zhǎng)期的使用性能。相關(guān)的研究工作顯示，可以通過(guò)各種各樣的方法，來(lái)降低大體積混凝土的裂縫風(fēng)險(xiǎn)，其中包括：
l 降低新拌混凝土的溫度
l 使用較大規(guī)格的最大骨料
l 使用低溫度膨脹系數(shù)的骨料
l 采用破碎型骨料，取代光滑的圓形骨料
l 采用粉煤灰、礦渣或其它適用的附助性膠凝材料（SCMs），取代水泥
l 采用引氣
l 降低水泥用量和凈漿量
遺憾的是，至今仍沒(méi)有一種很好的手段，能對(duì)這些方法中的每種方法的效果，進(jìn)行定量化測(cè)定。當(dāng)一位承包商問(wèn)起，“如果在我的混凝土拌合物中，使用破碎型石灰石骨料，并降低水泥用量時(shí)，混凝土能滿足規(guī)范要求的澆筑溫度嗎？”這仍將是個(gè)難以回答的問(wèn)題。如果能夠?qū)υ搯?wèn)題作作出答復(fù)，那就會(huì)使大體積混凝土的使用性能和經(jīng)濟(jì)性得到改善和提高。
得克薩斯州運(yùn)輸部（TxDOT）的解決方案
2001年10月，《混凝土施工》雜志就一篇有關(guān)大體積混凝土的文章，采訪了得克薩斯州運(yùn)輸部。該文章刊出后，得克薩斯州運(yùn)輸部對(duì)現(xiàn)行的大體積混凝土規(guī)范和ACI207委員會(huì)的大體積混凝土施工指南進(jìn)行了認(rèn)真的審閱。得克薩斯州運(yùn)輸部認(rèn)為，需要有一種能方便地對(duì)應(yīng)用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的混凝土性能進(jìn)行預(yù)測(cè)的工具。
2002年9月，得克薩斯州運(yùn)輸部發(fā)起了一項(xiàng)研究項(xiàng)目，希望開(kāi)發(fā)出一種專(zhuān)門(mén)對(duì)大體積混凝土構(gòu)件進(jìn)行溫度分析的軟件。六周內(nèi)，該項(xiàng)研究工作已發(fā)展成包括一整套混凝土配合比設(shè)計(jì)、分析和性能預(yù)測(cè)的研究計(jì)劃，并取名為ConcreteWorks。該研究項(xiàng)目的投資從40萬(wàn)美元，增加到130萬(wàn)美元，研究期限也從3年增加到5年。研究項(xiàng)目的宗旨是向試驗(yàn)室技師、工程師和承包商提供一種能進(jìn)行混凝土設(shè)計(jì)、分析和性能預(yù)測(cè)的綜合性工具，用于指導(dǎo)和提高得克薩斯州運(yùn)輸部的混凝土優(yōu)化設(shè)計(jì)能力。此研究項(xiàng)目的另一個(gè)收獲可能是，對(duì)規(guī)范中強(qiáng)制性的35。F最大溫差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正。該修正會(huì)轉(zhuǎn)向用溫度梯度限制來(lái)取代最大溫差限制，并放寬溫差和溫度梯度限制，因?yàn)椴煌牧蠈?duì)裂縫都有影響。在本研究項(xiàng)目完成后，將把研究結(jié)果和對(duì)規(guī)范的修改建議，提交給得克薩斯州運(yùn)輸部規(guī)范委員會(huì)。
位于奧斯丁市的得州大學(xué)混凝土耐久性研究中心，成功地為此項(xiàng)目提交了研究方案，并由五名來(lái)自美國(guó)和加拿大三所大學(xué)的著名教授組成了研發(fā)小組。
軟件研發(fā)的背景
計(jì)算計(jì)化模型
名為ConcreteWorks的研究項(xiàng)目提出了三種可能進(jìn)行熱傳遞的模型—傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳導(dǎo)部分采用的是取決于所選材料、時(shí)間和溫度的非線性材料的熱工性能。對(duì)流部分說(shuō)明不同材料（混凝土、木材、鋼材和蓋毯）表面的粗糙性和風(fēng)速效應(yīng)。輻射部分則包括：太陽(yáng)能輻射，表面陰影（諸如承臺(tái)底部被遮蔽），大氣輻射，土壤散發(fā)的輻射和來(lái)自混凝土構(gòu)件表面的輻射。
這些傳熱模型可以使用戶快捷方便地對(duì)不同的施工程序和材料模型化，以便最終建造出性能更佳，耐久性更好和更廉價(jià)的混凝土構(gòu)件?；炷涟韬衔锼母鞣N比熱值，被用于精確地對(duì)不同膠凝材料對(duì)混凝土內(nèi)部相應(yīng)位置溫度分布的影響模型化。該模型是根據(jù)從得州指定的12種混凝土構(gòu)件中采集到的溫度數(shù)據(jù)資料，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)33,000小時(shí)的調(diào)整和校驗(yàn)才形成的。
檢測(cè)方法
用于本研究項(xiàng)目的某些獨(dú)特的檢測(cè)方法是：半絕熱熱量法（250次），恒溫?zé)崃糠ǎ?50次），裂縫框架法（75次），快速氯化物滲透試驗(yàn)（ASTM C1202 300次），抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（ASTM C39），劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)（ASTM C496），彈性摸量試驗(yàn)（ASTM C469）和凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)（ASTM C403）。
混凝土裂縫風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估
評(píng)估溫度裂縫風(fēng)險(xiǎn)并非象破壞若干圓柱體試件，或在信封背面進(jìn)行若干計(jì)算那么簡(jiǎn)單。這項(xiàng)評(píng)估工作需做大量的檢測(cè)試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模型，才能對(duì)這些復(fù)雜的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。
在大體積混凝土中，隨著膠凝材料體系水化的進(jìn)展，其抗拉強(qiáng)度也會(huì)隨之增加，并且受到膠凝材料種類(lèi)、水膠比、骨料種類(lèi)和正在硬化的混凝土成熟度的巨大影響。導(dǎo)致裂縫約束力的最基本原因是，結(jié)構(gòu)中心和表面之間存在的溫度梯度。該溫度梯度會(huì)導(dǎo)致的溫差應(yīng)力，可能會(huì)超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度。
內(nèi)部相應(yīng)位置的應(yīng)力發(fā)展會(huì)受到有效彈性模量（即一種時(shí)經(jīng)硬度發(fā)展的計(jì)量單位）、熱膨脹系數(shù)、凝結(jié)特征、約束條件和正在硬化的混凝土溫度變化過(guò)程的影響。在混凝土早期階段，想對(duì)這些變量進(jìn)行定量化測(cè)定，是頗為困難的，而且，這些變量之間，還存在復(fù)雜的相互作用。
就得克薩斯州運(yùn)輸部研究項(xiàng)目而言，用早期裂縫構(gòu)架檢測(cè)試驗(yàn)來(lái)評(píng)估最高為35。F的溫差標(biāo)準(zhǔn)。正在硬化的混凝土容易產(chǎn)生裂縫的敏感性，可以通過(guò)把混凝土試件固定后，采用裂縫框架檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。這些框架應(yīng)設(shè)計(jì)成可把新拌混凝土澆筑到每一個(gè)框架的模子內(nèi)，從而能對(duì)混凝土拌合物最早期的行為特性進(jìn)行研究。收縮效應(yīng)可以通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)混凝土試件進(jìn)行的試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，并將該評(píng)估的信息資料應(yīng)用于ConcreteWorks研究項(xiàng)目中，以便對(duì)應(yīng)用于大體積混凝土的各種混凝土拌合物的裂縫敏感性進(jìn)行量化測(cè)定。
ConcreteWorks研究項(xiàng)目的現(xiàn)狀
2005年1月推出的ConcreteWorks 1.0版, 是一種只能在微軟視窗環(huán)境下進(jìn)行操作的應(yīng)用軟件。該軟件是免費(fèi)的，并且能在www.Texasconcreteworks.com 網(wǎng)站上下載。這種用戶友好型軟件能在計(jì)算機(jī)桌面上運(yùn)行。當(dāng)前提供的軟件版本具有下列功能：
l 預(yù)測(cè)大體積混凝土構(gòu)件內(nèi)部相應(yīng)位置的溫度變化過(guò)程?？蓪?duì)水泥、磨細(xì)顆粒狀高爐礦渣、粉煤灰、硅灰和化學(xué)外加劑采用不同組合后的一系列效果進(jìn)行評(píng)估。
l 通過(guò)使用成熟度方法（ASTM C1074，）對(duì)相應(yīng)的強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)。
l 評(píng)估模板類(lèi)型、養(yǎng)護(hù)方法、保溫蓋毯、液態(tài)氮和加冰塊的效果。
l 評(píng)估氣候條件的影響。
l 根據(jù)ACI 211規(guī)范步驟，進(jìn)行混凝土拌合物的配合比設(shè)計(jì)。
l 對(duì)得克薩斯州運(yùn)輸部規(guī)范中的下列內(nèi)容進(jìn)行審核：
l 混凝土澆筑中心與外露混凝土表面之間最高混凝土溫差，若不超過(guò)35。F。
l 堿硅反應(yīng)（ASR） 審核采用波特蘭水泥素混凝土拌合物中來(lái)自水泥的堿性材料總量不超過(guò)4磅/立碼。當(dāng)采用不同膠凝材料和化學(xué)外加劑時(shí)，提供7種能降低ASR的選擇方案。
l 延遲性鈣礬石反應(yīng)（鈣礬石是水泥水化反應(yīng)的副產(chǎn)品） 審核應(yīng)用于大體積混凝土澆筑作業(yè)的最高內(nèi)部相應(yīng)溫度，中心部位混凝土的溫度，不得超過(guò)160。F。對(duì)于預(yù)制混凝土構(gòu)件而言，混凝土溫度不得超過(guò)150。F，對(duì)于采用波特蘭水泥素混凝土拌合物和含輔助性膠凝材料的混凝土拌合物，混凝土溫度不得超過(guò)170。F。
最新版的ConcreteWorks軟件將于2008年9月發(fā)行，其另增的功能有：
l 預(yù)測(cè)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件、橋臺(tái)板和混凝土路面內(nèi)部相應(yīng)位置的溫度。
l 用于進(jìn)行腐蝕性預(yù)測(cè)的完整模型。
l 在大體積混凝土應(yīng)用中，對(duì)裂縫趨勢(shì)（低、中、高）進(jìn)行分類(lèi)。
l 與得克薩斯州運(yùn)輸部項(xiàng)目管理軟件Sitemanager具有兼容的程序。
ConcreteWorks軟件使用簡(jiǎn)介（從略）
(顧耀臣 譯自美國(guó)《混凝土施工》雜志 Nov. 2006 P.47-53)
