大體積混凝土抗裂措施淺析

翁志海 徐才華

（1.湖州市城市投資發(fā)展集團(tuán)有限公司 浙江湖州 313000 2.湖州市中心醫(yī)院 浙江湖州 313000）

0 前言

某醫(yī)學(xué)中心（原某市中心醫(yī)院遷建工程）后裝治療機(jī)房及直線加速器機(jī)房為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部將安裝的醫(yī)用直線加速器為2類類別，最大能量15Mev。醫(yī)用直線加速器在開機(jī)期間，會產(chǎn)生高強(qiáng)度的x射線、中子射線等，若射線泄露，有可能造成很大的危害，本項(xiàng)目采用超厚密實(shí)混凝土對射線進(jìn)行屏蔽，對混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂要求高，故需要采取多種措施預(yù)防裂縫的產(chǎn)生。

大體積混凝土施工中，由于水泥水化熱引起混凝土澆筑體內(nèi)部溫度劇烈變化，使混凝土澆筑體早起塑性收縮和混凝土硬化過程中的收縮增大，使混凝土澆筑體內(nèi)部的溫度-收縮應(yīng)力劇烈變化，而導(dǎo)致混凝土澆筑體或構(gòu)件發(fā)生裂縫的現(xiàn)象并不罕見。大體積混凝土所產(chǎn)生的裂縫，起初絕大多數(shù)都是表面裂縫，但其中有一部分后來會發(fā)展為深層或貫穿性裂縫，影響結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，危害很大。理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都表明，表面保溫是防止表面裂縫的最有效措施。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，當(dāng)鋼筋發(fā)揮作用時，混凝土早已開裂，利用鋼筋防止出現(xiàn)混凝土裂縫是困難的，主要需要依靠溫度控制以降低拉應(yīng)力防止裂縫。為了防止大體積混凝土的裂縫，除了控制溫度外，還需要采取其他的技術(shù)措施，包括提高混凝土的抗裂能力、嚴(yán)格控制混凝土施工質(zhì)量、改善混凝土結(jié)構(gòu)的約束條件等等，即需要采取綜合技術(shù)措施[1]。本文對部分抗裂技術(shù)措施進(jìn)行了一些分析研究。

1 項(xiàng)目概況

直線加速器機(jī)房位于其項(xiàng)目東南側(cè)，該范圍底板厚度0.6m，完成面標(biāo)高-6.500m。底板混凝土強(qiáng)度等級C40，其余混凝土強(qiáng)度等級C30，頂板最大板厚2900mm，一般板厚1400mm，完成面標(biāo)高-0.600m、0.900m，最大墻板厚2900mm，一般板厚600mm、1400mm。其底板與地下室底板一同澆筑，墻板及頂板一同澆筑，本文主要論述墻板及頂板混凝土的抗裂措施。

圖1 直線加速器機(jī)房BIM模型

筆者作為業(yè)主項(xiàng)目部管理人員，著重從以下方面對直線加速器室混凝土結(jié)構(gòu)抗裂進(jìn)行了控制。

2 混凝土原材料選擇與配合比設(shè)計(jì)

直線加速機(jī)室結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)混凝土容重愈重、結(jié)構(gòu)厚度愈厚，其防護(hù)x射線的性能越好。對于中子射線防護(hù)，還需要混凝土體內(nèi)含有足夠量的結(jié)合水來慢化快中子的作用。故配制防輻射混凝土?xí)r，宜采用膠結(jié)力強(qiáng)、水化結(jié)合水量高的水泥。

合理選用混凝土原材料品種和配比，盡量使混凝土具有較大抗裂能力，即抗拉強(qiáng)度和極限拉伸較大，絕熱溫升、彈性模量和線脹系數(shù)較小，而且半熟齡期較大[2]。故本項(xiàng)目在普通混凝土的基礎(chǔ)上增加了聚丙烯單絲抗裂纖維及EA膨脹劑，并經(jīng)多次試配試驗(yàn)，在滿足拌和、力學(xué)性能等要求的基礎(chǔ)上盡量減少水泥用量，增加混凝土容重，實(shí)際混凝土容重為23.7kN/m3。

3 溫度場及溫度應(yīng)力有限元分析預(yù)測

為了掌握此結(jié)構(gòu)的溫度場及應(yīng)力場規(guī)律，科學(xué)指導(dǎo)溫度控制，引入仿真計(jì)算手段并與施工過程監(jiān)測相結(jié)合，對預(yù)防混凝土結(jié)構(gòu)因溫度原因開裂有較大的指導(dǎo)意義。并且可以與施工方案所參照的《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496—2009）附錄中的溫度應(yīng)力計(jì)算方法計(jì)算的結(jié)論進(jìn)行對比分析。

3.1 溫度場仿真分析

根據(jù)熱傳導(dǎo)原理進(jìn)行溫度場分析，就是根據(jù)混凝土的熱學(xué)性能與氣候條件，在給定的邊界條件及初始條件下求解導(dǎo)熱方程。

3.1.1 大體積混凝土溫度場計(jì)算原理

溫度場是溫度在時間及空間上的分布，描述一個區(qū)域內(nèi)的溫度如何隨時間變化，如式（1）所示：

式中：a-導(dǎo)溫系數(shù)；Q-單位時間內(nèi)單位體積中發(fā)出的熱量；c-比熱；ρ-密度；τ-時間。

3.1.2 熱學(xué)性能與氣候條件

混凝土溫度場和溫度應(yīng)力的計(jì)算需要各類熱學(xué)性能參數(shù)，包括導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)、比熱、密度等。它們?nèi)Q于骨料、膠凝材料及水的特性，重要工程應(yīng)由試驗(yàn)確定，一般工程可根據(jù)混凝土的各種組份的質(zhì)量百分比計(jì)算。氣候條件則根據(jù)當(dāng)?shù)匾酝甑臍庀筚Y料及天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)來預(yù)估。本項(xiàng)目實(shí)際施工季節(jié)為初春。

3.1.3 初始條件及邊界條件

初始條件就是在初始瞬時的溫度場分布規(guī)律，一般來說，當(dāng)τ=0時，初始瞬時溫度可以認(rèn)為是常數(shù)。

混凝土結(jié)構(gòu)頂及四周通過模板及保溫板與空氣進(jìn)行熱交換，屬于第三類邊界條件；結(jié)構(gòu)底部與原混凝土底板直接接觸，屬于第四類邊界條件，底部土壤定位為第二類邊界，取絕熱狀態(tài)。

目前關(guān)于大體積混凝土表面保溫計(jì)算的常用方法有等效表面散熱系數(shù)法、等效厚度法、導(dǎo)熱系數(shù)法等[2]，本文采用等效表面散熱系數(shù)法進(jìn)行仿真計(jì)算，當(dāng)新澆混凝土表面覆蓋模板及保溫板時，定義邊界條件仍按第三類邊界考慮，此時傳熱系數(shù)β應(yīng)考慮保溫措施的影響，得到總傳熱系數(shù) βs如式（2）所示：

式中：Rs-保溫層總熱阻；δi-第i層保溫材料厚度；λi-第i層保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，木模板、保溫板分別取0.23、0.04W（/m·K）；βμ-固體在空氣中的傳熱系數(shù)，取22W/（m2·K）。

3.1.4 荷載

水化熱放熱規(guī)律公式是影響混凝土結(jié)構(gòu)溫度場有限元仿真精度的關(guān)鍵因素，本文采用單參數(shù)指數(shù)式經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行仿真計(jì)算，公式如式（3）所示：

式中：Q（τ）-在齡期τ時的積累水化熱；Q0-τ→∞時的最終水化熱，取335kJ/kg；τ-齡期；m-水化熱系數(shù)，取 0.3。

ANSYS中不能直接定義混凝土的絕熱溫升，需做一定的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換。在ANSYS中，混凝土的絕熱溫升通過生熱率HGEN來實(shí)現(xiàn)。生熱率就是單位時間內(nèi)混凝土的生熱量[3]，如式（4）所示：

式中：HGEN-混凝土水化生熱率；W-每m3混凝土膠凝材料用量；F-每m3混凝土混合材用量；K-折減系數(shù)，取0.25。

圖2 澆筑后第3天溫度場分布

圖3 澆筑后第7天溫度場分布

圖4 澆筑后第28天溫度場分布

如圖2～圖4所示，結(jié)構(gòu)中心溫度最高，并向表面依次降低。最高溫度出現(xiàn)在中間機(jī)房的頂板及墻板位置。隨著齡期增長，高溫區(qū)域逐漸縮小，最高溫度保持在不易散熱的中間墻體位置。

基于本文4.2條，實(shí)際監(jiān)測與仿真分析之間的誤差在可以接受的范圍內(nèi)，證明使用ANSYS模擬溫度場是可行的，也奠定了應(yīng)力場仿真的基礎(chǔ)。

3.2 應(yīng)力場仿真分析

混凝土澆筑初期，處于升溫階段，彈性模量較小，由變形引起的應(yīng)力也較小，經(jīng)過一段時期后，彈性模量會隨時間推移迅速提高，因此由變形引起的應(yīng)力會顯著增大，混凝土彈性模量隨時間增長過程可用式（5）模擬[4]。

式中：β-摻合料修正系數(shù)，取0.95；φ-系數(shù)，取0.09；E0-混凝土彈性模量，取 3.0×104N/mm2；E（t）-混凝土齡期為 t時的彈性模量。

如圖5～圖7所示，升溫期間表面最可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大應(yīng)力出現(xiàn)在幾處轉(zhuǎn)角位置，降溫期間表面拉應(yīng)力逐漸下降，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在其內(nèi)部。

3.3 控制溫度裂縫條件

圖5 澆筑后第3天應(yīng)力場分布

圖6 澆筑后第7天應(yīng)力場分布

圖7 澆筑后第28天應(yīng)力場分布

大體積混凝土控溫抗裂安全系數(shù)為相應(yīng)齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值與對應(yīng)齡期溫度應(yīng)力值之比，安全系數(shù)越大，混凝土結(jié)構(gòu)開裂的概率越小。參照大體積混凝土施工規(guī)范，按安全系數(shù)取值按1.15控制，如式（6）所示：式中：K-防裂安全系數(shù)。

此外混凝土的抗拉強(qiáng)度如式（7）表示：

式中：ftk（t）-混凝土齡期為t時的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ftk-混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取2.01MPa；γ-系數(shù)，當(dāng)無試驗(yàn)數(shù)據(jù)時，可取0.3。

此結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果：第 3、7、14、28d 最大拉應(yīng)力為 1.06、1.67、1.19、0.68MPa，符合抗裂要求。

4 保溫措施及溫控實(shí)測

4.1 保溫保濕措施

直線加速器機(jī)房位于負(fù)一層，其周邊區(qū)域頂板及底板已先期澆筑，故澆筑混凝土結(jié)構(gòu)時，其墻板位于室內(nèi)，頂板位于室外。項(xiàng)目部根據(jù)仿真分析結(jié)果，對養(yǎng)護(hù)措施進(jìn)行了完善。其墻板木模板外鋪50mm厚保溫板，并在墻體外側(cè)一米開外，用彩條布環(huán)繞外墻一周圍成一個封閉區(qū)域，在封閉區(qū)域內(nèi)布置加濕器進(jìn)行加濕。其頂板表面鋪設(shè)塑料薄膜一層，上鋪70mm厚保溫板，經(jīng)常性澆水，并測量水溫，監(jiān)控其與混凝土表面溫度關(guān)系。

4.2 計(jì)算值與實(shí)測值對比

圖8 中間機(jī)房頂板測點(diǎn)計(jì)算與實(shí)測值對比

僅取中間位置機(jī)房頂板中心測點(diǎn)進(jìn)行示例，如圖8所示。其中心最高溫度計(jì)算值為52.1℃，實(shí)測結(jié)果表明，此處最高溫度為58.8℃，模擬結(jié)果與實(shí)測溫度變化基本吻合，結(jié)構(gòu)實(shí)際最大里表溫差為16℃。達(dá)到預(yù)計(jì)控溫要求，也說明保溫效果較好，但需注意良好的保溫有可能造成拆除保溫設(shè)施及模板時也可能造成“冷擊”作用，因此本項(xiàng)目實(shí)際拆除模板時間為澆筑完成70d之后（此區(qū)域作業(yè)非關(guān)鍵線路，故允許較長的保溫時間）。實(shí)際溫控措施規(guī)范完善，拆模后未發(fā)現(xiàn)任何有害裂縫，圓滿完成施工任務(wù)。

5 結(jié)論

本文通過對混凝土配合比的分析，優(yōu)化其自身材料性能。并采用ANSYS仿真分析預(yù)測及實(shí)測數(shù)據(jù)對比，對制定合理的溫控措施提供了較為可行的參考并付諸實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到預(yù)期抗裂效果，工程質(zhì)量也得到保證。但鑒于大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程、施工材料的復(fù)雜性，隨機(jī)性，使得真正嚴(yán)格意義的仿真計(jì)算還有待工程界的共同努力，本文僅做了一些淺顯的研究分析。