大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫控制方法的模擬與試驗(yàn)

王新雨

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

大體積混凝土在現(xiàn)代建筑中起著重要作用,尤其是在筏板基礎(chǔ)、厚墻和大壩等大型結(jié)構(gòu)的施工中[1]。混凝土在水泥水化過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量,由于結(jié)構(gòu)的熱耗散率不同,水化熱在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生溫升,會(huì)導(dǎo)致大體積混凝土核心與其表面之間的高熱梯度[2-3]。如果結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力(即拉應(yīng)力)超過混凝土不斷發(fā)展的抗拉強(qiáng)度,特別是在混凝土早期強(qiáng)度仍在發(fā)展時(shí),就會(huì)形成熱裂紋,進(jìn)而影響大體積混凝土結(jié)構(gòu),尤其是混凝土地下結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。因此,控制混凝土溫度以防止裂縫是大體積混凝土設(shè)計(jì)和施工的主要目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),通常采用的方法是降低混凝土最高溫度和大體積混凝土中的溫差。冷卻管是降低溫度峰值和梯度的有效方法之一,但這種方法成本很高,風(fēng)險(xiǎn)很大[4-5]。為了降低溫度梯度,也可在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的所有表面覆蓋多層薄板保溫材料,以保持大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱量,并確保其表面溫度與其核心溫度相差不大。但這種方法不利于降低混凝土峰值溫度,如果過早拆除隔熱層,可能會(huì)導(dǎo)致熱震開裂。因此,這種加熱方法通常與預(yù)冷技術(shù)相結(jié)合,以提高大體積混凝土水化熱降低的效率。基于加熱方法的原理,研究人員提出了一種降低大體積混凝土基礎(chǔ)水化熱的新技術(shù),該技術(shù)可使大體積混凝土的溫差和峰值最小化。其優(yōu)點(diǎn)是在混凝土澆筑過程中,不需要2層之間的水平施工縫,從而提高了大體積混凝土的完整性。各層混凝土比例和上層厚度對(duì)大體積混凝土熱性能的影響是該技術(shù)的2個(gè)重要方面。為此本文采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬,并對(duì)大體積混凝土塊進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。通過與試驗(yàn)結(jié)果的比較,驗(yàn)證模擬溫度場的正確性,得出層間混合比例和層厚的變化規(guī)律。

1 建模參數(shù)

本研究采用2.5 m×2.5 m×2.5 m的混凝土塊進(jìn)行試驗(yàn),在進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)之前,先確定試驗(yàn)混凝土塊的混合料以及層厚。在Midas Civil軟件中建立并分析了混凝土塊的有限元模型。假定該大塊混凝土塊作為基礎(chǔ)位于地基上,對(duì)此進(jìn)行2次建模分析。

1.1 分析模型幾何圖形和輸入?yún)?shù)

圖1為大體積混凝土塊的模型幾何結(jié)構(gòu)。由于模型及其邊界條件的對(duì)稱性,為了減少計(jì)算工作量,本文分析了1/4具有相應(yīng)邊界條件的混凝土塊(見圖2)。用于模型計(jì)算的參數(shù)值如表1所示。在最初的研究中,環(huán)境溫度被設(shè)定為27 ℃。假設(shè)混凝土澆筑和地基溫度分別為30 ℃和20 ℃。

圖1 大體積混凝土塊的幾何結(jié)構(gòu)模型

圖2 1/4混凝土塊模型的邊界條件

表1 用于模型計(jì)算的參數(shù)

1.2 第1次分析:分析模型只有1種混凝土混合物

第1次分析的目的是在只有1種混凝土混合物的情況下測試基礎(chǔ)的溫度場,研究粉煤灰對(duì)溫度場的影響。1 m3混凝土中砂、碎石、水、膠凝材料的質(zhì)量分別固定為880,951,160,385 kg,按照不同的水泥/粉煤灰的配比澆筑3個(gè)試件,如表2所示。混合料中使用的水泥均為普通硅酸鹽水泥,預(yù)拌混凝土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度均為40 MPa。

表2 1 m3混凝土膠凝材料配比 %

圖3為3個(gè)試件對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)中心和表面的溫度變化。可以看出,在澆筑混凝土后50 h,3個(gè)試件混凝土塊中心的峰值溫度分別為80.6,71.1,62.3 ℃,澆筑后200 h,由于散熱,混凝土塊中心溫度逐漸下降至約40 ℃。試件1、2在溫升超過70 ℃時(shí)可能導(dǎo)致延遲鈣礬石生成(Delayed Ettingite Formation,DEF)現(xiàn)象的發(fā)生,會(huì)導(dǎo)致混凝土損壞。澆筑后50 h,3個(gè)試件的基礎(chǔ)中心和表面之間的溫差最大值分別為38.5,31.2,24.6 ℃。試件1、2在溫度梯度超過25 ℃后出現(xiàn)熱裂縫。由此可知:1)隨著粉煤灰質(zhì)量的增加,地基中心的峰值溫度和基礎(chǔ)中心與表面之間的溫差均減小;2)試件3不會(huì)因熱問題開裂,因此,使用粉煤灰替代部分水泥是控制大體積混凝土熱裂縫的有效方法。

圖3 基礎(chǔ)中心和表面溫度隨時(shí)間的變化

1.3 第2次分析:分析模型有2種不同混合料的混凝土層

1.3.1 層厚對(duì)溫度場的影響

第2次分析使用與第1次分析相同的混凝土塊(大塊基礎(chǔ))。本次分析的基礎(chǔ)由2層混凝土構(gòu)成,其中上層產(chǎn)生的水化熱高于下層。上層混凝土的m(水泥∶粉煤灰)=100%∶0%;下層混凝土的m(水泥∶粉煤灰)=80%∶20%。1 m3混凝土塊按照不同厚度制備4個(gè)試件,如表3所示。

表3 4個(gè)試件的厚度 m

圖4為4個(gè)試件對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)中心和表面的溫度變化。在澆筑混凝土后50 h,觀察到4個(gè)試件的峰值溫度分別為62.7,63.6,65.4,68.1 ℃;混凝土塊中心和表面之間的最大溫差分別為24.4,24.0,24.6,26.6 ℃。由圖4可知,試件2在澆筑50 h后的混凝土塊中心和表面的最大溫度差在4個(gè)試件中最小,上下層劃分為1/4的混凝土產(chǎn)生的熱應(yīng)力最低,在混凝土強(qiáng)度發(fā)展初期不宜超過其抗拉強(qiáng)度,形成熱裂縫。此時(shí),上層混凝土能產(chǎn)生比下層更高的水化熱,表面混凝土向周圍環(huán)境的熱量損失率高于大體積混凝土塊的核心部分,這有助于最大限度地減少中心部位和混凝土塊表面之間的溫差,并降低中心部位的峰值溫度。因此,對(duì)于2.5 m×2.5 m×2.5 m基礎(chǔ),試件2的上下層厚度最佳。

圖4 4個(gè)試件的基礎(chǔ)中心和表面的溫度變化

1.3.2 混凝土配合比對(duì)溫度場的影響

固定試件的下層厚度為2.0 m,混凝土混合料中m(水泥∶粉煤灰)=80%∶20%;上層厚度為0.5 m,按照表4所示改變上層混凝土混合料中膠凝材料的配比,分別制備3個(gè)試件。分析不同混凝土混合物對(duì)大體積混凝土塊中溫度場的影響。

表4 上層混凝土膠凝材料的配比 %

圖5為3個(gè)試件的基礎(chǔ)溫度變化。混凝土澆筑后50 h,再次觀察到3個(gè)試件混凝土塊中心的峰值溫度分別為63.6,62.9,62.6 ℃。3個(gè)峰值溫度相差不大,是因?yàn)?個(gè)試件下層的混凝土混合料都相同。3個(gè)試件混凝土塊中心部位和表面之間的最大溫差分別為24.0,24.2,24.4 ℃,說明試件1的溫差最小,這是因?yàn)樯蠈記]有粉煤灰,與試件2、3相比,產(chǎn)生的水化熱最高,有助于減少基礎(chǔ)核心和表面之間的溫差。

圖5 3個(gè)試件的基礎(chǔ)中心和表面的溫度變化

綜上可以得出結(jié)論,試驗(yàn)塊應(yīng)分為2層,厚度分別為0.5 m和2.0 m。2層混凝土混合料的膠凝材料(水泥和粉煤灰)質(zhì)量相同,為385 kg/m3,其中上層無粉煤灰(0%),而下層有77 kg/m3的粉煤灰(占總膠凝材料的20%)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

制備一塊尺寸為2.5 m×2.5 m×2.5 m的大體積混凝土塊,混凝土塊中2層的配合比和厚度如前所述。所用水泥為普通硅酸鹽水泥,最大骨料粒徑為20 mm。

混凝土由車載混凝土泵澆筑。使用的模板為鋼模板。使用尼龍層和50 mm絕緣層覆蓋混凝土表面和模板外部,以防止熱量輻射到周圍環(huán)境中(即加熱方法)。

溫度傳感器安裝在實(shí)驗(yàn)混凝土塊的預(yù)定位置(如圖6所示),以記錄溫度隨時(shí)間的分布。

(a)平面上

(b)立面上圖6 實(shí)驗(yàn)區(qū)中的熱傳感器位置

沿塊的角軸、邊軸和中心軸共有15個(gè)測量位置TS(即每個(gè)軸5個(gè)TS)。在每個(gè)測量位置,安裝了2個(gè)溫度傳感器,以確保收集數(shù)據(jù)的可靠性。此外,還收集了周圍環(huán)境、澆筑混凝土和地基的溫度。

3 分析模型驗(yàn)證

在初始建模研究中,使用環(huán)境溫度、澆筑溫度和地基溫度的假設(shè)值對(duì)分析模型進(jìn)行模擬。為了驗(yàn)證模型,再次使用實(shí)驗(yàn)期間收集的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行模型分析。參數(shù)值如表5所示。

表5 建模參數(shù)值 ℃

圖7為3個(gè)測量點(diǎn)的觀測溫度場和模擬溫度的對(duì)比結(jié)果,即TS3(混凝土塊核心處)、TS5和混凝土塊表面、混凝土塊中心軸上的溫度場和模擬溫度。可以看出,建模和實(shí)驗(yàn)研究在3個(gè)測量點(diǎn)提供的溫度曲線形狀相似,模擬溫度值與實(shí)驗(yàn)值的偏差很小。混凝土塊核心的實(shí)驗(yàn)峰值溫度TS3為73.7 ℃,模擬值為72.3 ℃。測量點(diǎn)TS5的實(shí)驗(yàn)峰值溫度為70.2 ℃,模擬值為69.4℃。混凝土塊表面的實(shí)驗(yàn)峰值溫度為60.0 ℃,模擬值為59.2 ℃。實(shí)驗(yàn)期間觀察到的最大溫差為18.3 ℃,模擬值為17.3 ℃。此外,通過對(duì)試塊內(nèi)其他測點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)溫度與模擬溫度的比較,得出了相同的結(jié)論,表明仿真結(jié)果可靠。

圖7 沿試塊中心軸測量點(diǎn)處模擬和實(shí)驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)的比較

此外,混凝土塊中部和表面之間的溫差觀測值和模擬值均低于25 ℃,這意味著混凝土塊可能不會(huì)因熱問題而開裂。這與實(shí)驗(yàn)塊上沒有裂縫的現(xiàn)象是一致的。

4 模型分析與結(jié)論

在2.5 m×2.5 m×2.5 m混凝土塊上進(jìn)行的建模和實(shí)驗(yàn)研究,證明了使用2層不同混合料的大體積混凝土控制熱裂縫的有效性。結(jié)果表明,上層會(huì)比下層產(chǎn)生更多的水化熱,從而減小混凝土塊中部和表面之間的溫差。表面混凝土的熱量損失率高于大體積混凝土塊的核心部分。這是導(dǎo)致混凝土塊中部和表面溫差大的原因,也是導(dǎo)致大體積混凝土產(chǎn)生熱裂縫的原因。

分析模型的驗(yàn)證表明,數(shù)值模擬提供的分析結(jié)果是可靠的。為驗(yàn)證上述研究結(jié)論,進(jìn)一步在5.0 m×5.0 m×5.0 m的基礎(chǔ)模型上進(jìn)行建模研究,分析不同混合料和厚度的影響。包括4種不同上層混合料,其中粉煤灰含量在膠凝材料總量的0%～30%之間變化,以及7種不同上層厚度在0.5～3.5 m之間的情況。其結(jié)論與第1節(jié)中討論的結(jié)果相似。

此外,對(duì)于5.0 m的塊體,上部1.0 m的厚度提供了混凝土塊核心與表面的最低溫差(23 ℃)。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于此混凝土塊,上層厚度與下層厚度之比為1/4時(shí)為最大限度減小溫差的最佳劃分方案。這個(gè)比例也類似于文獻(xiàn)[6]中5.7 m塊體所用的比例,5.7 m的混凝土塊被分為2層,厚度分別為1.2 m和4.7 m,此時(shí)對(duì)大體積混凝土溫度裂縫的控制效果最佳。