大體積混凝土溫度應力仿真分析及防裂措施

樊士廣，王宇，王新剛

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

港珠澳大橋西人工島暗埋段為大體積混凝土結構，具有結構形式復雜，混凝土一次澆筑方量大等特點。大體積混凝土容易開裂[1]，因此在施工前必須對混凝土的溫度應力進行詳細分析計算，這對于提高工程質量具有重要意義。由于水泥水化過程中，系統的溫度、生熱率、熱流率、熱邊界條件等隨時間都有明顯變化，因此，采用傳統的熱傳導理論求解這種瞬態溫度場是非常困難的。本文結合暗埋段CW4，應用有限元軟件Midas/Civil[2]，按照混凝土的施工過程進行溫度應力仿真分析，并根據分析計算結果制定相應的防裂技術措施。

1 暗埋段CW4有限元模型的建立

1.1 計算參數的取值

暗埋段采用C50混凝土，混凝土配合比如表1所列。根據混凝土配合比的水泥用量和摻合料1、摻合料2的用量，摻合料水化熱折減系數取0.8，折算后水泥用量當量值為382.8 kg。水泥用PⅡ水泥，3 d水泥水化熱按經驗值取222 kJ/kg，仿真分析計算參數如表2所示。

1.2 有限元仿真分析模型的建立

CW4分4次進行澆筑，第1次澆筑底板整體、第2次澆筑外側兩道中隔墻、第3次澆筑內側兩道中隔墻、第4次澆筑側墻和頂板。CW4為對稱結構，因此仿真計算只需計算其1/2即可。根據CW4的實際斷面尺寸及施工組織設計的分步澆筑建立有限元模型如圖1所示。

表1 C50混凝土配合比Table1 C50 concrete mixtureratio

表2 計算參數的取值Table 2 Calculated valuesof the parameters

圖1 CW4-1分步澆筑有限元模型（1/2模型）Fig.1 Finite element model of CW4-1 step by step casting model(1/2)

2 溫度場和溫度應力仿真分析結果

2.1 CW4溫度場

CW4仿真分析時長為40 d，側墻頂板澆筑完成36 h溫度場如圖2所示。CW4混凝土內部最高溫度隨時間變化規律如圖3所示，混凝土內部最高溫度為75.6℃。

圖2 CW4溫度場分布Fig.2 CW4 temperature field distribution

圖3 CW4混凝土內部最高溫度隨時間變化圖Fig.3 CW4 concrete internal maximum temperature changes with time

2.2 CW4應力場

CW4側墻頂板澆筑完成20 d側墻應力場（側墻長度方向）如圖4所示。混凝土表面應力隨時間變化規律如圖5所示，混凝土表面應力超過了容許應力，側墻將產生豎向裂縫，圖4中左側深色圓弧區是將要產生豎向裂縫的區域。

圖4 CW4應力場分布Fig.4 CW4 stressdistribution

圖5 CW4混凝土表面應力隨時間變化圖Fig.5 CW4 concretesurfacestresschanges with time

3 防裂技術措施

3.1 CW4裂縫產生原因分析

CW4底板于2013年10月澆筑完成，側墻頂板于2014年1月澆筑完成，時間間隔近3個月。由于底板混凝土收縮已大部分完成，而新澆筑的側墻混凝土收縮才剛剛開始，施工縫上下層混凝土間的嵌固作用將阻礙上層混凝土自由伸縮，隨著齡期的增長，混凝土應變能達到某一極限時，將會發生能量的釋放，從而導致混凝土開裂，這與上節的溫度應力分析結果相符合。

3.2 防裂技術措施

側墻產生裂縫的主要原因是施工縫上下層混凝土收縮的不同步。因此，防裂技術措施主要考慮減小后澆筑混凝土的收縮，來達到防裂的目的。后澆筑混凝土的收縮主要包括兩部分：一是混凝土的降溫收縮；二是混凝土的自生收縮。

3.2.1 針對混凝土降溫收縮的防裂技術措施

1）降低混凝土的澆筑溫度

①降低拌和水溫度

在拌和站通過設置1臺冷卻水裝置，一座冰庫，確保拌和用水溫度控制在5℃以下，并加56 kg冰屑來代替一部分冷卻水。

②控制原材料溫度

為保證混凝土原材料溫度盡可能降低，在原材料到達現場后，在船上擱置一段時間，讓原材料溫度充分降低后再卸船。

分別在砂石料倉及料斗上方設置了遮蔭棚，防止陽光直射砂石料，并且在混凝土澆筑前，對原材料溫度進行檢測。

根據現場實際情況在粉料罐上設置了環形冷卻水管，通過對粉料罐淋水的方法降低粉料溫度。

混凝土澆筑時間選擇在夜間10時左右開始。

2） 布置冷卻水管

在側墻和頂板厚度一半位置布置冷卻水管，間距0.8 m。冷卻水管采用外徑40 mm、壁厚2～3 mm的輸水黑鐵管，冷卻水管累計長度不宜大于200 m，水管長度每超過200 m應增設1組進水口和出水口，組成另外一個冷卻水管循環。

3） 延長初凝時間

適當使用緩凝劑，延長初凝時間。

3.2.2 針對混凝土自身收縮的防裂技術措施

混凝土收縮受環境相對濕度影響顯著，環境相對濕度越低，干縮值越大。混凝土澆筑完成后必須對混凝土進行充分保濕養護。側墻拆模后立即覆蓋二層密封的復合土工布（帶一層塑料薄膜），進行密封保溫保濕養護，養護時間不少于14 d。

3.2.3 提高混凝土抗裂性能技術措施

1） 改進攪拌工藝

采用二次投料的砂漿裹石攪拌新工藝[3]。在攪拌混凝土時，改變以往的投料程序，投料順序為：先向攪拌機中依次投入砂、70%的水以及外加劑、水泥、粉煤灰、礦粉，拌和后，然后投放石子，最后再加入剩余30%的水進行攪拌。這種攪拌工藝的主要優點是減小泌水現象，混凝土上下層強度差減少，可有效地防止水分向石子與水泥砂漿面的集中，從而使硬化后的界面過渡層的結構致密、黏結性加強，也提高了混凝土的抗拉強度和極限拉伸值。

2）對澆筑后的混凝土進行二次振搗

二次振搗能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土與鋼筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出現的裂縫，減少內部微裂縫，增加混凝土密實度，使混凝土抗拉強度提高10%～20%左右，從而提高抗裂性。

3.2.4 減小各層混凝土澆筑齡期差

盡量縮短分次澆筑時間間隔。工程實踐表明，兩次澆筑混凝土間隔時間越短，避免齡期差產生裂縫的幾率越高。試驗數據表明，混凝土在前10 d收縮百分比完成約5%～25%，28 d完成約20%～50%，90 d完成約40%～78%。分次澆筑間隔時間應控制在5 d之內，困難時應在10 d之內。

4 結語

通過應用有限元方法能夠對大體積混凝土施工過程進行溫度應力仿真分析，根據仿真分析結果制定有針對性的防裂技術措施，對港珠澳大橋西人工島暗埋段大體積混凝土結構取得了較好的控裂效果，對提高工程質量有重要意義。