早齡期表面實(shí)時(shí)防裂模型在水閘工程中的驗(yàn)證

強(qiáng)　晟　楊　銳　婁二召　周水兵　侯光普

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京　210098)

?

早齡期表面實(shí)時(shí)防裂模型在水閘工程中的驗(yàn)證

強(qiáng)晟楊銳婁二召周水兵侯光普

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 南京210098)

摘要：為了防止大體積混凝土早齡期產(chǎn)生表面裂縫，本文根據(jù)表面溫度梯度的特性取表面0.05～0.50 m范圍內(nèi)的混凝土為對(duì)象，采用表面防裂安全系數(shù)與齡期及表面溫度梯度的關(guān)系為計(jì)算模型，嘗試實(shí)時(shí)定量地監(jiān)測(cè)混凝土早齡期表面的應(yīng)力安全狀態(tài)．在江蘇某水閘工程大體積混凝土的施工過程中進(jìn)行了原型測(cè)試，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量的早齡期混凝土倉(cāng)面和側(cè)面的溫度梯度，計(jì)算了表面安全系數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂縫的產(chǎn)生．結(jié)果表明，所提模型能夠較好地反映早齡期混凝土表面防裂安全狀態(tài)，可供類似工程參考．

關(guān)鍵詞：混凝土；早齡期；表面溫度梯度；防裂系數(shù)；驗(yàn)證

實(shí)踐證明，如果沒有相關(guān)溫控措施，施工期混凝土結(jié)構(gòu)特別是閘墩混凝土結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)各種形式的表面或深層裂縫．這是工程建設(shè)管理者、設(shè)計(jì)和施工人員特別關(guān)心的問題，也是科研人員面臨的嚴(yán)峻問題．在混凝土早齡期溫升期間，表面混凝土溫升幅度遠(yuǎn)小于內(nèi)部混凝土，存在一定的內(nèi)外溫差．此時(shí)雖然結(jié)構(gòu)內(nèi)外混凝土都是膨脹變形，但是相對(duì)于外部混凝土來講，內(nèi)部混凝土膨脹得更快，從而形成自身內(nèi)外變形約束，導(dǎo)致表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)部出現(xiàn)壓應(yīng)力．由于早期混凝土彈性模量小，抗拉強(qiáng)度也很小，且可靠性差，安全度低，很容易產(chǎn)生表面裂縫[1-3]．為了防止溫度裂縫的產(chǎn)生，保證結(jié)構(gòu)的整體性、安全性和耐久性，必須進(jìn)行溫度和溫度應(yīng)力的控制[4-6]．其中內(nèi)外溫差是導(dǎo)致表面裂縫的最主要原因，然而作為一個(gè)重要溫控指標(biāo)，在目前規(guī)范和權(quán)威文獻(xiàn)中，混凝土內(nèi)外溫差的定義和使用標(biāo)準(zhǔn)并不明確[7-8]．這會(huì)導(dǎo)致針對(duì)同一研究對(duì)象，不同研究人員提出不同的內(nèi)外溫差標(biāo)準(zhǔn)，給應(yīng)用者使用上帶來困惑．為此，本文引入混凝土表面防裂安全系數(shù)，通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出表面防裂安全系數(shù)與齡期及表面溫度梯度的關(guān)系．根據(jù)某水閘大體積混凝土塊的施工期實(shí)測(cè)表面溫度梯度，利用上述公式計(jì)算表面防裂安全系數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相應(yīng)混凝土塊表面是否產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而驗(yàn)證該公式的合理性和可靠性，以期為大體積混凝土塊的施工提供合理的混凝土溫度空間梯度控制指標(biāo)，并為表面防裂措施的調(diào)整提供即時(shí)參考指標(biāo)[9-12]．

1模型建立

選取地基長(zhǎng)、寬、高分別為40 m、20 m、20 m的長(zhǎng)方形混凝土澆筑塊，將距離表面0.05～0.50 m范圍內(nèi)的表層混凝土作為研究對(duì)象[13]，圖1為有限元的計(jì)算模型，為盡可能地提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將最外層0.05 m網(wǎng)格寬度設(shè)為0.01 m，0.05～0.5 m網(wǎng)格寬取為0.05 m．共設(shè)置了27種工況，分別考慮了環(huán)境氣溫、晝夜溫差、水管冷卻、表面保溫、材料差異等因素的影響[13]，部分工況的材料參數(shù)見表1．

圖1　有限元計(jì)算模型

絕熱溫升/℃θ0 a b彈性模量/GPaE0 a b抗拉強(qiáng)度/MPaft a b200.51.0350.750.53.250.750.5θ(τ)=T0×(1-e-aτb)E(τ)=E0×(1-e-aτb)ft(τ)=f0×(1-e-aτb)

在27種工況的計(jì)算結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)不同條件下的數(shù)值算例中表層溫度梯度?T/?l(單位℃/m)與安全系數(shù)K的變化存在一定的規(guī)律，可以采用數(shù)學(xué)函數(shù)來表示兩者的關(guān)系．故提出一個(gè)以齡期τ(單位d)和溫度梯度為變量的表面防裂安全系數(shù)計(jì)算模型[13]，即式(1)，部分工況的擬合結(jié)果如圖2所示．

圖2　數(shù)學(xué)模型與有限元解的擬合曲線圖

(1)

其中

η=(1-e-atτbt)ft/(1-e-aeτbe)E

(2)

式中，(1-e-atτbt)ft和(1-e-aeτbe)E分別代表混凝土軸向抗拉強(qiáng)度和彈性模量的發(fā)展速度，a、b是軸向抗拉強(qiáng)度和彈性模量的復(fù)合指數(shù)公式中的參數(shù)，圖2中α=1.15是校正系數(shù)，已經(jīng)包含在系數(shù)18.093中．

2公式驗(yàn)證

該表面防裂安全系數(shù)計(jì)算模型提出后，只與有限元解進(jìn)行了對(duì)比，其實(shí)用性有待實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用和驗(yàn)證，故本文結(jié)合江蘇省某水閘工程的大體積混凝土施工，擬驗(yàn)證該實(shí)時(shí)計(jì)算模型．

2.1基本資料

該水閘工程級(jí)別為Ⅱ等，主要建筑物設(shè)計(jì)等級(jí)為2級(jí)．閘為實(shí)體結(jié)構(gòu)，兩側(cè)邊墩采用空箱結(jié)構(gòu)，單孔凈寬30 m．底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)30 m，閘室底板頂面高程5.5 m，交通橋面中心高程14.7 m，寬25 m．地基為軟土樁基，約束較小．閘門采用1扇底軸式翻板閘門，相應(yīng)配置1套2×3 200 kN的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)．半個(gè)結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3所示．整個(gè)澆筑施工過程主要分為6部分，即底板兩側(cè)，底板中間塊，兩側(cè)閘墩，后澆帶，其中閘墩采用吊空模板技術(shù)．

圖3　半個(gè)結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖4　底板側(cè)面測(cè)點(diǎn)A1、B1位置示意圖

圖5　底板倉(cāng)面測(cè)點(diǎn)A2、B2位置示意圖

圖6　墩墻測(cè)點(diǎn)A3～A5、B3～B5位置示意圖

采用與試驗(yàn)資料符合較好的復(fù)指數(shù)公式對(duì)混凝土的力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)值進(jìn)行擬合，混凝土具體擬合公式如下：

C25混凝土彈性模量(GPa)：

C25混凝土抗拉強(qiáng)度計(jì)算式(MPa)：

2.2驗(yàn)證結(jié)果及分析

溫度梯度的獲取是通過兩個(gè)位置溫度之差除以距離，為此，需要布置若干溫度探頭，具體布置如下所述，在右側(cè)底板側(cè)面(此處記為第1塊)布置兩個(gè)探頭，距離側(cè)面分別是3 cm和50 cm，記為A1、B1；在中

間底板塊(靠近上游區(qū)域記為第2塊)布置兩個(gè)探頭，距離倉(cāng)面分別是5 cm和50 cm，記為A2、B2；在右側(cè)1.2 m厚閘墩處(記為第3塊)布置兩個(gè)探頭，距離側(cè)面分別是3 cm和30 cm，記為A3、B3；在0.8 m厚邊墩(記為第4塊)布置兩個(gè)探頭，距離側(cè)面分別是3 cm和40 cm，記為A4、B4；在左側(cè)0.8 m厚邊墩(記為第5塊)布置兩個(gè)探頭，距離側(cè)面分別是3 cm和40 cm，記為A5、B5．位置示意圖見圖4～6．溫度的獲取通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)溫度的同時(shí)，還要觀察是否有裂縫產(chǎn)生(混凝土側(cè)面有模板，只能拆模后觀察是否產(chǎn)生裂縫)．現(xiàn)場(chǎng)施工中，振搗和早齡期保濕嚴(yán)格按照規(guī)范要求執(zhí)行，可以排除因早齡期塑性收縮和干縮導(dǎo)致的開裂因素．

澆筑塊的尺寸及澆筑時(shí)間見表2，另外，各澆筑塊的環(huán)境溫度及混凝土溫度過程線如圖7～11所示．根據(jù)實(shí)測(cè)澆筑塊隨齡期變化的溫度梯度，采用上文所提的公式計(jì)算出相應(yīng)的安全系數(shù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)澆筑塊倉(cāng)面或側(cè)面裂縫的產(chǎn)生，結(jié)果如表3所示，各澆筑塊的倉(cāng)面或側(cè)面溫度梯度變化規(guī)律和安全系數(shù)變化規(guī)律如圖12～16所示．

表2　澆筑塊信息

表3　原型測(cè)試結(jié)果

圖7　1號(hào)塊環(huán)境溫度及混凝土溫度過程線

圖8　2號(hào)塊環(huán)境溫度及混凝土溫度過程線

圖9　3號(hào)塊環(huán)境溫度及混凝土溫度過程線

圖10　4號(hào)塊環(huán)境溫度及混凝土溫度過程線

圖11　5號(hào)塊環(huán)境溫度及混凝土溫度過程線

圖12　1號(hào)實(shí)驗(yàn)塊的表層溫度梯度和相應(yīng)防裂安全系數(shù)歷時(shí)曲線

圖13　2號(hào)實(shí)驗(yàn)塊的表層溫度梯度和相應(yīng)防裂安全系數(shù)歷時(shí)曲線

圖14　3號(hào)實(shí)驗(yàn)塊的表層溫度梯度和相應(yīng)防裂安全系數(shù)歷時(shí)曲線

圖15　4號(hào)實(shí)驗(yàn)塊的表層溫度梯度和相應(yīng)防裂安全系數(shù)歷時(shí)曲線

圖16　5號(hào)實(shí)驗(yàn)塊的表層溫度梯度和相應(yīng)防裂安全系數(shù)歷時(shí)曲線

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，2號(hào)混凝土塊倉(cāng)面最小安全系數(shù)的時(shí)刻和裂縫發(fā)現(xiàn)的時(shí)刻基本符合，若干條表面裂縫大體分布在倉(cāng)面中心附近，長(zhǎng)度約15 cm，寬度不到0.5 mm，由于是齡期兩天出現(xiàn)的裂縫，初步分析是由于通水冷卻開始的時(shí)間太晚，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度太高，表層溫度梯度過大所致．因?yàn)槭窃趥}(cāng)面出現(xiàn)的淺表層裂縫，裂縫位置遠(yuǎn)離地基，且地基為軟土樁基，約束很小，故裂縫與地基關(guān)系不大．1號(hào)混凝土塊倉(cāng)面的防裂安全系數(shù)在監(jiān)測(cè)的齡期內(nèi)絕大部分大于1，有小于1也是在0.95以上，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過程中沒有在倉(cāng)面發(fā)現(xiàn)裂縫．這說明表面防裂安全系數(shù)反映早齡期混凝土表面的安全狀態(tài)具有較高的可靠性．由于溫控要求，混凝土塊側(cè)面需要在澆筑后的5～6天拆模，因此在拆模前無法實(shí)時(shí)觀察到混凝土塊側(cè)面裂縫的產(chǎn)生，只能在拆模后，觀察在混凝土塊側(cè)面是否產(chǎn)生裂縫．根據(jù)拆模后觀察，3、4、5號(hào)薄壁混凝土塊沒有發(fā)現(xiàn)表面裂縫．

由圖12～16可見，根據(jù)溫度梯度的變化曲線，大致可以把溫度梯度的變化劃分為兩個(gè)階段：第一階段溫度梯度隨齡期的增長(zhǎng)而增加；第二階段溫度梯度隨齡期的增加而減少，由于晝夜溫差及降雨等因素的影響，變化曲線會(huì)產(chǎn)生一些波動(dòng)．同樣，根據(jù)表面防裂安全系數(shù)隨齡期的變化曲線，可以把表面防裂安全系數(shù)的變化劃分為兩個(gè)階段：第一階段表面防裂安全系數(shù)隨齡期急劇下降(其中，3、4、5塊還有一段上升階段，原因是這三塊都是初夏季的上午11點(diǎn)澆筑完成的，在齡期0.5 d階段內(nèi)氣溫上升幅度比水化溫升要略大)；第二階段表面防裂安全系數(shù)隨齡期緩慢地增長(zhǎng)．在第一階段，混凝土澆筑后發(fā)生劇烈的水化反應(yīng)，產(chǎn)生大量水化熱，混凝土內(nèi)部溫度顯著升高，而混凝土表面散熱較快，從而形成較大的內(nèi)外溫差．內(nèi)部溫升幅度大的混凝土膨脹變形受到外部混凝土的約束，在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)外溫差越大，早期表面拉應(yīng)力越大，混凝土表面開裂的風(fēng)險(xiǎn)也越大．在第二階段，溫度梯度逐漸減小，且隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土早齡期抗拉強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，增加了混凝土抵抗開裂的能力．

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，此地區(qū)初夏季晝夜溫差最大達(dá)15℃左右，這給水閘這種薄壁結(jié)構(gòu)大體積混凝土的溫控防裂帶來很大困難，圖12～圖16也表明，在混凝土早齡期木模板保溫有一定積極作用，而5號(hào)塊比3、4號(hào)塊溫度梯度低，是因?yàn)檫@一塊相對(duì)較薄，且其內(nèi)部冷卻水管開始通水時(shí)刻較早，故表面防裂安全系數(shù)相對(duì)較高．

3結(jié)語(yǔ)

1)本文的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，隨著混凝土塊齡期的增加，表層混凝土的溫度梯度先增大后減小．混凝土澆筑后隨著混凝土水化反應(yīng)的進(jìn)行，內(nèi)部溫度不斷上升，而混凝土表面散熱較快，表面溫度梯度也不斷增大．在水化反應(yīng)高峰過后，表面散熱速度開始大于內(nèi)部溫升速度，則表面溫度梯度開始逐漸下降．

2)隨著混凝土塊齡期的增加，混凝土表面的安全系數(shù)先減小然后略有增加．混凝土剛澆筑的時(shí)候，彈性模量還很小，應(yīng)力值非常小，表面安全系數(shù)較大；當(dāng)彈性模量隨著齡期而急劇變化，溫度梯度也逐漸變大，溫度應(yīng)力增加，安全系數(shù)迅速變小；然后，隨著混凝土的發(fā)展成熟，抗拉強(qiáng)度逐漸增加，同時(shí)溫度梯度逐漸減小，表面安全系數(shù)又逐漸增大．

3)混凝土表面裂縫的產(chǎn)生，不僅影響結(jié)構(gòu)外觀美，而且可能形成貫穿性裂縫，影響結(jié)構(gòu)的整體性和安全性，其中溫度梯度過大是導(dǎo)致裂縫的重要因素，因此內(nèi)部通冷卻水，外面加保溫被，可有效降低溫度梯度，進(jìn)而減少裂縫．

4)本文計(jì)算的表面安全系數(shù)較好地反映了早齡期混凝土表面的防裂安全狀態(tài)．在工程施工中，可以采用本文的公式直接獲取實(shí)時(shí)的表面防裂安全系數(shù)，以此作為施工期保溫定性和定量的依據(jù)，便于施工現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)增加或減小保溫材料的厚度，從而可以大大減小早齡期表面出現(xiàn)裂縫的可能性．

5)文中所提到防裂安全系數(shù)計(jì)算公式經(jīng)歷了不同的環(huán)境溫度、晝夜溫差、水管冷卻、表面保溫、材料差異的數(shù)值驗(yàn)證，但實(shí)際工程驗(yàn)證還很少，目前在一個(gè)水閘和一個(gè)泵站中的應(yīng)用效果較好，在泵站中的應(yīng)用情況將另文發(fā)表．對(duì)該模型的適用性作者今后還將在其他工程中繼續(xù)驗(yàn)證．此外，對(duì)于大型重要工程應(yīng)事先通過數(shù)值試驗(yàn)確定公式(1)中的參數(shù)．

參考文獻(xiàn)：

[1]李克江．大體積混凝土溫度裂縫分析與工程應(yīng)用[D]．天津：天津大學(xué)，2009．

[2]黃永剛．大體積混凝土溫度監(jiān)測(cè)與裂縫控制[D]．西安：西安建筑科技大學(xué)，2004．

[3]線登洲，王鐵成．大體積混凝土溫控防裂研究[J]．建筑科學(xué)，2006，22(5)：68-70．

[4]李美利，錢覺時(shí)，徐珊珊，等．養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土表面層性能的影響[J]．建筑材料學(xué)報(bào)，2009,12(6)：724-728．

[5]Huang Dahai, Liu Guangting. Experimental Study on Surface Cracking of Early-age Concrete[J]． Water Science and Engineering, 2002, 10(4): 395-404．

[6]和志發(fā)，陳衛(wèi)國(guó)．大體積混凝土施工中的表面保溫[J]．陜西水利水電，2000，16(1)：53-55．

[7]許樸，朱岳明，賁能慧．倒T型混凝土薄壁結(jié)構(gòu)施工期溫度裂縫控制研究[J]．水利學(xué)報(bào)，2009，40(8)：969-975．

[8]張楊，郭曉娜．水電站廠房下部結(jié)構(gòu)混凝土溫控防裂分析[J]．南水北調(diào)與水利科技，2009，7(3)：101-103，113．

[9]蔣勝祥，朱岳明．碾壓混凝土壩高溫季節(jié)連續(xù)施工的溫控防裂研究[J]．紅水河，2007，26(6)：53-56．

[10] Zhu Zhenyang, Qiang Sheng, Liu Minzhi． Cracking Mechanism for Concrete Bedding Cushion and Prevention Method[J]． Advanced Materials Research, 2011, 163-167: 96-101．

[11] 許軍才，任青文，張勝.渡槽混凝土結(jié)構(gòu)施工期溫控防裂研究[J]．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，34(4)：553-556．

[12] Thhru Kawaguchi, Sunao Nakane. Investigations on Determining Thermal Stress in Massive Concrete Structures[J]． ACI Journal , 1996, 93(1): 96-101．

[13] Qiang Sheng, Liu Minzhi. A New Safety Factor Prediction Model for Mass Concrete Surface Cracking in Early Age[J]． Mathematical Problems in Engineering, 2014, 3: 1-15．

[責(zé)任編輯王康平]

收稿日期：2015-06-23

基金項(xiàng)目：江蘇省淮安市水利院士工作站項(xiàng)目(2014839616)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51109071)

通信作者：強(qiáng)晟(1977-)，男，副教授，主要從事混凝土工程溫控防裂研究．E-mail：sqiang2118@163.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.007

中圖分類號(hào)：TV331

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2016)01-0031-06

Validation of a Real-time Anti-cracking Prediction Model for Surface Concrete in Early Age of a Sluice Engineering

Qiang ShengYang RuiLou ErzhaoZhou ShuibingHou Guangpu

(College of Water Conservancy & Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractIn order to prevent the generation of surface cracks in mass concrete early age, based on the characteristics of the surface temperature gradient, the surface concrete between 0.05 m to 0.50 m depths is taken as the object in this paper. The relationship among the surface crack safety coefficient, the age and the surface temperature gradient is adopted as the calculating model. By this model, the stress state of safety for early concrete surface is tried to be monitored real-time and quantitatively. Prototype test is carried out during a mass concrete construction of a sluice project in Jiangsu province. According to the real-time temperature gradient measurement in the early age concrete level surface and side surface, the surface safety coefficients are calculated; and the cracks are monitored in real time. The results show that the early age concrete surface crack security status can be well reflected by the proposed model, which can be used for reference in the similar projects.

Keywordsconcrete;early age;temperature gradient of surface;anti-cracking coefficient;validation