大型地震工程模擬研究設施混凝土配制*

于海申，周志健，黃志昕，李富強，于長江

(中國建筑第八工程局有限公司華北分公司，天津 300350)

0 引言

為使地震模擬研究試驗獲得的數(shù)據(jù)能更真實反映地震破壞機理，模擬足尺試驗尤為重要，該試驗需要足夠大的反力支撐，因此地震模擬研究設施基礎常為可承擔大載重的鋼筋混凝土結構，結構規(guī)格尺寸超大，屬典型大體積混凝土。由于工藝要求，該混凝土結構在承受高頻強震荷載作用下不得出現(xiàn)裂縫，因此配制低收縮高性能大體積混凝土是重大難題。

1 工程概況

大型地震模擬研究設施國家重大科技基礎設施項目位于天津大學北洋園校區(qū)內，占地面積10萬m2， 建筑面積7.6萬m2，工程建成后將成為全球規(guī)模最大、功能最全、裝備最先進的地震模擬研究設施科研中心，包括實驗中心和仿真中心，如圖1所示。

實驗中心分為大型振動臺和水下振動臺，地下室為鋼筋混凝土框架結構。其中大型振動臺設備基礎結構平面尺寸為57.5m×49m，混凝土在高度方向累計最大厚度17.5m，混凝土共約4.4萬m3,如圖2～4所示。

圖2 大型振動臺BIM效果

圖3 大型振動臺核心區(qū)平面(單位：m)

圖4 大型振動臺核心區(qū)(單位：m)

2 大體積混凝土開裂風險分析

混凝土是由多種材料組成的非勻質性混合料，硬化過程中的含水量變化、溫度變化都會引起不均勻體積變形。混凝土硬化過程中的體積變形分為硬化前的塑性收縮與凝結過程中因水化熱形成溫升引起的體積形變。水泥水化過程伴隨溫度和濕度共同變化，并且熱交換與濕度交換同時發(fā)生，所以由溫度作用引起的溫度變形和由濕度作用引起的濕度收縮變形同時發(fā)生，兩者共同作用。大體積混凝土結構厚實、混凝土量大、工程條件復雜、施工技術要求高、水泥水化熱較大，易使結構物因溫度變形產生裂縫。

該大型振動臺臺面尺寸為20m×16m，臺面載重1 350t，三向6自由度，水平雙向滿載峰值加速度均為±15m/s2，豎向滿載峰值加速度為±20m/s2。因地震模擬研究試驗的特殊性，超過9度設防加速度的抗震試驗頻次為5～8次/年，在高頻強震荷載作用下混凝土裂縫控制更加困難。

3 高性能低收縮大體積混凝土配制

因大體積混凝土在高頻強震荷載作用下存在開裂風險，故進行有限元模擬分析，并優(yōu)選膨脹劑攪拌站進行試配，利用實試驗室試驗、早期足尺試驗、全方位監(jiān)測等措施，保證大體積混凝土良好實施。

3.1 確定絕熱溫升和入模溫度

將混凝土90d強度作為配合比設計、強度評定及工程驗收依據(jù)。對大體積混凝土進行有限元模擬分析，通過控制混凝土性能，使?jié)仓^程中混凝土內部最高溫度<70℃、開裂風險<1。

1)溫度選取 模型澆筑時間在6—12月，澆筑全周期內月均氣溫最高為7月，日均最高為33℃，最低為26℃，空氣相對濕度約為74%，風速6m/s，為大體積混凝土施工最不利溫度條件。天津市每月日均最高/最低氣溫如圖5所示。

圖5 天津市每月日均最高/最低氣溫

2)計算流程 通過水化模型、傳熱模型耦合計算水化度場和溫度場，利用水化度場計算混凝土力學性能、收縮、徐變相關性能的演變，與溫度場通過力學模型計算應變和應力場，如圖6所示。

圖6 計算流程

根據(jù)絕熱溫升試驗數(shù)據(jù)擬合水化放熱公式中的參數(shù)，金河畔、西部建設、金隅混凝土攪拌站的水化模型擬合結果如圖7所示。

圖7 水化模型擬合結果

3)大型振動臺4次澆筑混凝土內部的最高溫度均<70℃，符合最高溫度相關要求。

施工過程中，絕大部分大體積混凝土最大主應力與抗拉強度平均值的比<1，極小部分開裂風險較大區(qū)域集中在第1次澆筑倉位角落部位，總體開裂風險可控。

4)根據(jù)模擬分析結果，確定混凝土配合比設計和現(xiàn)場控制重要參數(shù)。絕熱溫升控制在35℃內，高溫條件下入模溫度控制在30℃內。

3.2 低收縮混凝土配制與研發(fā)

3.2.1膨脹劑選擇

1)硫鋁酸鈣類膨脹劑(UEA) 傳統(tǒng)膨脹劑主要通過組分中的C3A、二水石膏與水反應生成含32個結晶水的硫鋁酸鈣，硫鋁酸鈣反應時間較快，對濕度要求高，主要為鈣礬石吸水膨脹。

2)氧化鈣類膨脹劑 該膨脹劑水化生成Ca(OH)2， 反應較快，尤其是溫度>30℃時，常在2d內完成反應，適用于補償早期收縮、早期膨脹率大的環(huán)境情況，能適當在鋼筋混凝土中建立預壓應力，提高混凝土抗裂效果。

3)輕燒氧化鎂類膨脹劑 是由菱鎂礦經過適當溫度的煅燒、粉磨而成的混凝土添加劑，可使混凝土具備一定長齡期持續(xù)膨脹的特性，即延遲膨脹性。

氧化鎂類混凝土的膨脹性能可根據(jù)混凝土不同收縮類型設計產品，控制氧化鎂的反應速率和膨脹性能，可實現(xiàn)混凝土全生命周期的收縮補償，而傳統(tǒng)硫鋁酸鈣膨脹劑反應速率快、早期膨脹大，可補償早期(1～3d)混凝土塑性及沉降收縮，結合兩種膨脹劑的特點及施工結構特點，確定以氧化鎂為主要膨脹源，同時適量復配硫鋁酸鈣復合型膨脹劑組成的抗裂劑作為主要低收縮材料。

3.2.2膨脹劑配合比確定

配合比調整原則是調整氧化鎂中反應較快的鈣質材料與反應較慢的鎂質材料比例，從而達到混凝土28d限制膨脹率的要求。根據(jù)T/CECS 540—2018《混凝土用氧化鎂膨脹劑應用技術規(guī)程》、JGJ/T 178—2009《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》及其他類似工程應用經驗，結合施工環(huán)境、結構尺寸、結構部位、設計要求、技術難點、開裂風險等，根據(jù)月份及環(huán)境溫度分析氧化鎂產品配合比，確定氧化鎂∶硫鋁酸鈣為6∶4。溫度對應配合比如表1所示。

表1 溫度對應配合比數(shù)據(jù)

鈣鎂復合膨脹劑摻量(內摻法)為膠凝材料總量的8%，可滿足設計混凝土限制膨脹率要求，因此確定摻量為25kg/m3。

3.2.3混凝土試配

1)與天津金隅、中建西部、金河畔混凝土攪拌站，蘇博特、武漢三源膨脹劑廠家確定2組配合比方案，如表2所示。

表2 配合比方案

2)根據(jù)以上配合比，開展試配試驗。

3.2.4絕熱溫升分析

綜合分析試配強度及工作性能確定試驗配合比。委托江蘇省建筑科學研究院實施絕熱溫升試驗，按照初始絕熱溫升≤35℃的要求，測試如下：①天津金隅基準絕熱溫升值為37.44℃，摻鈣鎂復合膨脹劑絕熱溫升值為35.74℃，如圖8a所示；②中建西部基準絕熱溫升值為35.19℃，摻鈣鎂復合膨脹劑絕熱溫升值為34.74℃，如圖8b所示；③金河畔基準絕熱溫升值為36.93℃，摻鈣鎂復合膨脹劑絕熱溫升值為36.71℃，如圖8c所示。

圖8 絕熱溫升曲線

3.2.5自收縮分析

委托天津市貳拾壹站對2組配合比進行收縮率檢驗。基準配合比28d自收縮數(shù)值為282.3×10-6με； 摻鈣鎂復合膨脹劑28d自收縮數(shù)值為166×10-6με。 摻加鈣鎂復合膨脹劑比基準配合比的自收縮數(shù)值相差116.3×10-6με，由此可見，膨脹劑補償效果明顯。

3.3 實體對比試驗確定補償收縮量

1)大體積混凝土收縮變形測試及分析 監(jiān)測摻入不同廠家鈣鎂復合膨脹劑的混凝土，在密封、恒溫條件下的自收縮變形量，監(jiān)測周期1個月，獲得不同廠家鈣鎂復合膨脹劑的膨脹性能，以確定混凝土補償收縮量。

制作PVC圓桶，提前密封圓桶底部，將新拌合混凝土澆筑在光滑的PVC圓桶內，混凝土終凝后用石蠟密封，隔絕空氣保證濕度恒定，使混凝土在PVC桶內無側面約束，可沿豎向自由變形，用千分表檢測變形情況。

試驗期間不間斷監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)，繪制曲線圖，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)推算，高度為450mm的累積變化最大值為100～113.5με，因此確定摻加膨脹劑可減少混凝土收縮變形。

2)大體積混凝土綜合性能測試試驗 現(xiàn)場按不同配合比、不同外加劑制作3個1.5m×1.5m×1.5m的大體積混凝土試驗柱進行對比試驗。澆筑前預埋溫度計、應變計，監(jiān)測溫升、變形、強度、開裂等參數(shù)。溫度計、應變計預埋點位如圖9所示。

圖9 溫度計應變計預埋點位(單位：m)

經過28d監(jiān)測3組大體積混凝土試驗柱的溫升及應變，結果如下：①溫度 在第2～3d達到最高溫度38℃，第4天開始降溫，3組試驗溫升變化不明顯；②應變 摻加鈣鎂復合膨脹劑的2組試驗柱比基準試驗柱相差100～150με，膨脹作用明顯。溫度及應變監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 溫度及應變監(jiān)測數(shù)據(jù)

理論分析混凝土收縮變形值為100～150με，450mm高短柱自收縮試驗變形值為100～113.5με，1.5m×1.5m×1.5m混凝土柱試驗變形值為100～150με。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)推算，1.5m×1.5m×1.5m大體積混凝土試驗柱變形差值在100～150με。試驗證明，摻加膨脹劑的膨脹作用明顯。

通過有限元模擬分析收縮應變、現(xiàn)場試驗對比分析膨脹劑的補償數(shù)值，結果顯示摻加25kg/m3鈣鎂復合膨脹劑可充分在混凝土變形全周期內收縮補償，低收縮混凝土配制科學可行。

3.4 實施階段各項關鍵控制措施

現(xiàn)場嚴格控制絕熱溫升和入模溫度，即絕熱溫升控制在35℃內，總體控制入模溫度≤30℃(大氣平均氣溫≥5℃)，冬期入模溫度≥8℃(大氣平均氣溫<5℃)，夏季高溫天氣控制入模溫度≤30℃，難度更大，對此采取以下溫控措施。

3.4.1控制出機溫度

施工期間跨越夏季，室外溫度高達40℃，對攪拌站內的石子、砂、粉煤灰、水泥等原材料分別進行溫控，并在拌合時采取投放冰屑、干冰等降溫措施，確保高溫天氣下大體積混凝土出機溫度≤25℃。

3.4.2控制入模溫度

將混凝土運輸罐車包裹隔熱棉被，有效減少大氣熱量傳遞給混凝土，并在每車混凝土罐車出站前，對罐體噴灑20℃以下的冷水進行再次降溫，使罐車在運輸過程中蒸發(fā)散熱，進一步抑制溫度升高。

混凝土澆筑泵管按一用一備的原則布設，2條泵管線路均包裹反射膜，減少泵管受陽光直射導致混凝土溫度升高。經過現(xiàn)場實測對比，包裹反射膜后泵管內的混凝土溫度比未使用隔熱膜時約低1.5℃，證明反射膜能抑制混凝土泵送時溫度升高，進一步控制入模溫度。

3.4.3養(yǎng)護方法

在澆筑混凝土后的前3天采取蓄水養(yǎng)護，即終凝后，在混凝土構件表面注入40mm深的水，對混凝土構件進行水中養(yǎng)護。3d后進行灑水+薄膜養(yǎng)護，使混凝土持續(xù)保濕。

為避免養(yǎng)護水溫度低，澆灑時與混凝土表面溫差大，養(yǎng)護易造成冷激效應引起表層混凝土開裂，故設置大體積混凝土養(yǎng)護專用水箱，提前儲水至環(huán)境溫度后作為養(yǎng)護水使用。

3.4.4大體積混凝土智能測溫技術

1)測溫點策劃 為更準確得到現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)手動測溫+智能無線測溫方式，結合結構特點及研究需要，進行測溫點策劃，形成測溫點位圖，以指導現(xiàn)場測溫點精準埋設(見圖11)。

圖11 測溫點位布置

2)進行現(xiàn)場測溫點位預埋及檢查。

3)混凝土澆筑后測溫情況 混凝土澆筑后及時監(jiān)測溫度，對比分析溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫度監(jiān)測情況調整養(yǎng)護措施。

根據(jù)混凝土澆筑測溫情況，選取有代表性的點位，形成溫度曲線(見圖12)。每層澆筑混凝土中心處溫度最高，為68℃(<70℃)，說明混凝土配合比設計和入模溫度控制等措施有效。

圖12 測溫曲線

3.5 實施效果

大型振動臺大體積混凝土自2020年6月7日開始第1次澆筑，2020年12月27日完成最后澆筑。90d后，混凝土密實且表觀質量較好，無有害裂縫產生(見圖13)。

圖13 大體積混凝土結構澆筑完成

4 結語

針對大型地震工程模擬研究設施項目大體積混凝土裂縫控制難題，系統(tǒng)研究原材料性能，優(yōu)化配合比，通過按90d強度評定作為驗收依據(jù)，配置了低收縮、低放熱、低水泥用量、高工作性能的混凝土。并結合有限元模擬分析開裂風險，確定關鍵控溫指標，正式實施時對溫升、應變、環(huán)境溫度等各項指標全過程監(jiān)測，實施完成后達到預期效果。