大體積混凝土結構溫度裂縫控制方法的模擬與試驗

王新雨

(中鐵十八局集團第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

大體積混凝土在現代建筑中起著重要作用,尤其是在筏板基礎、厚墻和大壩等大型結構的施工中[1]。混凝土在水泥水化過程中會產生大量熱量,由于結構的熱耗散率不同,水化熱在結構中產生溫升,會導致大體積混凝土核心與其表面之間的高熱梯度[2-3]。如果結構中的熱應力(即拉應力)超過混凝土不斷發展的抗拉強度,特別是在混凝土早期強度仍在發展時,就會形成熱裂紋,進而影響大體積混凝土結構,尤其是混凝土地下結構的安全性和耐久性。因此,控制混凝土溫度以防止裂縫是大體積混凝土設計和施工的主要目標。為實現這一目標,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,風險很大[4-5]。為了降低溫度梯度,也可在大體積混凝土結構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構內的熱量,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,可能會導致熱震開裂。因此,這種加熱方法通常與預冷技術相結合,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水化熱的新技術,該技術可使大體積混凝土的溫差和峰值最小化。其優點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大體積混凝土熱性能的影響是該技術的2個重要方面。為此本文采用有限元方法進行數值模擬,并對大體積混凝土塊進行了現場試驗。通過與試驗結果的比較,驗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律。

1 建模參數

本研究采用2.5 m×2.5 m×2.5 m的混凝土塊進行試驗,在進行現場試驗之前,先確定試驗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位于地基上,對此進行2次建模分析。

1.1 分析模型幾何圖形和輸入參數

圖1為大體積混凝土塊的模型幾何結構。由于模型及其邊界條件的對稱性,為了減少計算工作量,本文分析了1/4具有相應邊界條件的混凝土塊(見圖2)。用于模型計算的參數值如表1所示。在最初的研究中,環境溫度被設定為27 ℃。假設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構模型

圖2 1/4混凝土塊模型的邊界條件

表1 用于模型計算的參數

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的溫度場,研究粉煤灰對溫度場的影響。1 m3混凝土中砂、碎石、水、膠凝材料的質量分別固定為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,預拌混凝土的設計抗壓強度均為40 MPa。

表2 1 m3混凝土膠凝材料配比 %

圖3為3個試件對應的基礎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 ℃時可能導致延遲鈣礬石生成(Delayed Ettingite Formation,DEF)現象的發生,會導致混凝土損壞。澆筑后50 h,3個試件的基礎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 ℃后出現熱裂縫。由此可知:1)隨著粉煤灰質量的增加,地基中心的峰值溫度和基礎中心與表面之間的溫差均減小;2)試件3不會因熱問題開裂,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 基礎中心和表面溫度隨時間的變化

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)。本次分析的基礎由2層混凝土構成,其中上層產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個試件,如表3所示。

表3 4個試件的厚度 m

圖4為4個試件對應的基礎中心和表面的溫度變化。在澆筑混凝土后50 h,觀察到4個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個試件中最小,上下層劃分為1/4的混凝土產生的熱應力最低,在混凝土強度發展初期不宜超過其抗拉強度,形成熱裂縫。此時,上層混凝土能產生比下層更高的水化熱,表面混凝土向周圍環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,對于2.5 m×2.5 m×2.5 m基礎,試件2的上下層厚度最佳。

圖4 4個試件的基礎中心和表面的溫度變化

1.3.2 混凝土配合比對溫度場的影響

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個試件。分析不同混凝土混合物對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個試件的基礎溫度變化。混凝土澆筑后50 h,再次觀察到3個試件混凝土塊中心的峰值溫度分別為63.6,62.9,62.6 ℃。3個峰值溫度相差不大,是因為3個試件下層的混凝土混合料都相同。3個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,這是因為上層沒有粉煤灰,與試件2、3相比,產生的水化熱最高,有助于減少基礎核心和表面之間的溫差。

圖5 3個試件的基礎中心和表面的溫度變化

綜上可以得出結論,試驗塊應分為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 實驗研究

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境中(即加熱方法)。

溫度傳感器安裝在實驗混凝土塊的預定位置(如圖6所示),以記錄溫度隨時間的分布。

(a)平面上

(b)立面上圖6 實驗區中的熱傳感器位置

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

3 分析模型驗證

在初始建模研究中,使用環境溫度、澆筑溫度和地基溫度的假設值對分析模型進行模擬。為了驗證模型,再次使用實驗期間收集的實際數據進行模型分析。參數值如表5所示。

表5 建模參數值 ℃

圖7為3個測量點的觀測溫度場和模擬溫度的對比結果,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,建模和實驗研究在3個測量點提供的溫度曲線形狀相似,模擬溫度值與實驗值的偏差很小。混凝土塊核心的實驗峰值溫度TS3為73.7 ℃,模擬值為72.3 ℃。測量點TS5的實驗峰值溫度為70.2 ℃,模擬值為69.4℃。混凝土塊表面的實驗峰值溫度為60.0 ℃,模擬值為59.2 ℃。實驗期間觀察到的最大溫差為18.3 ℃,模擬值為17.3 ℃。此外,通過對試塊內其他測點的實驗溫度與模擬溫度的比較,得出了相同的結論,表明仿真結果可靠。

圖7 沿試塊中心軸測量點處模擬和實驗溫度數據的比較

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因熱問題而開裂。這與實驗塊上沒有裂縫的現象是一致的。

4 模型分析與結論

在2.5 m×2.5 m×2.5 m混凝土塊上進行的建模和實驗研究,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。結果表明,上層會比下層產生更多的水化熱,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。這是導致混凝土塊中部和表面溫差大的原因,也是導致大體積混凝土產生熱裂縫的原因。

分析模型的驗證表明,數值模擬提供的分析結果是可靠的。為驗證上述研究結論,進一步在5.0 m×5.0 m×5.0 m的基礎模型上進行建模研究,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。其結論與第1節中討論的結果相似。

此外,對于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 ℃)。研究發現,對于此混凝土塊,上層厚度與下層厚度之比為1/4時為最大限度減小溫差的最佳劃分方案。這個比例也類似于文獻[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,此時對大體積混凝土溫度裂縫的控制效果最佳。