王 進(jìn)，于海申，周志健，姚文山，魏 鵬

(1.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200135；2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司華北分公司，天津 300350)

1 工程概況

國(guó)家大型地震工程模擬研究設(shè)施項(xiàng)目占地10萬(wàn) m2，建筑面積7.6萬(wàn)m2，包括仿真中心和實(shí)驗(yàn)中心。實(shí)驗(yàn)中心包括大型振動(dòng)臺(tái)和水下振動(dòng)臺(tái)，地下3層，地上1層，局部2層，地下為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地上為鋼結(jié)構(gòu)，最大高度36.9m，最大單體跨度78m，基坑最大深度18.4m。水下振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)區(qū)大體積混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)91.5m、寬59.6m，厚5m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，抗?jié)B等級(jí)為P8(見(jiàn)圖1)。

圖1 水下振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)區(qū)域至首層區(qū)域模型

采用側(cè)面單層膠合木模板帶模養(yǎng)護(hù)14d，頂面覆蓋雙層養(yǎng)護(hù)膜后覆蓋土工布。假定在日均氣溫最高的7月進(jìn)行澆筑，日均最高/最低氣溫為26℃/33℃，空氣相對(duì)濕度約74%，風(fēng)速6m/s。

2 原材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料設(shè)計(jì)概況

采用P·O 42.5水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28.9%，3，28d立方體抗壓強(qiáng)度分別為28.8，53.0MPa，初凝和終凝時(shí)間分別為214，291min。采用I級(jí)粉煤灰，細(xì)度7.9%，燒失量2.6%，需水量比90%。礦渣微粉為S95級(jí)，活性98%，比表面積420m2/kg，流動(dòng)度比為105%。粗集料采用5～25mm連續(xù)級(jí)配石灰石，針片狀含量4%，含泥量1.1%，壓碎值7%。細(xì)集料采用河砂，中砂、細(xì)度模數(shù)為2.6，含泥量1.9%。采用高性能聚羧酸減水劑，固含量為11%，減水率27%，凈漿流動(dòng)度248mm。計(jì)算區(qū)域使用C30P8的混凝土，配合比為：水泥∶礦粉∶粉煤灰∶砂∶石∶水∶減水劑摻量分別為17∶50∶120∶798∶1 070∶160∶7。

2.2 水化熱試驗(yàn)

膠凝材料水化放熱量和水化放熱速率是預(yù)測(cè)混凝土早期變形的重要數(shù)據(jù)，通過(guò)恒溫測(cè)量?jī)xTAM AIR進(jìn)行，測(cè)量精度為±20μW。膠凝材料稱重后為11.1g，在20℃環(huán)境下，與經(jīng)反滲透的純水中進(jìn)行攪拌，然后放入安瓿瓶中進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)量試樣水化過(guò)程放熱時(shí)的熱流，并根據(jù)參比樣測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，得到試樣水化放熱速率隨時(shí)間變化規(guī)律。

3 混凝土早期變形開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

通過(guò)水化模型和傳熱模型耦合計(jì)算水化度場(chǎng)與溫度場(chǎng)，利用水化度場(chǎng)計(jì)算混凝土力學(xué)性能、收縮、徐變相關(guān)性能的演變，并和溫度場(chǎng)通過(guò)力學(xué)模型計(jì)算得到應(yīng)變與應(yīng)力場(chǎng)。

本次計(jì)算使用水化度描述膠凝材料水化程度[1]，定義如下：

(1)

式中：Q為水化放熱；Qpot為完全水化反應(yīng)熱。水化速率采用Cervera的Affinity law模型[2]：

(2)

式中：α為水化度；η為擬合參數(shù)；αmax為材料達(dá)到的最大水化度，用Shindler等提出的公式進(jìn)行計(jì)算[3]：

(3)

假設(shè)混凝土中為固相傳熱，內(nèi)部?jī)H為熱傳導(dǎo)，遵循傅里葉定律，如下式：

(4)

式中：λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·K-1)；Cp為比熱容(J·g-1·K-1)；Q為水化熱(W·m-3·K-1)；ρ為混凝土密度(kg·m-3)；T為溫度(K)；T為溫度梯度(K·m-1)。

混凝土應(yīng)變分解如下[5]：

ε=ε0+εbc+εds+εau+εT

(5)

式中：ε0為彈性應(yīng)變；εbc為基本徐變應(yīng)變；εds為干燥(收縮)應(yīng)變；εau為自收縮應(yīng)變；εT為溫度應(yīng)變。

其中，溫度應(yīng)變?nèi)缦拢?/p>

εT=αT(T-Tref)

(6)

式中：αT為混凝土線膨脹系數(shù)，取10-5/K；Tref為參照溫度(K)。

干燥收縮和自收縮應(yīng)變采用Bazant B4模型中的方法進(jìn)行計(jì)算[6]，徐變采用Schutter的廣義Kelvin流變模型進(jìn)行計(jì)算[7]。

假設(shè)Kelvin單元中的彈性模量E1和黏度η1與水化度相關(guān)?；炷翉椥阅Ａ康刃阅堞啡缦耓8]：

(7)

式中：Ψ28為性能發(fā)展的最終值，不同性能Ψ的取值不同，抗壓強(qiáng)度時(shí)Ψ取值為1，彈性模量和抗拉強(qiáng)度時(shí)Ψ取值0.67。

采用四面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算幾何進(jìn)行劃分，最小單元尺寸為100mm，最大單元尺寸為5 500mm，3次澆筑網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 3次澆筑網(wǎng)格劃分

傳熱計(jì)算中采用熱流邊界，垂直于邊界方向通過(guò)的熱流qcon計(jì)算如下：

qcon=Hi(Text-T)

(8)

式中：Hi為不同環(huán)境傳熱邊界的等效換熱系數(shù)。根據(jù)澆筑時(shí)間，環(huán)境溫度設(shè)日均最高/最低氣溫依正弦函數(shù)Text=27+5sin[2π(x-0.25[d])]變化，如圖3所示。

圖3 環(huán)境氣溫變化

力學(xué)邊界中土層底部為固接，側(cè)面在水平方向無(wú)位移，另外在底部支撐處限制高度方向無(wú)位移，其余邊界為自由邊界，地基和混凝土接觸邊界連續(xù)，如圖4所示。

圖4 位移邊界條件

3.2 模型參數(shù)

根據(jù)水化熱試驗(yàn)結(jié)果對(duì)式(2)中的參數(shù)進(jìn)行擬合，與絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果比較如圖5所示。

圖5 水化模型擬合結(jié)果

根據(jù)試配試驗(yàn)結(jié)果，28d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為36.6MPa，90d抗壓強(qiáng)度為39.6MPa，28d彈性模量計(jì)算如下：

(9)

fctm=0.3(fck)2/3

(10)

式中：fck是28d抗壓強(qiáng)度特征值。計(jì)算所用參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算所用參數(shù)

3.3 結(jié)果與討論

為評(píng)價(jià)大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為第一主應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度平均值時(shí)，混凝土將產(chǎn)生裂縫，所以通過(guò)第一主應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度平均值的比值σ1/fctm， 即開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)云圖反映大體積混凝土整體開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間的變化。

通過(guò)第1次澆筑第3,7,14,28d的第一主應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度平均值比值σ1/fctm分布圖,可以看出，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較大區(qū)域集中在表層和底層。

大體積混凝土早齡期因水化放熱和混凝土傳熱過(guò)程導(dǎo)致的里表溫差，使表層混凝土受內(nèi)部混凝土約束產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。溫度梯度是此類開(kāi)裂的重要控制指標(biāo)，因此，通過(guò)溫度控制，尤其是表里溫度梯度可有效避免開(kāi)裂發(fā)生。選取結(jié)構(gòu)平面中心豎直方向，分析開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)與溫度梯度間的關(guān)系(見(jiàn)圖6)。澆筑后3～28d內(nèi)溫度沿?cái)?shù)值方向變化曲線如圖7所示?？梢钥闯觯砻鏈囟入S時(shí)間推移而降低，溫度梯度由46℃降至26℃，中心溫度由68℃降至55℃，表里溫差由24℃增至29℃。為確定溫度梯度控制指標(biāo)，可考察開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)與溫度梯度的相關(guān)性，并將開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)為0.7時(shí)的溫度梯度作為控制指標(biāo)，選取澆筑14d后結(jié)構(gòu)平面中心點(diǎn)沿豎直方向溫度梯度與開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)變化進(jìn)行研究(見(jiàn)圖8)?？梢钥闯?，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)與溫度梯度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)0.7對(duì)應(yīng)的溫度梯度約為20K/m，所以將其作為溫控指標(biāo)，溫差過(guò)大時(shí)應(yīng)及時(shí)加蓋保溫層。

圖6 平面中心處沿豎直方向選取點(diǎn)

圖7 平面中心處沿豎直方向溫度分布

圖8 溫度梯度和開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)變化

此外，除最大第一主應(yīng)力外，還應(yīng)注意混凝土最高溫度，若>70℃，則有可能延遲鈣礬石反應(yīng)導(dǎo)致混凝土脹裂，通?；炷翝仓?～3d后的溫度達(dá)最大值，此時(shí)澆筑塊內(nèi)部第一主應(yīng)力將達(dá)早期最高值，因此應(yīng)著重觀察每次澆筑3d后溫度與第一主應(yīng)力分布云圖。第1次澆筑3d后，溫度云圖中,內(nèi)部最高溫度為68.2℃，未達(dá)70℃。

4 溫度控制措施及效果

使用數(shù)顯插入式電阻測(cè)溫儀測(cè)量混凝土入泵和入模溫度，測(cè)量范圍為-30～50℃，誤差±0.2℃，顯示精度0.1℃，嚴(yán)控入模溫度≤30℃。

使用礦物摻合料優(yōu)化混凝土膠凝材料組分，降低水化速率和總水化熱。優(yōu)化后7d的放熱速率和累計(jì)放熱量如圖9所示?？梢钥闯?，不僅水化放熱最高速率降低50%，且放熱峰更平緩，降低溫度梯度。此外，第3天與第7天累計(jì)放熱分別降低32%，24%，降低大體積混凝土的絕熱溫升，避免因延遲鈣礬石反應(yīng)引起的開(kāi)裂。

圖9 水化放熱速率和累計(jì)放熱量

澆筑期間正處夏季，太陽(yáng)輻照強(qiáng)烈，泵送時(shí)泵管溫度>50℃，不僅影響混凝土入模溫度，還可能因漿體在高溫下快速硬化，造成泵管內(nèi)壁粗糙，影響系統(tǒng)整體泵送性能。為此，采取泵管外包熱反射材料的做法，降低泵管溫度，進(jìn)一步保證澆筑時(shí)的入模溫度，確保<30℃。

為驗(yàn)證溫控措施效果，依據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)整混凝土保溫層，將大體積混凝土沿豎直方向埋設(shè)溫度傳感器監(jiān)控溫度，布置點(diǎn)平面如圖10所示。

圖10 測(cè)溫點(diǎn)平面布置

沿高度方向布置傳感器，如圖11所示，1～4號(hào)傳感器間隔800mm，4～8號(hào)傳感器間隔600mm，溫度均沒(méi)有超過(guò)70℃，滿足避免延遲鈣礬石發(fā)生的溫度限值。表層因?qū)α髯饔门c環(huán)境換熱效果較底層更明顯，7，8號(hào)測(cè)點(diǎn)降溫速率明顯高于1，2號(hào)測(cè)點(diǎn)。

圖11 沿高度方向溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

因?yàn)闇囟忍荻仍诳拷攲雍偷讓犹幾畲?，所以觀察測(cè)點(diǎn)1，2與測(cè)點(diǎn)8，7間的平均溫度梯度，如圖12所示，并以此作為溫度控制的數(shù)據(jù)依據(jù)?？梢钥闯?，澆筑和養(yǎng)護(hù)過(guò)程將平均溫度梯度控制在20K/m內(nèi)。

圖12 底層和表層平均溫度梯度

對(duì)大體積混凝土頂部、中部和底部進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)，如圖13所示，中部收縮最大，但仍<150μm，表明大體積混凝土收縮得到良好控制。

圖13 沿高度方向應(yīng)變值

5 結(jié)語(yǔ)

1)依據(jù)多物理場(chǎng)耦合計(jì)算評(píng)估開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，得出以溫度梯度20K/m作為溫度控制的主要目標(biāo)。

2)通過(guò)控制入模溫度、優(yōu)化膠凝材料組分、泵管包裹熱反射材料等方式達(dá)到溫控目標(biāo)。

3)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果表明最高溫度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。以表層600mm、底層800mm間距的測(cè)量結(jié)果計(jì)算平均溫度應(yīng)變，此結(jié)果均小于20K/m，符合溫控要求。

4)應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果表明收縮率均小于150μm，表層和底層28d收縮率僅為50μm，減縮效果明顯。