于海申，周志健，黃志昕，李富強(qiáng)，于長(zhǎng)江

(中國(guó)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(yàn)獲得的數(shù)據(jù)能更真實(shí)反映地震破壞機(jī)理，模擬足尺試驗(yàn)尤為重要，該試驗(yàn)需要足夠大的反力支撐，因此地震模擬研究設(shè)施基礎(chǔ)常為可承擔(dān)大載重的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在承受高頻強(qiáng)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(shè)施國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目位于天津大學(xué)北洋園校區(qū)內(nèi)，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(jìn)的地震模擬研究設(shè)施科研中心，包括實(shí)驗(yàn)中心和仿真中心，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)中心分為大型振動(dòng)臺(tái)和水下振動(dòng)臺(tái)，地下室為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。其中大型振動(dòng)臺(tái)設(shè)備基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)平面尺寸為57.5m×49m，混凝土在高度方向累計(jì)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(dòng)臺(tái)BIM效果

圖3 大型振動(dòng)臺(tái)核心區(qū)平面(單位：m)

圖4 大型振動(dòng)臺(tái)核心區(qū)(單位：m)

2 大體積混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)分析

混凝土是由多種材料組成的非勻質(zhì)性混合料，硬化過程中的含水量變化、溫度變化都會(huì)引起不均勻體積變形?；炷劣不^程中的體積變形分為硬化前的塑性收縮與凝結(jié)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(shí)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(shí)發(fā)生，兩者共同作用。大體積混凝土結(jié)構(gòu)厚實(shí)、混凝土量大、工程條件復(fù)雜、施工技術(shù)要求高、水泥水化熱較大，易使結(jié)構(gòu)物因溫度變形產(chǎn)生裂縫。

該大型振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為20m×16m，臺(tái)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(yàn)的特殊性，超過9度設(shè)防加速度的抗震試驗(yàn)頻次為5～8次/年，在高頻強(qiáng)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(qiáng)震荷載作用下存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，故進(jìn)行有限元模擬分析，并優(yōu)選膨脹劑攪拌站進(jìn)行試配，利用實(shí)試驗(yàn)室試驗(yàn)、早期足尺試驗(yàn)、全方位監(jiān)測(cè)等措施，保證大體積混凝土良好實(shí)施。

3.1 確定絕熱溫升和入模溫度

將混凝土90d強(qiáng)度作為配合比設(shè)計(jì)、強(qiáng)度評(píng)定及工程驗(yàn)收依據(jù)。對(duì)大體積混凝土進(jìn)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(nèi)部最高溫度<70℃、開裂風(fēng)險(xiǎn)<1。

1)溫度選取 模型澆筑時(shí)間在6—12月，澆筑全周期內(nèi)月均氣溫最高為7月，日均最高為33℃，最低為26℃，空氣相對(duì)濕度約為74%，風(fēng)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(jì)算流程 通過水化模型、傳熱模型耦合計(jì)算水化度場(chǎng)和溫度場(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，與溫度場(chǎng)通過力學(xué)模型計(jì)算應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)，如圖6所示。

圖6 計(jì)算流程

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

圖7 水化模型擬合結(jié)果

3)大型振動(dòng)臺(tái)4次澆筑混凝土內(nèi)部的最高溫度均<70℃，符合最高溫度相關(guān)要求。

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

4)根據(jù)模擬分析結(jié)果，確定混凝土配合比設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)控制重要參數(shù)。絕熱溫升控制在35℃內(nèi)，高溫條件下入模溫度控制在30℃內(nèi)。

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(yīng)生成含32個(gè)結(jié)晶水的硫鋁酸鈣，硫鋁酸鈣反應(yīng)時(shí)間較快，對(duì)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(yīng)較快，尤其是溫度>30℃時(shí)，常在2d內(nèi)完成反應(yīng)，適用于補(bǔ)償早期收縮、早期膨脹率大的環(huán)境情況，能適當(dāng)在鋼筋混凝土中建立預(yù)壓應(yīng)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(jīng)過適當(dāng)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(zhǎng)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(shè)計(jì)產(chǎn)品，控制氧化鎂的反應(yīng)速率和膨脹性能，可實(shí)現(xiàn)混凝土全生命周期的收縮補(bǔ)償，而傳統(tǒng)硫鋁酸鈣膨脹劑反應(yīng)速率快、早期膨脹大，可補(bǔ)償早期(1～3d)混凝土塑性及沉降收縮，結(jié)合兩種膨脹劑的特點(diǎn)及施工結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定以氧化鎂為主要膨脹源，同時(shí)適量復(fù)配硫鋁酸鈣復(fù)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(diào)整原則是調(diào)整氧化鎂中反應(yīng)較快的鈣質(zhì)材料與反應(yīng)較慢的鎂質(zhì)材料比例，從而達(dá)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(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、JGJ/T 178—2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》及其他類似工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合施工環(huán)境、結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)部位、設(shè)計(jì)要求、技術(shù)難點(diǎn)、開裂風(fēng)險(xiǎn)等，根據(jù)月份及環(huán)境溫度分析氧化鎂產(chǎn)品配合比，確定氧化鎂∶硫鋁酸鈣為6∶4。溫度對(duì)應(yīng)配合比如表1所示。

表1 溫度對(duì)應(yīng)配合比數(shù)據(jù)

鈣鎂復(fù)合膨脹劑摻量(內(nèi)摻法)為膠凝材料總量的8%，可滿足設(shè)計(jì)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(yàn)。

3.2.4絕熱溫升分析

綜合分析試配強(qiáng)度及工作性能確定試驗(yàn)配合比。委托江蘇省建筑科學(xué)研究院實(shí)施絕熱溫升試驗(yàn)，按照初始絕熱溫升≤35℃的要求，測(cè)試如下：①天津金隅基準(zhǔn)絕熱溫升值為37.44℃，摻鈣鎂復(fù)合膨脹劑絕熱溫升值為35.74℃，如圖8a所示；②中建西部基準(zhǔn)絕熱溫升值為35.19℃，摻鈣鎂復(fù)合膨脹劑絕熱溫升值為34.74℃，如圖8b所示；③金河畔基準(zhǔn)絕熱溫升值為36.93℃，摻鈣鎂復(fù)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(duì)2組配合比進(jìn)行收縮率檢驗(yàn)。基準(zhǔn)配合比28d自收縮數(shù)值為282.3×10-6με； 摻鈣鎂復(fù)合膨脹劑28d自收縮數(shù)值為166×10-6με。 摻加鈣鎂復(fù)合膨脹劑比基準(zhǔn)配合比的自收縮數(shù)值相差116.3×10-6με，由此可見，膨脹劑補(bǔ)償效果明顯。

3.3 實(shí)體對(duì)比試驗(yàn)確定補(bǔ)償收縮量

1)大體積混凝土收縮變形測(cè)試及分析 監(jiān)測(cè)摻入不同廠家鈣鎂復(fù)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(cè)周期1個(gè)月，獲得不同廠家鈣鎂復(fù)合膨脹劑的膨脹性能，以確定混凝土補(bǔ)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(nèi)，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(nèi)無側(cè)面約束，可沿豎向自由變形，用千分表檢測(cè)變形情況。

試驗(yàn)期間不間斷監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)，繪制曲線圖，根據(jù)試驗(yàn)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(cè)試試驗(yàn) 現(xiàn)場(chǎng)按不同配合比、不同外加劑制作3個(gè)1.5m×1.5m×1.5m的大體積混凝土試驗(yàn)柱進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。澆筑前預(yù)埋溫度計(jì)、應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)溫升、變形、強(qiáng)度、開裂等參數(shù)。溫度計(jì)、應(yīng)變計(jì)預(yù)埋點(diǎn)位如圖9所示。

圖9 溫度計(jì)應(yīng)變計(jì)預(yù)埋點(diǎn)位(單位：m)

經(jīng)過28d監(jiān)測(cè)3組大體積混凝土試驗(yàn)柱的溫升及應(yīng)變，結(jié)果如下：①溫度 在第2～3d達(dá)到最高溫度38℃，第4天開始降溫，3組試驗(yàn)溫升變化不明顯；②應(yīng)變 摻加鈣鎂復(fù)合膨脹劑的2組試驗(yàn)柱比基準(zhǔn)試驗(yàn)柱相差100～150με，膨脹作用明顯。溫度及應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 溫度及應(yīng)變監(jiān)測(cè)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(yàn)變形值為100～113.5με，1.5m×1.5m×1.5m混凝土柱試驗(yàn)變形值為100～150με。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)推算，1.5m×1.5m×1.5m大體積混凝土試驗(yàn)柱變形差值在100～150με。試驗(yàn)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(yīng)變、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析膨脹劑的補(bǔ)償數(shù)值，結(jié)果顯示摻加25kg/m3鈣鎂復(fù)合膨脹劑可充分在混凝土變形全周期內(nèi)收縮補(bǔ)償，低收縮混凝土配制科學(xué)可行。

3.4 實(shí)施階段各項(xiàng)關(guān)鍵控制措施

現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格控制絕熱溫升和入模溫度，即絕熱溫升控制在35℃內(nèi)，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(duì)此采取以下溫控措施。

3.4.1控制出機(jī)溫度

施工期間跨越夏季，室外溫度高達(dá)40℃，對(duì)攪拌站內(nèi)的石子、砂、粉煤灰、水泥等原材料分別進(jìn)行溫控，并在拌合時(shí)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(jī)溫度≤25℃。

3.4.2控制入模溫度

將混凝土運(yùn)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(duì)罐體噴灑20℃以下的冷水進(jìn)行再次降溫，使罐車在運(yùn)輸過程中蒸發(fā)散熱，進(jìn)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(shè)，2條泵管線路均包裹反射膜，減少泵管受陽(yáng)光直射導(dǎo)致混凝土溫度升高。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比，包裹反射膜后泵管內(nèi)的混凝土溫度比未使用隔熱膜時(shí)約低1.5℃，證明反射膜能抑制混凝土泵送時(shí)溫度升高，進(jìn)一步控制入模溫度。

3.4.3養(yǎng)護(hù)方法

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

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

3.4.4大體積混凝土智能測(cè)溫技術(shù)

1)測(cè)溫點(diǎn)策劃 為更準(zhǔn)確得到現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)，采用傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)溫+智能無線測(cè)溫方式，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及研究需要，進(jìn)行測(cè)溫點(diǎn)策劃，形成測(cè)溫點(diǎn)位圖，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫點(diǎn)精準(zhǔn)埋設(shè)(見圖11)。

圖11 測(cè)溫點(diǎn)位布置

2)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫點(diǎn)位預(yù)埋及檢查。

3)混凝土澆筑后測(cè)溫情況 混凝土澆筑后及時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，對(duì)比分析溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)情況調(diào)整養(yǎng)護(hù)措施。

根據(jù)混凝土澆筑測(cè)溫情況，選取有代表性的點(diǎn)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(shè)計(jì)和入模溫度控制等措施有效。

圖12 測(cè)溫曲線

3.5 實(shí)施效果

大型振動(dòng)臺(tái)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(shí)且表觀質(zhì)量較好，無有害裂縫產(chǎn)生(見圖13)。

圖13 大體積混凝土結(jié)構(gòu)澆筑完成

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大型地震工程模擬研究設(shè)施項(xiàng)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(qiáng)度評(píng)定作為驗(yàn)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(jié)合有限元模擬分析開裂風(fēng)險(xiǎn)，確定關(guān)鍵控溫指標(biāo)，正式實(shí)施時(shí)對(duì)溫升、應(yīng)變、環(huán)境溫度等各項(xiàng)指標(biāo)全過程監(jiān)測(cè)，實(shí)施完成后達(dá)到預(yù)期效果。