李潘武,李澤一,高 睿
(長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710061)
近年來(lái),混凝土地面結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用于各大型建筑物和構(gòu)筑物,如機(jī)場(chǎng)跑道與停機(jī)坪、橋面與路面、地下停車(chē)場(chǎng)地面、大面積混凝土廣場(chǎng)和大型廠(chǎng)房地面、建筑物基礎(chǔ)與防水板等。然而在混凝土地面施工及使用過(guò)程中,混凝土經(jīng)常出現(xiàn)各種病害,其中最重要的是混凝土裂縫問(wèn)題[1]。
大量調(diào)查和研究證明,這些裂縫大都是施工期混凝土由于溫度變形作用引起[2]?;炷翜囟仁湛s變形受到地基約束便會(huì)產(chǎn)生約束應(yīng)力,當(dāng)約束應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土將開(kāi)裂[3]。
因此,必須深入研究混凝土地面在地基約束條件下的開(kāi)裂機(jī)理,運(yùn)用合理的分析方法和數(shù)值模擬,揭示混凝土地面約束應(yīng)力的分布規(guī)律,探究混凝土地面最佳切縫時(shí)間,進(jìn)而控制有害裂縫產(chǎn)生。
陜西省秦漢新城某混凝土地面結(jié)構(gòu)于2019年5月3日施工,平面尺寸為36m×80m,厚200mm。采用C30混凝土泵送,澆筑完成后用塑料薄膜覆蓋并灑水養(yǎng)護(hù)。其后由于未及時(shí)組織工人切縫,在切縫前發(fā)現(xiàn)混凝土地面多處已開(kāi)裂,裂縫多是平行于寬度方向的通長(zhǎng)裂縫,且上下貫通,最大裂縫寬度2.65mm。項(xiàng)目部為了避免開(kāi)裂情況再度發(fā)生,在后續(xù)施工段嚴(yán)格控制混凝土材料配合比和澆筑質(zhì)量,選擇下午氣溫較低時(shí)澆筑以降低入模溫度,提前對(duì)土壤地基潤(rùn)濕處理,澆筑后及時(shí)保溫保濕養(yǎng)護(hù)并嚴(yán)格控制切縫時(shí)間,于次日上午進(jìn)行切縫。最終混凝土地面裂縫控制效果良好,未出現(xiàn)有害裂縫。
為探究混凝土地面的開(kāi)裂機(jī)理,運(yùn)用ABAQUS軟件模擬施工期混凝土地面的開(kāi)裂過(guò)程。取混凝土結(jié)構(gòu)尺寸為36m×80m,厚度為200mm?;炷恋孛鏉仓谕寥赖鼗?,上部采用塑料薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù),因此降溫模擬時(shí)需定義混凝土上表面的熱交換條件同時(shí)考慮表面對(duì)流輻射,混凝土下部則由土壤導(dǎo)熱。
按不穩(wěn)定熱理論,受混凝土水化熱影響的地基深度不是定值,而是隨著時(shí)間的增加,受混凝土地面影響的土壤深度也不斷增加。但工程實(shí)際中土壤的溫度達(dá)到一定程度后變化已很小,所以在數(shù)值模擬中可將受混凝土影響的土壤深度取1.5m。地基約束條件下混凝土地面模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。
圖1 混凝土地面模型及網(wǎng)格劃分
取施工期混凝土地面強(qiáng)度等級(jí)為C30。采用 P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥,混凝土材料參數(shù)如表1所示。
表1 混凝土材料參數(shù)
混凝土在硬化階段由于水化熱原因,在澆筑后的短時(shí)間內(nèi)會(huì)經(jīng)歷升溫階段,水化熱溫度達(dá)到峰值后,水化熱能耗盡,混凝土便會(huì)逐漸降溫至環(huán)境溫度[4]?;炷翜厣逯凳芩嗥贩N、強(qiáng)度等級(jí)、模板、水泥用量等因素影響。將上述影響因素折算成修正系數(shù),得到混凝土地面水化熱升溫值計(jì)算公式[2]:
(1)
式中:T′為標(biāo)準(zhǔn)工況下混凝土水化熱溫升,本項(xiàng)目取5℃;k1為水泥強(qiáng)度等級(jí)修正系數(shù),取1.13;k2為水泥品種修正系數(shù),取1.2;k3為水泥用量修正系數(shù),取1.68;k4為模板修正系數(shù),取1.4。
混凝土收縮與溫度變化在板內(nèi)引起的應(yīng)力性質(zhì)相同,因此在計(jì)算約束應(yīng)力時(shí)可將混凝土的收縮效應(yīng)折算成收縮當(dāng)量溫差,與水化熱溫升疊加?;炷翜囟确逯蹬c混凝土入模溫度息息相關(guān)[5],根據(jù)混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),混凝土入模溫度最高取35℃,進(jìn)而計(jì)算得出施工期混凝土地面最高溫度為52℃。
早齡期混凝土地面彈性模量的大小隨時(shí)間變化,而且混凝土的受拉彈性模量和受壓彈性模量不同,后者一般略高于前者。工程實(shí)踐中簡(jiǎn)化計(jì)算,采用指數(shù)函數(shù)表示彈性模量且按拉壓模量相同處理[2]:
E(τ)=E0(1-βe-ατ)
(2)
式中:E(τ)為不同齡期混凝土的彈性模量;E0為成齡期混凝土的彈性模量;α,β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),其中α取0.09,β取1;τ為齡期。
蘇聯(lián)水工科學(xué)院試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度采用式(3)計(jì)算:
Rf(τ)=0.8Rf0(lgτ)2/3
(3)
式中:Rf(τ)為不同齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度;Rf0為28d齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度;τ為齡期。
早齡期混凝土地面的抗壓強(qiáng)度隨混凝土硬化而增長(zhǎng),抗壓強(qiáng)度與齡期τ的關(guān)系可表示為[6]:
Rc(τ)=Rc28[1+mln(τ/28)]
(4)
式中:Rc(τ)為不同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度;Rc28為28d齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度;τ為齡期;m為與水泥品種相關(guān)的系數(shù),本項(xiàng)目為普通硅酸鹽水泥,m取0.172 7。
本文采取接觸作用來(lái)模擬混凝土地面與土壤地基間的相互作用。在定義接觸時(shí),運(yùn)用相互作用模塊下的表面與表面接觸。選擇剛度大的表面為主表面,剛度小的表面為從表面,網(wǎng)格劃分較密集的為主表面,網(wǎng)格劃分較稀疏的為從表面。在本例中,混凝土地面的剛度大于土體剛度,且為了研究混凝土地面的溫度收縮應(yīng)力來(lái)控制切縫時(shí)間,其網(wǎng)格劃分較密集。綜上取混凝土地面的下表面為主表面,取土壤地基與混凝土板的交面為從表面。在接觸屬性中定義法向行為“硬”接觸,該接觸能較好地模擬混凝土地面與土壤地基法向相互作用的消長(zhǎng)效果;切向行為采用庫(kù)侖摩擦模型?;炷羻卧褂肅3D8T網(wǎng)格單元,采用瞬態(tài)溫度-位移耦合模擬早齡期混凝土地面的開(kāi)裂過(guò)程。
混凝土地面的熱傳遞包括混凝土內(nèi)部的熱傳導(dǎo)及混凝土與外界環(huán)境的對(duì)流換熱和輻射換熱。對(duì)于熱對(duì)流及熱輻射引起的熱交換,運(yùn)用總熱交換系數(shù)進(jìn)行綜合處理?;炷量偀峤粨Q系數(shù)可表示為[7]:
β=12.47+3.33ν
(5)
式中:β為總熱交換系數(shù);ν為風(fēng)速,以陜西省秦漢新城平均風(fēng)速為例,根據(jù)陜西省統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì),平均風(fēng)速最高為2.8m/s,偏于安全地取混凝土地面上表面風(fēng)速為2.8m/s,下表面風(fēng)速為0。將與空氣接觸的混凝土上表面定義為第三類(lèi)邊界條件,熱交換系數(shù)取22W/(m2·K),將與地基接觸的混凝土下表面定義為第四類(lèi)邊界條件。在模型屬性中定義絕對(duì)零度為-273.15℃,Stefan-Boltzmann常數(shù)為5.67e-8。施工期混凝土熱力學(xué)參數(shù)如表2所示。
表2 混凝土熱力學(xué)參數(shù)
環(huán)境溫度取當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?5℃時(shí),ABAQUS模擬混凝土地面經(jīng)約7h降溫后的應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖2所示。
圖2 混凝土地面應(yīng)力、應(yīng)變分布
由圖2a可知,混凝土地面的應(yīng)變由內(nèi)部向邊緣逐漸增加,呈環(huán)狀分布,在沿長(zhǎng)度方向兩端應(yīng)變最大達(dá)7.226×10-3。由圖2b可知,混凝土地面的約束應(yīng)力由四周向中心逐漸增加,呈環(huán)狀分布,在混凝土的中心點(diǎn)約束應(yīng)力達(dá)到最大值,此時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到施工期混凝土的抗拉強(qiáng)度,如果不提前進(jìn)行切縫處理,混凝土將開(kāi)裂。
為了更清晰、直觀(guān)地表示第一主應(yīng)力的變化規(guī)律,取過(guò)中心點(diǎn)沿長(zhǎng)度、寬度方向的截面繪制其應(yīng)力分布曲線(xiàn),如圖3所示。
圖3 混凝土地面沿長(zhǎng)度、寬度方向應(yīng)力分布曲線(xiàn)
由圖3可知,混凝土地面的拉應(yīng)力沿長(zhǎng)度、寬度方向先增加后降低,應(yīng)力曲線(xiàn)呈上凸形狀,即兩端應(yīng)力小、中間應(yīng)力大。在中心點(diǎn)拉應(yīng)力達(dá)最大值1.01MPa。由于混凝土地面沿長(zhǎng)度方向的平面尺寸較大,因此溫度作用及收縮作用引起的約束應(yīng)變較大,通過(guò)中心點(diǎn)垂直于長(zhǎng)度方向截面的約束應(yīng)力最大,混凝土將從該截面率先開(kāi)裂。
環(huán)境溫度為25℃時(shí),ABAQUS模擬混凝土地面中心點(diǎn)第一主應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖4所示。
圖4 混凝土地面中心點(diǎn)第一主應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)
混凝土水化完成后混凝土地面溫度達(dá)到峰值,此后由于熱傳遞及空氣的對(duì)流輻射,混凝土逐漸降至環(huán)境溫度,在此過(guò)程中混凝土地面中心點(diǎn)的約束應(yīng)力不斷增加,增長(zhǎng)速率逐漸趨于平緩,約7h混凝土地面達(dá)到早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度,在此之前若未對(duì)混凝土板進(jìn)行切縫處理,混凝土地面將沿中心點(diǎn)垂直于長(zhǎng)度方向開(kāi)裂。開(kāi)裂后混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分布,約束應(yīng)力得到釋放。
切縫時(shí)間直接影響切縫的有效性,切縫過(guò)遲,不但切割困難,對(duì)鋸片的磨損大,而且混凝土地面已產(chǎn)生裂縫,再進(jìn)行切縫已沒(méi)有意義。切縫過(guò)早,混凝土還未達(dá)到一定強(qiáng)度,會(huì)導(dǎo)致槽口兩側(cè)板邊剝落,致使接縫破壞。因此,選擇適當(dāng)?shù)那锌p時(shí)間對(duì)防止早齡期混凝土地面開(kāi)裂至關(guān)重要。
根據(jù)混凝土溫度收縮應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系,得到合理的切縫時(shí)間。最早切縫時(shí)間應(yīng)保證混凝土具有一定強(qiáng)度,能承受鋸縫機(jī)產(chǎn)生的沖擊作用,避免骨料脫落造成接縫破壞;混凝土地面溫度收縮變形受到地基的約束產(chǎn)生約束應(yīng)力,最晚切縫時(shí)間應(yīng)保證混凝土的溫度收縮應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度,避免裂縫產(chǎn)生。
從澆筑完成時(shí)間算起6~12h混凝土地面已完成水化升溫過(guò)程,進(jìn)入降溫階段[8]。由數(shù)值模擬結(jié)果可知,環(huán)境溫度為25℃時(shí)混凝土板經(jīng)過(guò)約7h降溫約束應(yīng)力便達(dá)到抗拉強(qiáng)度。因此,混凝土地面的最佳切縫時(shí)間宜在澆筑完成后12~20h,這里給出了切縫時(shí)間的一般概念,具體工程可根據(jù)實(shí)際環(huán)境溫度、混凝土材料、養(yǎng)護(hù)條件、硬化程度確定切縫時(shí)間。當(dāng)混凝土入模溫度低于環(huán)境溫度,保溫養(yǎng)護(hù)條件良好時(shí),可視情況延長(zhǎng)1~2h。由該方法可推導(dǎo)出,上午澆筑的混凝土地面當(dāng)天切縫,下午澆筑的混凝土地面次日早晨切縫,比較符合工程實(shí)際情況。
考慮到實(shí)際工程中施工環(huán)境復(fù)雜,氣溫變化劇烈,運(yùn)用ABAQUS模擬不同環(huán)境溫度下混凝土中心點(diǎn)第一主應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系(見(jiàn)表3,圖5),進(jìn)而得出不同溫差下混凝土地面板達(dá)到抗拉強(qiáng)度所需時(shí)間,以此為依據(jù)指導(dǎo)不同環(huán)境溫度下混凝土地面的切縫時(shí)間。
表3 不同環(huán)境溫度下對(duì)應(yīng)的計(jì)算溫差
圖5 溫差與混凝土開(kāi)裂時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)
由圖5可得出,溫差與混凝土開(kāi)裂時(shí)間呈負(fù)相關(guān),即溫差越大,開(kāi)裂時(shí)間越短,隨著溫差的增加,開(kāi)裂時(shí)間減小的速率變緩。因此,如果遇到寒潮,氣溫驟降或高溫條件下澆筑等應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況提前切縫,以防止混凝土地面在切縫前開(kāi)裂。當(dāng)環(huán)境溫度>27℃即溫差<25℃時(shí),可偏安全地取溫差為25℃的開(kāi)裂時(shí)間切縫,這樣方便施工且剩余時(shí)間可作為安全儲(chǔ)備。
通過(guò)ABAQUS有限元數(shù)值模擬結(jié)果可得出,地基約束下混凝土地面的約束應(yīng)力呈環(huán)狀分布,在混凝土中心點(diǎn)拉應(yīng)力達(dá)到最大值。由于混凝土地面長(zhǎng)度方向的平面尺寸較大,因此過(guò)中心點(diǎn)垂直于長(zhǎng)度方向的截面約束應(yīng)力較大,若切縫不及時(shí)該截面將率先開(kāi)裂。
環(huán)境溫度為25℃時(shí),混凝土中心點(diǎn)第一主應(yīng)力隨時(shí)間逐漸增加,增長(zhǎng)速率逐漸趨于平緩,經(jīng)過(guò)約7h降溫約束應(yīng)力便達(dá)到早齡期混凝土抗拉強(qiáng)度,開(kāi)裂后混凝土內(nèi)部應(yīng)力重分布,約束應(yīng)力得到釋放。為避免裂縫產(chǎn)生,最晚切縫時(shí)間應(yīng)保證混凝土溫度收縮應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度,同時(shí)最早切縫時(shí)間應(yīng)保證混凝土具有一定強(qiáng)度,能承受鋸縫機(jī)產(chǎn)生的沖擊作用。因此,混凝土地面的最佳切縫時(shí)間宜在澆筑完成后12~20h。
溫差與混凝土開(kāi)裂時(shí)間呈負(fù)相關(guān),因此遇到急劇降溫、寒潮應(yīng)做好保溫措施,并根據(jù)工程實(shí)際情況提前切縫。同時(shí),應(yīng)避開(kāi)高溫天氣澆筑,盡量選擇在早、晚澆筑混凝土,以降低混凝土的約束應(yīng)力。
實(shí)際工程中施工環(huán)境復(fù)雜,應(yīng)從設(shè)計(jì)、材料、施工和管理等多方面做好相應(yīng)的抗裂措施,及時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù),控制最佳切縫時(shí)間,防止開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生。