彭楷哲

(安陽師范學(xué)院 基建處，河南 安陽455000)

0 引言

長(zhǎng)久以來，水工建筑物混凝土開裂是工程施工階段以及學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域很棘手的問題，因此水工建筑物混凝土的防裂措施成為施工工程師以及設(shè)計(jì)師在工程建設(shè)前期階段較關(guān)心的問題。水工建筑物內(nèi)部會(huì)配備多種類型的管廊或孔口結(jié)構(gòu)，比如，泄水孔、排水管廊、交通管廊、箱涵結(jié)構(gòu)、電梯井、觀察井等。管廊或者孔口結(jié)構(gòu)混凝土與基礎(chǔ)以及建筑物主體接觸部位的受力和變形相當(dāng)復(fù)雜，許許多多對(duì)孔口結(jié)構(gòu)混凝土不利的應(yīng)力集中及混凝土開裂問題較為突出，如果沒有真正掌握其裂縫產(chǎn)生的機(jī)理，就會(huì)大量浪費(fèi)工程的投入和成本，在隨后實(shí)施階段也會(huì)進(jìn)一步增加施工難度、造價(jià)和工程投資?？卓诮Y(jié)構(gòu)同時(shí)也是水工建筑物的重要防滲結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免產(chǎn)生貫穿裂縫，如產(chǎn)生貫穿裂縫，該結(jié)構(gòu)在運(yùn)營期會(huì)成為滲漏通道，那么該結(jié)構(gòu)的蓄水能力和安全就受到較大影響。因此對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，對(duì)孔口結(jié)構(gòu)施工期不同的澆筑溫度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，研究不同澆筑溫度對(duì)孔口結(jié)構(gòu)施工期的溫度變化與應(yīng)力變化，對(duì)混凝土的溫控防裂提供必要的幫助和有意義的指導(dǎo)。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

圖1為孔口結(jié)構(gòu)混凝土整體計(jì)算網(wǎng)格模型，三向基巖尺寸選取為結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度、寬度或高度方向的一倍左右。本次模擬采用的直角坐標(biāo)系如圖1所示，定義為：順?biāo)鞣较驗(yàn)閤軸，垂直水流方向?yàn)閥軸，高度方向?yàn)閦軸，原點(diǎn)選取在結(jié)構(gòu)底面中間部位與基礎(chǔ)接觸的位置，即y=5.0m為順?biāo)鞣较虻目卓谥芯€面，x=4.0m為垂直水流方向的孔口中心面，z=-4.0m為孔口底部面。為方便計(jì)算，選取算例中兩個(gè)典型的特征點(diǎn)來仿真計(jì)算分析，如圖2所示，特征截面為y=5.0m。

圖1 整體計(jì)算網(wǎng)格模型

圖2 y=5.0m截面特征點(diǎn)選取位置

1.2 參數(shù)

本次計(jì)算建立的模型為標(biāo)號(hào)為C25的混凝土，計(jì)算所選用的參數(shù)如表1。為直觀看出不同的澆筑溫度對(duì)水工建筑物混凝土的溫度與應(yīng)力的影響，特設(shè)三種工況進(jìn)行模擬仿真分析，三種工況的澆筑溫度分別為20℃、10℃和5℃，其他情況假定相同。

該結(jié)構(gòu)混凝土中的水泥會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)，釋放出體量相當(dāng)大的熱量，這些釋放出的熱量對(duì)三維不穩(wěn)定溫度場(chǎng)和徐變應(yīng)力場(chǎng)會(huì)有較大的影響。用絕熱溫升這個(gè)概念來衡量和計(jì)算水化反應(yīng)，絕熱溫升用θ表示。測(cè)量和計(jì)算絕熱溫升的方法主要有以下兩種：直接法和間接法。直接法即借助試驗(yàn)設(shè)備直接測(cè)?。婚g接法為用已經(jīng)使用的水泥用量和產(chǎn)生的水化熱來仿真和計(jì)算。經(jīng)過類比和以往的經(jīng)驗(yàn)，能夠斷定直接法比較直觀清晰，數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確；而間接法會(huì)受到諸多元素影響，例如導(dǎo)熱系數(shù)、線脹系數(shù)、密度和泊松比等，所以間接法的誤差相對(duì)于直接法比較大。根據(jù)以往試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，本次結(jié)構(gòu)混凝土仿真計(jì)算的絕熱溫升為θmax≈38.16℃。

表1 計(jì)算參數(shù)

2 算例分析

通過程序仿真計(jì)算結(jié)果，把成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格中，得到各種工況下的計(jì)算成果圖，可以簡(jiǎn)單明了地觀察不同條件下該孔口結(jié)構(gòu)混凝土的溫度和應(yīng)力變化的歷時(shí)曲線。其中圖3為不同澆筑溫度下特征點(diǎn)T1的溫度走勢(shì)，圖4為不同澆筑溫度下特征點(diǎn)T2的溫度走勢(shì)，圖5為不同澆筑溫度下特征點(diǎn)T1的應(yīng)力走勢(shì)，圖6為不同澆筑溫度下特征點(diǎn)T2的應(yīng)力走勢(shì)。仿真計(jì)算時(shí)間統(tǒng)一為360d。

圖3 不同澆筑溫度下特征點(diǎn)T1的溫度走勢(shì)

圖4 不同澆筑溫度下特征點(diǎn)T2的溫度走勢(shì)

由圖3和圖4可得，若澆筑溫度相同，特征點(diǎn)T1和特征點(diǎn)T2在前3d齡期溫度迅速升高從而達(dá)到峰值，在此過程中，澆筑初期的混凝土中的水泥進(jìn)行水化反應(yīng)釋放大量熱量。根據(jù)圖3，特征點(diǎn)T1的澆筑溫度分別為5℃、10℃、20℃，齡期約42d時(shí)溫度走向逐漸趨同。當(dāng)澆筑溫度為5℃時(shí)，特征點(diǎn)T1的溫度峰值約為24.87℃(7d)，由于澆筑溫度較低，水泥的水化反應(yīng)相對(duì)平緩，因此溫度的最大值較低；當(dāng)澆筑溫度為20℃時(shí)，特征點(diǎn)T1的溫度峰值約為29.09℃(3d)，這是因?yàn)闈仓跗谒嗟乃磻?yīng)較為劇烈，所以溫度最大值較高。由此可以得出另一結(jié)論：水泥水化反應(yīng)使混凝土澆筑后溫度最大值出現(xiàn)的時(shí)間和混凝土的澆筑溫度存在一定關(guān)系，即混凝土澆筑溫度越高，結(jié)構(gòu)中混凝土溫度最大值出現(xiàn)的越早?；炷翝仓囟容^高時(shí)，澆筑初期水泥的水化反應(yīng)劇烈，使得混凝土的溫度增長(zhǎng)較大。由上述敘述可知混凝土的絕熱溫升終值是相同的，所以混凝土溫度增長(zhǎng)到峰值后會(huì)開始下降，水化反應(yīng)逐漸減弱，溫度逐漸趨于環(huán)境溫度。特征點(diǎn)T2的溫度最大值在同一澆筑溫度下相較于特征點(diǎn)T1更高，是由于混凝土表面散熱快而內(nèi)部散熱慢導(dǎo)致的(若混凝土內(nèi)外溫差較大則會(huì)引起開裂等現(xiàn)象，因此我們往往會(huì)在混凝土養(yǎng)護(hù)期間對(duì)其進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)措施，從而減小內(nèi)外溫差，降低開裂風(fēng)險(xiǎn))，當(dāng)澆筑溫度為10℃時(shí)，特征點(diǎn)T1和特征點(diǎn)T2的溫度最大值為26.12℃(5d)和31.19℃(5d)。

圖5 不同澆筑溫度下特征點(diǎn)T1的應(yīng)力走勢(shì)

圖6 不同澆筑溫度下特征點(diǎn)T2的應(yīng)力走勢(shì)

根據(jù)圖5和圖6，特征點(diǎn)T2在澆筑初期呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài)(負(fù)值)，特征點(diǎn)T1澆筑初期呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)(正值)，齡期較大時(shí)則顛倒過來。因?yàn)榛炷猎缙谒磻?yīng)較劇烈，結(jié)構(gòu)溫度上升較大，而在后期混凝土溫度降低的階段，外部混凝土散熱快，內(nèi)部混凝土散熱慢導(dǎo)致內(nèi)外溫差較大，由此可得該水工建筑物的混凝土應(yīng)力變化無異于一般性規(guī)律。由于溫度分布為內(nèi)部溫度高外部溫度低，所以結(jié)構(gòu)混凝土早期內(nèi)部呈現(xiàn)壓應(yīng)力，外部呈現(xiàn)拉應(yīng)力；在齡期較晚時(shí)由于混凝土表面溫度降低較快，內(nèi)外溫差進(jìn)一步增大，混凝土熱脹冷縮導(dǎo)致內(nèi)部特征點(diǎn)呈現(xiàn)為拉應(yīng)力而表面呈現(xiàn)壓應(yīng)力。

由于混凝土的應(yīng)力受結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差、環(huán)境溫差以及基礎(chǔ)約束的影響較大，雖然應(yīng)力變化規(guī)律與溫度變化規(guī)律相符，但是不能一概而論地參照溫度變化來解釋?；炷羶?nèi)外溫差和與環(huán)境溫差的改變，盡管外部約束不會(huì)產(chǎn)生較大變化，但是內(nèi)部約束也會(huì)轉(zhuǎn)變，所以應(yīng)力變化的規(guī)律也不盡相同。根據(jù)圖5和圖6，當(dāng)澆筑溫度為20℃時(shí)，特征點(diǎn)T1的拉應(yīng)力最大值為0.56MPa(3d)，隨著內(nèi)外溫差降低，由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且隨著齡期增長(zhǎng)壓應(yīng)力逐漸增大；澆筑溫度對(duì)于特征點(diǎn)T1的拉應(yīng)力最大值無太大影響，但是澆筑溫度對(duì)特征點(diǎn)T1后期的壓應(yīng)力影響較大，澆筑溫度越高，表面特征點(diǎn)T1的拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)的快。澆筑溫度為20℃時(shí)，特征點(diǎn)T2在澆筑初期呈現(xiàn)壓應(yīng)力，壓應(yīng)力最大值為0.16MPa(3d)。同時(shí)對(duì)比3個(gè)工況，澆筑溫度對(duì)混凝土內(nèi)部應(yīng)力最大值略有影響，澆筑溫度增加，內(nèi)部壓應(yīng)力增大。當(dāng)齡期增長(zhǎng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的混凝土從呈現(xiàn)壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，且澆筑溫度越高，齡期越大拉應(yīng)力越大且最大值逐漸增加。

3 溫控防裂措施

3.1 合理設(shè)計(jì)混凝土的配合比

混凝土的摻合料和配合比對(duì)混凝土防裂相當(dāng)重要，建議：①盡量采用水化熱較低的水泥，從而使混凝土的絕熱溫升值降低；②確?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)，且充分利用澆筑后混凝土的中后期強(qiáng)度；③使用合適的外加劑；④嚴(yán)格控制摻合料的級(jí)配以及含泥量；⑤控制好混凝土塌落度，不宜大于180mm。

3.2 合理設(shè)計(jì)混凝土澆筑方案

混凝土在進(jìn)行澆筑前應(yīng)有詳細(xì)的施工方案，大體積混凝土分層澆筑，從而可以利用澆筑面使混凝土散熱，減少開裂風(fēng)險(xiǎn)。還應(yīng)考慮混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸、鋼筋的間距、預(yù)埋管道的鋪設(shè)和其他螺栓的留設(shè)等因素。建議：①合理規(guī)劃混凝土的澆筑量，分層厚度視情況而定，一般情況下每層厚度不超過2m；②根據(jù)多次試驗(yàn)確定混凝土初凝時(shí)間與終凝時(shí)間，保證其強(qiáng)度滿足要求；③根據(jù)本次仿真計(jì)算結(jié)果，應(yīng)控制混凝土的澆筑溫度，根據(jù)施工條件和現(xiàn)場(chǎng)情況來設(shè)計(jì)合理的施工方案。

3.3 做好養(yǎng)護(hù)措施

混凝土養(yǎng)護(hù)要保證合適的溫度和濕度，控制好內(nèi)外溫差及與環(huán)境的溫差，保證強(qiáng)度正常發(fā)展的同時(shí)還要降低開裂的風(fēng)險(xiǎn)。建議：①混凝土澆筑完畢后，在初凝前宜立即進(jìn)行覆蓋或者噴霧養(yǎng)護(hù)工作；②混凝土在拆模時(shí)，內(nèi)外溫差及與環(huán)境的溫差均不超過20℃；③可在結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管來降低內(nèi)外溫差，在結(jié)構(gòu)表面以及模板外增加保溫措施(如覆蓋保溫材料等)減少溫差；④根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)情況，增加濕潤養(yǎng)護(hù)的時(shí)間，模板拆除之后應(yīng)即刻覆蓋保溫材料和回填；⑤大體積混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 大體積混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間

4 結(jié)語

水工建筑物在澆筑后，混凝土中的水泥發(fā)生水化反應(yīng)釋放熱量，使結(jié)構(gòu)溫度升高，溫度達(dá)到最大值之后水化反應(yīng)減弱，結(jié)構(gòu)溫度逐漸降低并趨近于環(huán)境溫度。澆筑初期混凝土表面散熱快，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度大于表面溫度，內(nèi)外溫差較大且與環(huán)境溫度相差較大；澆筑后期內(nèi)部的溫度和表面溫度大致相同且與環(huán)境溫度變化一致。澆筑的溫度增高，水化反應(yīng)越劇烈，同時(shí)溫度上升到最大值較快；但混凝土的絕熱溫升終值一樣，所以結(jié)構(gòu)溫度達(dá)到最大值后開始產(chǎn)生下降趨勢(shì)。仿真結(jié)果與實(shí)際情況的混凝土溫度變化的規(guī)律一致。

澆筑初期混凝土內(nèi)部特征點(diǎn)表現(xiàn)為壓應(yīng)力，表面特征點(diǎn)呈現(xiàn)為拉應(yīng)力，澆筑后期則顛倒過來。因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)澆筑初期處于溫度升高階段，內(nèi)外溫差和與環(huán)境溫差較大，同時(shí)在澆筑后期處于溫度降低階段，混凝土內(nèi)部的溫差較大，仿真結(jié)果與實(shí)際情況混凝土的應(yīng)力變化規(guī)律一致。受“內(nèi)高外低”的溫度場(chǎng)的分布規(guī)律的影響，在混凝土早期呈現(xiàn)“內(nèi)壓外拉”的應(yīng)力分布特點(diǎn)。因此，在澆筑初期應(yīng)特別重視其防裂措施。