何貝貝，方 博，劉 拼，秦哲煥

(1.武昌首義學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430064；2.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，武漢 430082)

鑒于氧化鎂膨脹劑在水工領(lǐng)域裂縫控制方面取得的良好效果[1]，隨著非水工領(lǐng)域的大體積混凝土結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，從事這一方面的工程技術(shù)人員期望氧化鎂膨脹劑在非水工領(lǐng)域亦能發(fā)揮其良好的裂縫控制能力。許多學(xué)者和工程人員對(duì)氧化鎂膨脹劑在非水工領(lǐng)域的應(yīng)用做了大量的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。陳昌禮[2]通過(guò)比對(duì)氧化鎂膨脹劑在水工領(lǐng)域和非水工領(lǐng)域運(yùn)用的差別，指出氧化鎂膨脹劑應(yīng)用在非水工領(lǐng)域時(shí)不可完全套用水工領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，需要獲得大量的長(zhǎng)齡期室內(nèi)試驗(yàn)研究成果和生產(chǎn)性中試結(jié)果方能指導(dǎo)其在非水工領(lǐng)域的應(yīng)用。李華[3]等通過(guò)采用“水化-溫度-濕度-約束”多場(chǎng)耦合收縮開(kāi)裂評(píng)估模型以及現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)中摻入氧化鎂膨脹劑只能降低內(nèi)部開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，但不能降低混凝土表面開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。氧化鎂膨脹劑除了通過(guò)膨脹補(bǔ)償收縮外，馮竟竟[4]等人通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)氧化鎂膨脹劑對(duì)寬度在0.4 mm以內(nèi)的早期裂縫具有較好的愈合效果。由于非水工領(lǐng)域涉及的范圍極廣，單就橋梁工程而言，喬明[5]等針對(duì)特大橋承臺(tái)也提出采取一些溫控措施如分層澆筑、布設(shè)冷卻水管、保溫保濕養(yǎng)護(hù)等預(yù)防結(jié)構(gòu)表面溫度裂縫，但氧化鎂膨脹劑在橋梁工程這一方面的應(yīng)用資料較少。

以童莊河大橋項(xiàng)目為工程背景，借助midas FEA建立大體積混凝土結(jié)構(gòu)的有限元分析模型，得到空白模型和氧化鎂模型的溫度曲線和開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)百分比，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比段的應(yīng)用效果驗(yàn)證，提出了大體積混凝土結(jié)構(gòu)中摻入氧化鎂膨脹劑對(duì)于控制混凝土降溫階段的開(kāi)裂是有利的，為氧化鎂膨脹劑在非水工領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

童莊河大橋位于湖北省宜昌市秭歸縣，為雙塔雙索面三跨連續(xù)混凝土梁斜拉橋，以該橋3#塔下塔柱部分為研究對(duì)象，選取其中的某一節(jié)段進(jìn)行分析，截面尺寸為6.6 m×3.3 m，塔柱截面為實(shí)心矩形截面，高度為4.5 m，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。

2 有限元建模

1)參數(shù)確定

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試配結(jié)果確定的空白混凝土(編號(hào)：KB)和氧化鎂混凝土(編號(hào)：MgO)的配合比如表1所示，其中氧化鎂混凝土中摻入的氧化鎂膨脹劑為武漢三源生產(chǎn)的R型混凝土用氧化鎂膨脹劑：反應(yīng)時(shí)間<100 s，20 ℃水中7 d的限制膨脹率≥0.020%，40 ℃水中7 d的限制膨脹率≥0.040%。

表1 C35P10混凝土配合比 /(kg·m-3)

氧化鎂膨脹劑加入到混凝土中，雖然對(duì)熱力學(xué)參數(shù)的影響不大，但是其膨脹特性會(huì)較大地改變混凝土的徐變和收縮，通過(guò)溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)得到的空白混凝土和氧化鎂混凝土的約束變形和自由變形后，結(jié)合公式：徐變=自由變形-約束變形，收縮=自由變形-溫度變形(=線膨脹系數(shù)×溫差)換算得到的徐變應(yīng)變、收縮應(yīng)變曲線如圖1所示。

塔柱節(jié)段采用20 mm厚木模板支護(hù)，具體施工階段設(shè)置為：①澆筑完成后前4 d，側(cè)面木模板支護(hù)，頂面灑水養(yǎng)護(hù)；②第5 d，拆除木模板，停止灑水養(yǎng)護(hù)，之后結(jié)構(gòu)裸露于空氣中。

2)模型建立

根據(jù)上述參數(shù)以及劃分的施工階段，采用midas FEA中的實(shí)體單元建立1/4有限元模型，如圖2所示。

3)結(jié)果分析

通過(guò)有限元運(yùn)行分析得出KB模型和MgO模型的溫度場(chǎng)結(jié)果，提取結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)和表面點(diǎn)(距頂表面50 mm處)的溫度結(jié)果繪制相應(yīng)的溫度時(shí)程曲線如圖3所示。

由圖3分析可知：KB模型在82 h時(shí)達(dá)到溫峰值74.6 ℃，溫升值49.6 ℃，最大里表溫差30.6 ℃，最大降溫速率為2.8 ℃/d；MgO模型在82 h時(shí)達(dá)到溫峰值75.0 ℃，溫升值50.0 ℃，最大里表溫差30.8 ℃，最大降溫速率為2.8 ℃/d。兩種模型對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，KB模型和MgO模型中心點(diǎn)和表面點(diǎn)的溫度變化規(guī)律一致，數(shù)值相近，可見(jiàn)氧化鎂膨脹劑的摻入對(duì)混凝土的水化放熱歷程并無(wú)影響。結(jié)合《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》的施工溫控指標(biāo)，除溫升值外，里表溫差和降溫速率兩項(xiàng)指標(biāo)皆是不滿足要求的。

大體積混凝土開(kāi)裂的根本原因是由于拉應(yīng)力超過(guò)了容許抗拉強(qiáng)度，以裂縫指數(shù)(容許抗拉強(qiáng)度與溫度應(yīng)力的比值)來(lái)評(píng)估其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。由于我國(guó)對(duì)于非水工領(lǐng)域結(jié)構(gòu)的裂縫指數(shù)(或稱抗裂安全系數(shù))沒(méi)有較為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范界定，故此處借鑒韓國(guó)混凝土規(guī)范對(duì)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分，如表2所示。

根據(jù)仿真分析得到的裂縫指數(shù)的結(jié)果，兩種模型不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所占結(jié)構(gòu)百分比分布如圖4所示。

從圖4來(lái)看，1)第2～4 d期間，MgO模型的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域是低于KB模型的，其余時(shí)刻均高于KB模型；2)MgO模型前2 d的高風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)裂區(qū)域大小與KB模型基本一致，第3 d的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域由原來(lái)的1.1%增大為1.5%，隨后高風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)裂區(qū)域均小于KB模型，減幅在2%～6%之間；3)MgO模型在第2 d時(shí)的中風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)裂區(qū)域超過(guò)KB模型1.4%，在第5 d、6 d的開(kāi)裂區(qū)域雖然也高于KB模型，但是幅度較小，分別為0.3%、0.1%，其余時(shí)刻均低于KB模型，減幅在0.1%～2.4%之間；4)MgO模型在第2～4 d期間，其低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域是高于KB模型的，其余時(shí)刻跟KB模型基本一致，浮動(dòng)范圍在0.3%以內(nèi)。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分的結(jié)果顯示氧化鎂膨脹劑在前4 d并沒(méi)有發(fā)揮出較好的補(bǔ)償作用，反而增加了開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，主要是因?yàn)樵缙诨炷撂幱谒瘻厣A段，內(nèi)部溫度高于表面溫度，此時(shí)的溫度應(yīng)力主要是由于內(nèi)外溫差引起，但是氧化鎂膨脹劑對(duì)這種由內(nèi)外溫差引起的溫度應(yīng)力是沒(méi)有補(bǔ)償作用的，同時(shí)高溫環(huán)境會(huì)促使氧化鎂膨脹劑反應(yīng)導(dǎo)致其在內(nèi)部的膨脹量大于表面的膨脹量，增大表面拉應(yīng)力，而此時(shí)混凝土的容許抗拉強(qiáng)度尚處于增長(zhǎng)階段，不足以完全抵抗這種自約束應(yīng)力，故摻入氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)早期的裂縫控制是不利的。

后期混凝土在降溫冷卻過(guò)程中，混凝土結(jié)構(gòu)收縮受到原有混凝土結(jié)構(gòu)的約束，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力主要來(lái)自于外界約束，氧化鎂膨脹劑正好可以用來(lái)補(bǔ)償因約束引起的溫度應(yīng)力，故在后期MgO模型的無(wú)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域是大于KB模型的，且通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的方式縮小了高風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)裂區(qū)域的占比，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)后期的裂縫控制是有益的。

3 工程應(yīng)用

在童莊河大橋3#塔柱上選取了兩個(gè)相同尺寸的節(jié)段分別用作空白段和氧化鎂段進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

現(xiàn)場(chǎng)的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示，由于節(jié)段拆模之后上表面會(huì)繼續(xù)澆筑新混凝土，會(huì)影響到表面點(diǎn)的溫度變化，故圖中僅列出了表面點(diǎn)在澆筑新混凝土之前的溫度數(shù)據(jù)。

由圖5可知，空白段與氧化鎂段中心點(diǎn)溫度及發(fā)展規(guī)律基本一致，空白段中心點(diǎn)在第4.5 d達(dá)到溫峰72.1 ℃，其入模溫度為24.1 ℃，溫升值為48.0 ℃；氧化鎂段在第3.4 d達(dá)到溫峰71.5 ℃，其入模溫度為21.2 ℃，溫升值為50.3 ℃；空白段與氧化鎂段表面點(diǎn)溫度曲線發(fā)展規(guī)律一致，但是溫度值差異較大，空白段表面點(diǎn)在第1 d達(dá)到溫峰43.5 ℃，氧化鎂段表面點(diǎn)在第1 d達(dá)到溫峰57.6 ℃。對(duì)比前期的仿真分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空白段與氧化鎂段中心點(diǎn)的溫升值與仿真分析基本一致，表面點(diǎn)由于受外界環(huán)境的影響較大，導(dǎo)致實(shí)測(cè)溫峰與仿真分析結(jié)果相差了5～9 ℃。

3.2 裂縫觀察

空白段和氧化鎂段拆模后裂縫情況匯總統(tǒng)計(jì)如表3所示，裂縫分布如圖6和圖7所示。與空白段混凝土相比，氧化鎂段混凝土拆模后，裂縫數(shù)量較少，裂縫寬度從0.25～0.35 mm降低到0.2 mm以內(nèi)，說(shuō)明氧化鎂膨脹劑對(duì)裂縫控制具有一定的效果，能夠降低開(kāi)裂幾率，減少裂縫產(chǎn)生。

表3 裂縫情況匯總統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 語(yǔ)

a.氧化鎂膨脹劑加入到大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，對(duì)其溫度歷程基本無(wú)影響。

b.氧化鎂膨脹劑自身的微膨脹特性對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)在降溫階段的裂縫控制有一定的效果。

但是，鑒于氧化鎂膨脹劑對(duì)早期裂縫控制的不利性，在應(yīng)用過(guò)程中，需要慎重使用。建議利用好氧化鎂膨脹劑的延遲膨脹特性，根據(jù)工程實(shí)際情況來(lái)確定氧化鎂膨脹劑的活性、摻量等，以減小早期的不利影響，更好地發(fā)揮裂縫控制的功效；或者跟鈣類膨脹劑復(fù)合使用，以彌補(bǔ)早期抗裂能力的不足。