混凝土水化效应的抗裂性能优化与数值模拟分析
赵健;田亮;高伟
【摘 要】以石首长江公路大桥超大体积承台为研究对象,为预防承台混凝土水化热及环境温度变化引起的开裂现象发生,对该桥承台超大体积混凝土的抗裂性能进行了优化,并根据有限元模拟结果对大体积承台施工采取了温控措施,优化后的混凝土抗裂性能可以有效控制由水化热引起的裂缝超标现象发生,其研究结果具有一定的理论意义及工程实践价值. 【期刊名称】《铁道建筑技术》 【年(卷),期】2017(000)008 【总页数】5页(P5-8,17)
【关键词】大体积承台;混凝土开裂;温度控制;模拟仿真 【作 者】赵健;田亮;高伟
【作者单位】中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津300300;中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津300300;中铁建大桥工程局集团第一工程有限公司 辽宁大连116033
【正文语种】中 文 【中图分类】TU528
大体积混凝土的温控技术一直是建筑领域研究的重要课题之一，混凝土的水化热效应是影响混凝土结构施工质量的重要因素。大体积混凝土施工时，由于水泥水化过程中释放的热量，致使混凝土结构产生梯度温度效应，当梯度温差过大时，混凝土
结构将出现裂缝，对结构的耐久度产生严重的影响［1-3］。在桥梁结构中，体积较大的主要结构为承台，而在大体积承台夏季施工时，由于外界高温的影响混凝土结构内部的温度会随外界高温协调发展［4-6］，如没有有效的控制措施，混凝土的施工质量将无法保障［7-9］。本文以石首长江公路大桥为研究对象，通过对超大体积承台混凝土的配合比进行优化，提高了抗裂性能，其研究方法及结果具有较高理论意义及工程实践价值。
石首长江公路大桥主桥是世界第七大跨度的混合梁斜拉桥，主桥桥跨布置为（75+75+75）m+ 820 m+（300+100）m。103＃主墩基础采用58根直径2.5 m钻孔灌注桩，设计桩长119 m。103＃主墩采用近似椭圆形承台，承台结构分为两级，一级承台几何参数为67.5 m×35.75 m，厚度为7 m。二级承台底面几何参数为51 m×23 m，顶面几何参数为46 m×18 m，厚度2.5 m。混凝土分3次浇筑施工，其中一级承台首次浇筑3 m，第2次浇筑4 m，第3次浇筑二级承台的2.5 m。主墩一级承台及二级承台均采用C40混凝土，封底垫层采用1.7 m厚的C35水下混凝土。石首长江公路大桥超大体积承台浇筑方量高达18 171.5 m3，设计强度等级C40。施工工期在5～7月，气温较高，浇筑温度控制难度大，混凝土温度控制不当时极易因内表温差产生较大温度应力而导致开裂。承台长宽比接近2∶1，容易在承台长边中间部位和承台与封底、一级承台与二级承台交界处出现应力集中而导致开裂。一级承台平面面积达2 413 m2，按分层浇筑厚度30 cm进行计算，浇筑一层混凝土的方量就高达720 m3，当混凝土拌和生产能力或浇筑量较低时，即出现分层浇筑的层与层之间间隔时间过长的现象，尤其在气温较高时段，极易因层间水分蒸发过快导致塑性收缩裂缝。因此，超大体积承台的混凝土温控具有较高的难度。
根据本工程所处环境条件为碳化引起钢筋锈蚀的一般环境，主墩承台混凝土抗耐久主要防止水渗透和碳化引起的混凝土结构破坏，因此针对混凝土配合比的电通量与
碳化深度。试样的56 d龄期电通量均远远小于1 200 C，28 d碳化深度均小于5 mm，符合耐久性控制指标要求。另外，为了避免浇筑到分层面或顶层时混凝土表面浮浆过厚引起的后期收缩不一致而导致混凝土开裂，在常规配合比的基础上掺0.9 kg／m3作为主墩承台顶层30～50 cm混凝土施工的配合比，优化后指标如表1、2所示。
采用HR-2A混凝土热物理参数测定仪测定了混凝土7 d水化的绝热温升，承台C40混凝土温升曲线如图1所示，安全系数与抗裂保证率关系如图2所示。实测混凝土7 d绝热温升结果为T7＝41.34℃。根据文献［10］给出的“混凝土绝热温升计算”公式，可由7 d的绝热温升实测值（T7）推算混凝土的最终绝热温升值（Ta）为： 4．1 有限元模型
根据混凝土性能优化参数对承台内外温度场进行模拟计算，模型采用有限元软件MIDAS FEA，对承台分层建模［10-13］，网格划分采用经典的正方形网格，将混凝土视为均匀介质。其中，承台采用C40型号混凝土，弹性模量为
3.25×104MPa，泊松比为0.2。封底混凝土底板采用C35型号混凝土，弹性模量为3.15×104MPa，泊松比为0.2。混凝土的线膨胀系数、热传导率以及比热容等热工参数按《混凝土结构设计规范》取值，承台1／4模型与网格划分如图3所示。 4．2 温度参数与边界条件
承台模板采用钢模，其侧面等效表面散热系数为80 kJ／（m2·h·℃）；浇筑间隔时间为10 d，侧面拆模后覆盖养护土工布填砂保温，其侧面等效表面散热系数为45 kJ／（m2·h·℃）；顶面蓄冷却水管出水20 cm养护，其侧面等效表面散热系数为20 kJ／（m2·h·℃）。根据浇筑时的天气状况推算，采取常规控制措施下混凝土浇筑温度最大为30℃，最小为26℃，另考虑部分时段开启冷却水管，将浇筑温度分别控制为26℃与28℃以满足温控需求。考虑采用冷却水降温及不通冷却水
两种方案。冷却水管水平管间距为100 cm、垂直管间距为60～70 cm，管径为φ48× 2.5 mm，工况及边界条件如表3所示。 4．3 抗裂安全系数
混凝土温控抗裂安全系数旨在标准养护条件下的混凝土劈裂抗拉强度试验值与对应龄期温度应力计算最大值之比［14］。丹麦在其1991年出版的“早龄期开裂控制”系列报告中指出：混凝土内部产生的拉应力超过80%的劈裂抗拉强度时生成少数裂缝，应力小于80%的劈裂抗拉强度时，没有观察到裂缝。厄勒海峡隧道和丹麦大海带船闸梁中要求计算温度应力与劈裂抗拉强度之比不得大于0.7，即劈裂抗拉强度与温度应力比不得小于1.4，现场监测结果表明混凝土没有出现温度裂缝，温控效果良好。在日本规范中采用抗裂安全系数来评价混凝土的开裂风险，并要求劈裂抗拉强度与计算温度应力比不得小于1.25～1.5。
《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》（JTS 202-1-2010）统计了20余个大体积混凝土温控工程的开裂情况，认为劈裂抗拉强度与相应龄期计算的温度应力值之比不小于1.4时，开裂概率降低到5%，劈裂抗拉强度与相应龄期计算的温度应力比值不小于1.3时，开裂机率小于15%，据此规定了大体积混凝土的温度应力抗裂安全系数应≥1.4。综合各方面调研结果，建议本工程大体积混凝土温度应力抗裂安全系数取值不小于1.4为宜。 4．4 模拟结果
在工况一设定条件下，主墩承台温度应力计算结果可以看出，承台各龄期最小抗裂安全系数为0.78，对应抗裂保证率约为3%，开裂风险非常大。在工况二设定条件下，主墩承台温度应力计算结果可以看出，承台各龄期最小抗裂安全系数为0.90，对应抗裂保证率约为8%，开裂风险非常大。在工况三设定条件下，主墩承台温度应力计算结果可以看出，承台各龄期最小抗裂安全系数为1.24，对应抗裂保证率约为70%，开裂风险较大。在工况四设定条件下，承台各龄期最小抗裂安全系数
为1.42（≥1.4），符合抗裂安全系数设计要求。对应抗裂保证率约为96%，抗开裂能力较强，模拟结果如表4所示，承台3 d的水化热温度场与温度应力如图4、5所示。
4．5 结果对比与分析
（1）工况一承台内部最高温度为72.8℃，工况二承台内部最高温度为69.1℃，工况三承台内部最高温度为63.2℃，工况四承台内部最高温度为61.1℃，均满足《大体积混凝土施工规范》（GB 50496-2009）混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50℃的基本规定。
（2）工况一承台最小安全系数为0.78（≤1.4），工况二承台最小安全系数为0.90（≤1.4），工况三承台最小安全系数为1.24（≤1.4），工况四承台最小安全系数为1.42（≥1.4），工况四构件抗裂安全性较优。因此，施工期应采取一定温控措施控制混凝土浇筑温度≤26℃，且混凝土内部通水冷却。
由温度应力时程曲线图6、7所示，在3 d内应力发展最快，应力集中区域集中在混凝土承台表面，拉应力的产生由内外温差所引起，后期由于混凝土材料的收缩特性，3 d后的部分应力向承台结构内部转移，之后发展平稳。承台龄期抗裂安全系数为1.42，大于抗裂系数建议值1.4，可以满足抗裂安全系数设计要求。 混凝土在运输、泵送、浇筑、振捣过程中，除与大气环境有热交换、与仓面环境也存在热交换外，混凝土还存在与运输罐车车鼓之间的摩擦，与泵送管内壁之间的摩擦，与模板、钢筋之间的摩擦，混凝土内部的相互摩擦以及水泥水化反应生热都将使混凝土的温度升高，混凝土的实际温升是热传递、摩擦以及水化热三者的综合结果。根据以往实际数据的统计结果表明，混凝土经过0.5 h的运输、泵送后，入模温度约比出机口温度高1～2℃，混凝土经过平仓、振捣和上层混凝土覆盖完毕后，一般混凝土的温度（即浇筑温度）较入模温度升高约1～2℃。因此，为使混凝土的浇筑温度≤26℃，考虑混凝土运输、泵送、浇筑过程中的温升，结合本承台施工
季节的气温条件和运输距离，本项目混凝土的出机温度宜控制≤24℃。
承台预计工期为2016年5月底～7月中旬，从石首市历史气温来看，5月份日均最低气温为18℃、日均最高气温为26℃；6月份日均最低气温为22℃、日均最高气温为30℃；7月份日均最低气温为25℃、日均最高气温为32℃。为此，需根据气温对原材料温度进行不同控制以保证混凝土出机温度≤24℃。采用冰水降低混凝土出机温度，冰水温度控制在5℃以下。
混凝土内部最高温度为.95℃，符合温控标准≤65℃的标准；混凝土最大内表温差为28.37℃，该内表温差为第一层测点（45 cm）的温差，是因为下雨及江水流入隔仓，使得隔仓内部一直有50 cm深度的水，隔仓水温比较低且无法彻底排出，使得表面温度下降较快导致内表温差过大，其他符合温控标准≤25℃的要求。温峰后降温速率为1.3～4.5℃／d，部分时段降温速率超出2.0℃／d。原因则是集水箱水温过低导致循环水对混凝土降温过快，后通过关停部分水管及降低水流量，控制降温速率符合温控标准≤2.0℃／d的要求。承台混凝土温度特征值见表5。 混凝土温度特征值发展历时曲线如图8所示，测点监测区域混凝土于浇筑后20 h开始升温，于50～80 h期间相继到达温峰，内部最高温度.95℃，符合温控标准≤65℃的标准。温峰过后通过调节冷却水控制降温速率约为1.3～4.5℃／d，部分时段超出温控标准≤2.0℃／d的要求。混凝土表面温度发展平稳，内表温差发展趋势基本同内部温度发展趋势，最大内表温差为28.37℃，略超温控标准≤25℃的要求。
截至6月30日21：00，高度45 cm测点监测区域内部最高温度49℃，表面最低温度32℃，内表温差25℃。高度180 cm测点监测区域内部最高温度56℃，表面最低温度32℃，内表温差24℃。高度240 cm测点监测区域内部最高温度56℃，表面最低温度33.0℃，内表温差23.0℃。高度320 cm测点监测区域内部最高温度50℃，表面最低温度33℃，内表温差17℃。
分别对一级承台第一层、第二层以及二级承台进行实际检测，采用表观检查法及钻孔切割的方式对裂缝宽度及长度进行了鉴别，检测结果表明在承台施工完成后裂缝最大宽度仅为0.2 mm，符合规范及设计标准。
石首长江公路大桥超大体积承台的施工采用优化后的混凝土配合比，并通过实际的温度场参数进行了有限元分析，通过模拟结果优化了温控技术方案，有效减缓水化热的发展，并严格控制了原料质量，确保了混凝土的抗裂性能，有效地完成大体积混凝土的温控任务。同时，保障了该工程的施工质量，控制了承台结构的裂缝尺寸，该研究结果有望提高结构的耐久度，并带来经济效益。
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