有限元模擬分析大體積再生混凝土的開裂風(fēng)險性

王靈秀 蔡素燕 項斌峰 張利俊 邱洪華 秦憲明

（中國建材檢驗認(rèn)證集團(tuán)北京天譽(yù)有限公司，北京 100113）

1 前言

再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC），是指將廢棄的建筑垃圾塊體破碎、清洗與篩分后形成的再生骨料，部分或全部替代天然骨料制備成的新混凝土。再生混凝土不僅可以減少對砂石等天然資源的消耗，同時可以綜合利用建筑垃圾固體廢棄物和工業(yè)廢渣，符合國家對于建筑垃圾資源化利用的發(fā)展方向[1]。

但是由于再生骨料的吸水率大[2]，造成再生混凝土的干縮率可達(dá)6.0×10-4-10.0×10-4，大于普通混凝土[3]，而混凝土開裂有80%以上都是由于混凝土收縮變形造成的[4]，所以較大的干縮率增加了再生混凝土的開裂風(fēng)險性。另一方面，近年來隨著國家城鎮(zhèn)化的發(fā)展，大規(guī)模的土木工程建設(shè)迅速發(fā)展，需要澆筑大體積混凝土的大型建筑物也不斷增加，大型建筑物的工程結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格，單位體積混凝土中高標(biāo)號水泥用量大，水泥水化放熱導(dǎo)致的溫度應(yīng)力裂縫成為工程面對的主要問題。

針對普通大體積混凝土的裂縫控制技術(shù)[5]和機(jī)理分析[6]研究已較為完善，大體積混凝土在施工中受多因素耦合影響，當(dāng)拉應(yīng)力大于對應(yīng)齡期的最大拉應(yīng)力時會導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫[7]。結(jié)合工程實際和研究成果，水泥水化放熱造成的內(nèi)外溫差應(yīng)力是造成裂縫的主要原因[8]，選取材料的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比、澆筑溫度、環(huán)境溫度等材料參數(shù)和條件參數(shù)[9]，可通過有限元仿真分析大體積混凝土的溫度應(yīng)力場，預(yù)判開裂風(fēng)險，還可以對控制溫度應(yīng)力裂縫的方案進(jìn)行預(yù)判，經(jīng)濟(jì)且高效，可為工程實踐做出指導(dǎo)[10]。

對于再生大體積混凝土的溫度應(yīng)力場計算和開裂風(fēng)險預(yù)判鮮有研究。所以本文以本項目組研制的再生骨料高性能混凝土為研究對象，結(jié)合其實際工程應(yīng)用實例：北京通州運河核心區(qū)市政配套工程的南環(huán)環(huán)隧隧道工程，通過實測現(xiàn)場大體積再生混凝土溫度場隨時間的變化，再生大體積混凝土的彈性模量與劈裂抗拉強(qiáng)度隨齡期的變化，采用MIDAS GEN有限元分析軟件仿真分析大體積再生混凝土模型的溫度應(yīng)力場，對比實際結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差，從而為開裂風(fēng)險性預(yù)判和裂縫控制措施判斷提供理論依據(jù)，指導(dǎo)工程應(yīng)用實踐。

2 實驗

2.1 工程概況

北京通州運河核心區(qū)市政配套工程的南環(huán)環(huán)隧隧道工程位于北京通州新城東北部組團(tuán)內(nèi)，規(guī)劃有地下交通聯(lián)系通道2條，即北環(huán)環(huán)隧和南環(huán)環(huán)隧。南環(huán)環(huán)隧是一個地下車行隧道，主隧道全長為1.16公里，主隧道凈寬12.25m，獨立進(jìn)出口通道凈寬6m。主隧道結(jié)構(gòu)凈高5.4m，出入口匝道凈高3.8m。隧道結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件按永久性建筑設(shè)計，設(shè)計基準(zhǔn)期為100年，結(jié)構(gòu)安全等級一級，防水等級為二級，隧道標(biāo)準(zhǔn)段跨徑12.25m，結(jié)構(gòu)頂?shù)装搴穸?.2m，側(cè)墻厚度為1m，結(jié)構(gòu)總高7.8m，主隧道等所有結(jié)構(gòu)采用C40補(bǔ)償收縮防水混凝土，混凝土抗?jié)B等級為W10，抗凍等級F200。

2.2 再生混凝土材料

表1 再生混凝土配合比設(shè)計

采用42.5低堿普通硅酸鹽水泥、I級粉煤灰、S95礦渣粉作為膠凝材料，天然砂為天然細(xì)骨料，天然碎石為天然粗骨料，0.01-4.75mm粒徑的再生細(xì)骨料和5-25mm粒徑的再生粗骨料作為再生材料，以上材料與水和外加劑混合制備再生混凝土。外加劑為聚羧酸高性能減水劑與高性能混凝土膨脹劑。再生混凝土的配合比如表1所示。

2.3 試驗?zāi)Ｐ团c計算參數(shù)

采用MIDAS GEN對環(huán)隧隧道主體框架按實際工程概況進(jìn)行三維建模，實際施工中主隧道結(jié)構(gòu)框架分為底板澆筑和∏型上部框架澆筑兩部分，所以確定兩個模型尺寸，底板模型尺寸為24.0m×14.0m×1.2m，∏型上部框架尺寸為24.0m×16.0m×7.2m，側(cè)墻厚1.0m，頂板厚1.2m。大體積混凝土框架的邊界為底面、側(cè)壁和上表面，底面采用50mm厚細(xì)石混凝土保護(hù)層、防水層和100mm厚C15素混凝土墊層，其下為夯實土層；外側(cè)壁為防水層、200mm厚水泥砂漿保護(hù)層和80cm級配碎石注漿填縫和木模板圍護(hù)結(jié)構(gòu)；上表面采用鋪塑料薄膜灑水養(yǎng)護(hù)方法；內(nèi)側(cè)壁為18mm厚酚醛覆膜膠合模板。計算模型計算時間為1000小時，環(huán)境溫度在29℃，再生混凝土澆筑入模溫度約為32℃。具體建模用材料參數(shù)及熱特性參數(shù)如表2、表3和表4所示。

表2 材料參數(shù)及熱特性

表3 再生大體積混凝土的彈性模量和軸心抗壓強(qiáng)度

2.4 模型計算

首先要在MIDAS GEN軟件中定義構(gòu)件材料特性值，如彈性模量、泊松比、線膨脹系數(shù)、容重、比熱、熱傳導(dǎo)率；然后定義時間依存材料特性，如徐變和收縮（也可不考慮）、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量；其次建立結(jié)構(gòu)模型，包括構(gòu)件周邊條件，通過單元的建立、切割和刪除實現(xiàn)，建立結(jié)構(gòu)組和邊界組，通過組的概念實現(xiàn)構(gòu)件層次和不同材料的分類，并建立各種條件邊界；再次定義水化熱分析數(shù)據(jù)，包括環(huán)境溫度函數(shù)、對流系數(shù)、單元對流邊界、固定溫度、熱原函數(shù)等；對模型邊界施加約束條件，將上面定義的約束條件施加到構(gòu)件的相關(guān)位置，并將熱源分配到整個混凝土構(gòu)件；定義施工階段，包括各施工階段的單元、邊界和荷載情況；再其次對水化熱分析控制：選擇施工階段、自重等情況；最后運行結(jié)構(gòu)分析，包括熱傳導(dǎo)分析和溫度應(yīng)力分析，計算完成后查看各時間段溫度分布和溫度應(yīng)力。

圖1 再生大體積混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

3 結(jié)果與討論

3.1 主隧道模型仿真計算

根據(jù)實際工程中的施工順序和工藝，將主隧道結(jié)構(gòu)中的底板結(jié)構(gòu)取出構(gòu)建模型，包括地基土體、橫向單側(cè)面墻體，其余側(cè)面為與空氣接觸的自由端。對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行建模仿真分析，底板尺寸24.0m×14.0m×1.2m，地基土體26.0m×15.0m×1.0m，側(cè)墻15.0m×1.0m×3.0m，整體計算模型包括11427個節(jié)點，9096個單元，模型澆筑48h后達(dá)到溫峰55.5℃，底板模型網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 底板模型網(wǎng)格圖（包含地基和側(cè)墻）

然后取主隧道中的∏型上部框架，取出構(gòu)建模型，包括底板混凝土、橫向單側(cè)面墻體，其余側(cè)面為與空氣接觸的自由端。對試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行建模仿真分析，∏型框架尺寸24.0m×16.0m×7.2m，側(cè)墻厚1.0m，頂板厚1.2m，混凝土底板尺寸26.0m×17.0m×1.2m，側(cè)墻17.0m×1.0m×7.8m，整體計算模型包括17173個節(jié)點，11424個單元，模型澆筑48h后達(dá)到溫峰67.2℃，上部框架模型網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖3 上部框架模型網(wǎng)格圖（包含底板和側(cè)墻）

3.2 溫度場分布及特征值

圖4 底板模型最高溫度包絡(luò)圖（包含地基和側(cè)墻）

底板內(nèi)部最高溫度分布與上部框架結(jié)構(gòu)各齡期溫度場包絡(luò)圖見圖4和圖5。主隧道底板和上部框架模型的溫度呈現(xiàn)先升后降的趨勢，最高溫峰出現(xiàn)在中心內(nèi)部，并在初期急劇上升，于底板澆筑48小時后分別達(dá)到最高溫度55.5℃和67.2℃，而后急劇下降，逐漸降低，同時內(nèi)部和外表面溫差達(dá)到最大，分別為24.1℃和34.4℃。主體隧道的施工在2018年8月，氣溫較高，應(yīng)注意控制高性能再生混凝土的澆筑溫度，同時做好表面保溫和養(yǎng)護(hù)，通過降低混凝土的散熱率，從而減小混凝土的里表溫差和溫度應(yīng)力，里表溫差宜控制在25℃以下。以上模型模擬數(shù)據(jù)結(jié)果與實際工程現(xiàn)場測溫相吻合，溫度變化趨勢接近，模擬結(jié)果較為可信。

3.3 應(yīng)力場分布及特征值

主隧道底板模型的各個齡期應(yīng)力分布如圖6所示，上部框架結(jié)構(gòu)模型的各個齡期應(yīng)力分布則如圖7所示。

從各齡期應(yīng)力分布圖可以看出：混凝土中心和表面的最大溫度應(yīng)力均未超過混凝土的容許應(yīng)力值，混凝土的抗裂性好，理論上不會產(chǎn)生有害裂縫。這是因為加入粉煤灰和礦粉減小混凝土的水化放熱，膨脹劑可以補(bǔ)償混凝土的干縮，所以在以上兩者的聯(lián)合作用下，在混凝土內(nèi)部引入的溫度應(yīng)力比較小。在升溫階段，混凝土內(nèi)部和表面均處于壓應(yīng)力狀態(tài)；在混凝土降溫階段，首先在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，隨著混凝土的持續(xù)降溫，混凝土中心由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，在水化后期，特別是28天以后，混凝土的溫度拉應(yīng)力已經(jīng)趨于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，不再繼續(xù)增長，雖然處于受拉狀態(tài)，但應(yīng)力值遠(yuǎn)小于混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土不會產(chǎn)生有害裂縫。

3.4 高性能再生混凝土溫度裂縫控制措施

本項目主隧道施工在2018年8月份，氣溫高，工程要求高性能的補(bǔ)償收縮混凝土，需要增大水泥用量保證強(qiáng)度，但是水泥用量大會導(dǎo)致水化放熱量增多，增大混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力和裂縫出現(xiàn)的可能性，為保證裂縫控制問題，主要采用以下措施：

1）通過調(diào)整原材料，即加入粉煤灰、礦粉、膨脹劑等補(bǔ)償再生混凝土的收縮，通過配合比優(yōu)化設(shè)計獲得水化熱和干縮都比較小的混凝土配合比，可以用于控制再生混凝土的早期裂縫。

圖5 上部框架結(jié)構(gòu)模型各齡期溫度包絡(luò)圖（包含地板和側(cè)墻）

圖6 底板模型各齡期應(yīng)力場分布圖

圖7 上部框架結(jié)構(gòu)模型各齡期應(yīng)力場分布圖

2）嚴(yán)格控制原材料的溫度，因此來控制再生混凝土的入模溫度，大體積再生混凝土的入模溫度不宜超過20℃，特別是要控制水泥溫度，特別是在高溫季節(jié)。

3）再生混凝土的養(yǎng)護(hù)工作應(yīng)引起足夠的重視，對于大體積再生混凝土，應(yīng)根據(jù)施工環(huán)境條件采取必要的溫控措施，覆膜保濕是簡單易行的措施。

4 結(jié)論

結(jié)合北京市通州區(qū)運河核心區(qū)市政配套工程的南環(huán)環(huán)隧隧道工程的工程實際，應(yīng)用MIDAS有限元分析軟件分析得到實際工程中再生混凝土工程的溫度場和應(yīng)力場分布，得到的結(jié)論如下：

1） 大體積再生混凝土的裂縫來源于溫度應(yīng)力以及自身干燥收縮，通過礦物摻合料和外加劑可以降低水泥水化熱和補(bǔ)償干燥收縮。

圖8 再生大體積混凝土最大溫度應(yīng)力與容許應(yīng)力時程曲線

2）通過將模型計算數(shù)據(jù)與實際工程數(shù)據(jù)對比，仿真模擬結(jié)果與實際情況吻合較好，證明MIDAS有限元分析實際工程是可行的。

3）可以根據(jù)模型計算結(jié)果提供合適的控制溫度應(yīng)力的措施，并驗證已采用的控制裂縫方法的可行性。

4）根據(jù)模型仿真分析可以得到溫度應(yīng)力的分布，可以對最危險的拉應(yīng)力或可能裂縫位置提前采取補(bǔ)救措施，是一種非常高效的預(yù)判裂縫開裂風(fēng)險性的方法。