高強度大體積混凝土材料特性研究

李兆宇

渤海石油航務建筑工程有限責任公司

1 引言

混凝土是由多種材料所構成的復合型材料，其自身具有不連續(xù)性、非均質性的特征。在特殊的荷載條件之下，混凝土材料自身的力學性質和破壞機理會發(fā)生一定的變化，存在較強的離散性，同時還會面臨尺寸效應的影響，而這些問題的存在均會直接影響到高強度大體積混凝土材料的使用效果和質量，同時也是學術界的所面臨的主要研究難題。高強度大體積混凝土一般常用于建筑物大體積基礎部位施工，具體使用時需要明確分析使用條件，做到科學使用、合理使用，從而確保工程自身的質量、安全性和經濟性。為了實現(xiàn)這一目標，就必須強化對于高強度大體積混凝土材料的特性研究，如力學研究、變形研究、抗裂性能研究等，并深入到建筑物大體積基礎的基本特征當中，分析其開裂原因和混凝土損傷機制，為建筑物大體積基礎的設計、施工提供強有力的理論依據(jù)，間接達到優(yōu)化設計、完善施工體系的目的。

2 高強度大體積混凝土材料概述

2.1 高強度大體積混凝土的成分分析

除了也能夠組成普通混凝土水泥、砂、石和水外，還有兩類比較特殊的成分高效減水劑和礦物摻和料。其一，高能減水劑，高能減水劑能夠提高高強度大體積混凝土材料的性能，使得其強度和耐久性能夠極大提升。高能減水劑在是構成高強度大體積混凝土材料的重要成分，其具有較高的分散能力，能夠在減少用水量的基礎提升混凝土強度。同時也能夠提高混凝土的強度，有效避免混凝土坍落，保證施工安全和施工質量。當然，為了更好地滿足高強度大體積混凝土材料的功能需要，也可以適當選擇加入一些其他的添加劑，如防凍劑和防水劑等。其二，礦物摻和料，礦物摻和料主要包括粉煤灰、硅粉和磨細礦渣三種，這三種材料在高強度混凝土材料中發(fā)揮的功能和作用不一。粉煤灰是一種表面光滑得多顆粒球形的粉末，一般來源與鍋爐煙氣中。將粉煤灰加到高強度大體積混凝土的拌和中能夠產生滾珠潤滑效應，使得水泥分布更加均勻，能夠有效地提升混凝土材料的各項功能，延緩水化速度，避免溫度裂縫的出現(xiàn)。硅粉是一種表面光滑，顆粒相當微小的粉末，多來源于生產硅鐵和硅鋼合金生產煙氣。將硅粉加入混凝土拌和中能夠保證混凝土的粘聚性，保證混凝土的強度和耐久性。硅粉拌和需要大量的水，所以在進行拌和時候要綜合考慮到硅粉的需水量和高能減水劑的用量，并選擇性能良好的硅粉作為原料。礦渣是一種比較常見的建筑原料，主要是高爐煉鐵產生的熔融礦渣，在排出后用水淬冷切的方法來對高溫狀態(tài)的礦渣進行冷卻。但是這種原始的礦渣和其他建筑材料發(fā)生影響的速度相當?shù)穆⒌V渣磨細能夠有效提升其活性，提高其反應速度，但是這種材料的成本相對較高，性能越好價格越高。將超細礦渣加入混凝土拌和中能夠延長混凝土的凝結時間，抑制堿-骨料反應，提高高強度大體積混凝土材料的各項性能。

2.2 高強度大體積混凝土的優(yōu)缺點

經過試驗發(fā)現(xiàn)，高強度大體積混凝土具有強度高、抗壓能力強、減震效果明顯等優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的混凝土比較有著巨大的差距。且高強度大體積混凝土材料的橫截面美觀舒適，而且經濟價值大。高強度大體積混凝土增加了使用面積，使得混凝土變形程度小，剛度效果大，結構穩(wěn)定明顯。此外，因為高強度大體積混凝土的材料致密，也帶來了不少好處，這使得其擁有較強的抗凍、抗沖擊、防滲和抗腐蝕優(yōu)點。但是高強度大體積混凝土材料并非十全十美，也存在著不足。高強度大體積混凝土施工條件較為復雜，需要的施工技術較為復雜，通常是選擇用整體澆筑技術，但是在施工中需要格外注意，以避免出現(xiàn)工縫。高強度混凝土因為體積大，所以重量大，需要花費的養(yǎng)護時間較長。因為難以進行導熱和不耐高溫，非常容易出現(xiàn)裂縫。裂縫的出現(xiàn)不僅僅影響高強度大體積混凝土的美觀和品質，更是會影響高強度大體積混凝土結構安全。如果沒有及時風險裂縫并進行及時地修復，或者在施工中受到了更多影響因素的影響，那么高強度大體積混凝土的優(yōu)勢將不復存在，結構的穩(wěn)定性會降低。如果裂縫在不斷加深和加寬，高強度大體積的特性會發(fā)揮作用，整個大型建筑物將存在安全隱患，建筑物的結構將會不穩(wěn)定，會影響人們的生產生活，威脅人們的生命財產安全。

3 高強度大體積混凝土材料的現(xiàn)存問題

3.1 裂縫問題

裂縫問題在任何混凝土結構中均無法避免。而對于高強度大體積混凝土材料而言，若想要減少或者規(guī)避裂縫的出現(xiàn)，就必須從混凝土材料自身的抗力特性角度出發(fā)，并強化對于施工過程的外力控制、溫度變化控制以及約束力控制效果，進而達到控制混凝土內部結構變化的目的。從某種角度來看，混凝土材料的抗力特性變化是可控的，是可以人工參與干涉的，只要對各項組成材料的抗力特定進行研究分析，并通過對于用料量和材料種類的調整，即可實現(xiàn)最終的目的。從目前階段各種工程對于高強度大體積混凝土材料的基本要求來看，提升混凝土材料的強度、抗?jié)B性能、耐久性依然是主要的設計方向，而想要實現(xiàn)這一目標就必須從抗裂研究的角度出發(fā)，分析各項不同配合材料的物理力學性能，從而優(yōu)化混凝土材料的配合比例，滿足工程自身對于抗裂縫的實際需求。高強度大體積混凝土結構裂縫進行分類并歸納產生裂縫的原因，發(fā)現(xiàn)主要分為以下幾種。

（1）溫度裂縫，高強度大體積混凝土結構導熱系數(shù)差和不耐熱使得其內外部溫度應力大，且因為高強度大體積混凝土結構體積大，重量足，在澆筑硬化，因為水泥水化產生了巨大熱量，這些熱量因為高強度大體積材料的特性無法從內部散發(fā)出去，從而使得高強度大體積混凝土內部溫度在不斷升高，而外部因為和空氣接觸以及早晚溫度差的原因，高強度大體積混凝土表面散熱容易，從而溫度不高，內外部溫度存在巨大差異，內外部溫度應力巨大，從而導致溫度變形。此外，進行澆筑時的溫度也會影響高強度大體積混凝土的內外溫度差，當澆筑時，外界溫度過高，那么將直接導致高強度大體積內部溫度過高。內部溫度過高，而外部溫度因為表層散熱方便，直接導致內外部溫度差增大，溫度應力同時也隨之增大，而導致溫度裂縫的出現(xiàn)。

（2）收縮裂縫，經過試驗發(fā)現(xiàn)，澆筑工作中的水并沒有全部用于混凝土的凝結硬化，而大部分是被蒸發(fā)和揮發(fā)掉了。高強度大體積混凝土也如是，比例是1：4。水分的蒸發(fā)和揮發(fā)必然是伴隨著升溫的，混凝土的凝結硬化會升溫，散熱也會升溫，這兩者不僅僅會使得混凝土內外溫度差增加，更是會讓混凝土體積發(fā)生收縮效應，而高強度大體積混凝土因為體積大，這種收縮現(xiàn)象更加突出。收縮反應使得混凝土內外應變應力和抗拉應力矛盾作用，從而產生裂縫。

（3）約束裂縫和安定裂縫，澆筑施工是高強度大體積混凝土施工中的關鍵環(huán)節(jié)，內部會產生大量的水化熱，而高強度大體積混凝土因為體積大、重量足，又使得水化熱更加劇烈，這使得高強度大體積混凝土的溫度變化劇烈，內部約束增大而產生變形，但是又會被外部約束所桎梏，相互作用，使得抗拉應力反復變化，從而導致裂縫的產生。此外，安定性裂縫也是高強度大體積混凝土結構常出現(xiàn)的一種裂縫類型，這種裂縫和前三者有所不同，其裂縫主要是以龜裂形態(tài)呈現(xiàn)，這種裂縫產生的原因主要是高強度大體積混凝土材料中的水泥安定性不合格。

3.2 地震對混凝土材料的變形影響

隨著現(xiàn)代信息化技術的不斷發(fā)展，在分析地震因素對于混凝土材料的影響時已經可以由計算機作出精確計算，但這種計算方式容易受到計算機設備自身精準度和仿真度的影響，故最終的計算結果往往會于實際表現(xiàn)之間存在偏差，但這種偏差在多數(shù)情況下均可以控制在可接受的范圍之內。而對于在遠場地基深部出現(xiàn)地震情況時，地震所形成的沖擊波會在傳播的過程中不斷的反射、折射，且傳播過程中會受到多種不均勻介質及不規(guī)則地形的影響和干擾，故地震沖擊波在反饋到地面區(qū)域時往往會呈現(xiàn)出非均勻狀的分布。在計算地震對于混凝土材料的干擾和影響時，必須在計算模型上體現(xiàn)出地震運行的非均勻變化，且需要關注混凝土材料在地震影響之下的強度變化和應力變化。

在以往的研究和分析當中，由于國內缺少完善的試驗資料，故多數(shù)情況下需要使用國外的試驗資料進行分析，并通過經驗安全系數(shù)設計方式來對于混凝土材料的抗震等級進行判斷。不可否認的是，國內目前對于混凝土材料的強度研究及變形研究依然落后于國外，且由于這一研究的起步和發(fā)展較晚，目前依然處于起步階段和摸索階段，尤其是缺少針對荷載作用下混凝土材料結構關系、斷裂特性的研究。

3.3 力學與變形的仿真研究

建筑物大體積基礎的結構設計擁有獨立、特殊的安全系數(shù)設計方式，即建筑物大體積基礎自身的應力需要低于某一特定的標準值，而這一特定的應力標準值大小則取決于混凝土構件在特殊環(huán)境下的極限強度和經驗安全系數(shù)的比例。僅從安全系數(shù)的角度來看，其一般會與混凝土構件的大小、尺寸之間有著密切的關聯(lián)性，即不同持續(xù)、不同形狀的混凝土構件的安全系數(shù)也不盡相同。隨著現(xiàn)代科技的進步和施工工藝的不斷優(yōu)化，建筑物大體積基礎的設計常使用經驗安全系數(shù)對強度進行判斷，故針對混凝土構件的強度特性研究反而不會進行使用，其主要原因就在于混凝土構件的安全系數(shù)會受到構件自身的大小和性狀影響。實踐證明，這種經驗安全系數(shù)研究方式無法從根本上對安全性作出準確地評估和分析，甚至還會對建筑物大體積基礎的設計標準、設計水平造成一定的負面。

現(xiàn)階段，在評估建筑物大體積基礎的安全度時，工作人員的個人經驗依然占據(jù)著主導的地位，且更加側重于建筑物大體積基礎在極限狀態(tài)下的平穩(wěn)條件。一般情況下，建筑物大體積基礎的強度破壞問題已出現(xiàn)裂縫或者變形為主，其主要原因在于混凝土材料的塑性開裂或者內部存在累積性損傷的問題。而在模擬破壞過程時，材料結構和混凝土材料在失效時的極限強度確定就成了關鍵所在，其對于評估建筑物大體積基礎安全性時起到了重要的作用。此外，建筑物大體積基礎在運營過程中也難免會存在開裂的情況，當出現(xiàn)這種情況時就必須高度關注對于開裂位置的控制，若僅僅是建筑物大體積基礎局部拉應力超標，脫離了安全標準范圍之內時，并不意味著建筑物大體積基礎功能的失效，因而只要做好對于裂縫處的控制，確保裂縫面積不會擴大或者深入，建筑物大體積基礎依然可以正常使用。在具體分析建筑物大體積基礎裂縫問題時，三維非線性有限單元法起到了決定性的作用價值，這一分析方法能夠對建筑物大體積基礎開裂情況作出準確判斷，但這種方式由于僅僅是通過材料模型分析，故在判斷混凝土材料受載狀態(tài)的效果時反而無法起到較好地效果。因此，在研究混凝土材料強度和變形特性時，必須要總結各種破壞形態(tài)的基本特點，進行綜合性的分析和判斷。

4 高強度大體積混凝土材料的研究

4.1 配合優(yōu)化研究

高強度大體積混凝土材料的配合比例將影響到混凝土材料的具體性能參數(shù)，其主要的影響因素包括原材料自身的質量、用量和組合搭配方式。在具體研究時，需要從以往的研究資料出發(fā)，高度重視混凝土材料的強度、抗變形能力和抗裂能力，綜合分析之后構建數(shù)據(jù)庫，試驗分析不同配比的結果，并根據(jù)工程的實際需求選擇最合適的配合比例。

4.2 動態(tài)強度特性研究

在研究高強度大體積混凝土材料的動態(tài)強度特性時，要重視動力荷載作用對于混凝土材料的破壞機制，調整應變速率，低周反復加載，進而獲取真實的動態(tài)參數(shù)仿真試驗結果。

4.3 全級配混凝土試件特性研究

在研究全級配混凝土試件時，混凝土試件的尺寸、大小、形狀、成型條件均是主要的研究內容，并要在這一基礎上構建完善的試驗標準，開展一系列試驗內容。試驗方法以細觀力學分析法為主，在計算機上模擬混凝土材料的宏觀力學特性，進而得到混凝土材料的容許使用強度。

4.4 損傷-斷裂特性研究

在對高強度混凝土損傷-斷裂特性研究時，要按照系統(tǒng)開展的原則，并根據(jù)研究實驗的數(shù)據(jù)和成果來對損傷斷裂機理進行判斷。明確標準，建立能夠反映高強度大體積混凝土損傷斷裂特性的本構關系。以損傷斷裂理論標準來進行擴展，建立擴展模型，推斷斷裂參數(shù)，并進一步對相關機理進行研究。

5 結語

綜合來看，隨著高強度大體積混凝土材料的應用范圍不斷擴大，加強對于高強度大體積混凝土材料的綜合研究分析已經成了必然趨勢，相關單位及工作人員應當重視對于現(xiàn)有問題的研究，擴寬高強度大體積混凝土材料的使用范圍，不斷改革施工工藝，為建設高質量的工程項目提供理論依據(jù)。