基于三維有限元的混凝土結(jié)構(gòu)施工裂縫控制技術(shù)

張海銘

（銀川三建集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750000）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫會拖延建筑工程項(xiàng)目的施工進(jìn)度，且結(jié)構(gòu)裂縫也會造成混凝土建筑斷裂崩塌，產(chǎn)生因鋼筋腐蝕而發(fā)生的危險(xiǎn)后果[1]。當(dāng)混凝土建筑因施工原因過早生成裂縫，深埋在建筑結(jié)構(gòu)之中的鋼筋會被空氣中的有害離子腐蝕，水分和空氣更會加快鋼筋的銹蝕，產(chǎn)生混凝土建筑的變形或斷裂[2]。混凝土結(jié)構(gòu)軟化的可能性增加，會造成嚴(yán)重變形或有坍塌等危險(xiǎn)。而在施工中產(chǎn)生裂縫，會讓施工進(jìn)度因裂縫原因拖后，導(dǎo)致循環(huán)產(chǎn)生施工質(zhì)量的問題[3]。如果不能及時控制混凝土產(chǎn)生的裂縫，持續(xù)擴(kuò)大的建筑裂縫會讓后續(xù)項(xiàng)目維護(hù)費(fèi)用增多，也給后期維護(hù)造成嚴(yán)重負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致建筑整體耐久度下降，建筑的結(jié)構(gòu)剛性和使用年限降低，嚴(yán)重時會發(fā)生坍塌造成財(cái)產(chǎn)損失。

在我國第一個五年計(jì)劃期間，建筑物的維修費(fèi)用僅占建筑費(fèi)用的4%左右，而到之后的每個五年時間里，維修費(fèi)用都在逐漸提高，到“七五”期間建筑維修費(fèi)用已經(jīng)高達(dá)54%。對于建筑裂縫的控制，國內(nèi)多會根據(jù)裂縫的實(shí)際情況來判斷建筑是否需要對裂縫進(jìn)行處理。國外在此問題上的處理方法與國內(nèi)基本一致，但每個國家對于需維修的裂縫寬度規(guī)定不同，如法國規(guī)定需修補(bǔ)的裂縫寬度為0.27 mm，加拿大則為0.064 mm。

1 混凝土結(jié)構(gòu)施工裂縫控制技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 基于三維有限元量化混凝土開裂評價(jià)指標(biāo)

混凝土面臨的環(huán)境包括施工期環(huán)境和服役期環(huán)境。在施工期環(huán)境，塑性收縮較差的工程混凝土，受到干燥氣溫的環(huán)境影響導(dǎo)致自身收縮，排除晝夜溫差過大對塑性產(chǎn)生的影響因素，應(yīng)對混凝土收縮情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[4]。在混凝土內(nèi)部受到有害離子入侵時，裂縫的出現(xiàn)會使得混凝土風(fēng)化情況加劇，混凝土斷裂同時也會致使鋼筋受到銹蝕，并進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土裂縫擴(kuò)大，從而使得混凝土劣化結(jié)構(gòu)愈演愈烈。

塑性抗拉強(qiáng)度fcp是影響砂漿塑性開裂性能的關(guān)鍵因素，毛細(xì)負(fù)壓Rcp在一定程度上會促使混凝土劣化加劇，因此，基于三維有限元進(jìn)行抗裂水泥基材料塑性，分析開裂指數(shù)的計(jì)算公式：

根據(jù)強(qiáng)度等級對選擇混凝土工程主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃，已知強(qiáng)度等級在C30~C50 的混凝土，在進(jìn)行常用材料配比的時候，需要計(jì)算混凝土材料的空隙負(fù)壓。并進(jìn)一步分析混凝土塑性抗拉強(qiáng)度。采用自制的8 字模法分析砂漿的塑性抗拉強(qiáng)度，通過混凝土結(jié)構(gòu)的離散性分析混凝土塑性抗拉強(qiáng)度[5]。利用粗骨料的顆粒性質(zhì)篩選混凝土，并按照不同配比砂漿制備所需材料，計(jì)算隨時間變化的砂漿的塑性抗拉強(qiáng)度。

在4 h 齡期內(nèi)添加料水，利用3 種漿體的塑性抗拉強(qiáng)度特性，判斷抗拉強(qiáng)度在時間變化中的差距，選擇適合裂縫施工的材料[6]。采用三維有限元計(jì)算了3 種砂漿的空隙負(fù)壓變化規(guī)律，砂漿配制強(qiáng)度等級越高，其早期（10 h 之前）的毛細(xì)負(fù)壓越高?；炷列巫儠炷量沽涯芰Ξa(chǎn)生影響，疊加彈性模量與徐變系數(shù)，通過塑性混凝土的約束程度判斷其抗拉強(qiáng)度的受干擾因素，從而得到基于強(qiáng)度理論的混凝土抗裂性評價(jià)指標(biāo)G，其計(jì)算公式為：

式中，k 為抗裂指數(shù)；α 為強(qiáng)度抗拉指數(shù)；E 為模量彈性系數(shù)；R 為約束線性關(guān)系；ε 為徐變系數(shù)；φ 為變形收縮量，mm；ΔT 為形變溫度差，℃。

1.2 根據(jù)開裂指標(biāo)計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)配置參數(shù)

通過設(shè)計(jì)膠漿材料配制占比，優(yōu)化水泥膠漿材料的結(jié)構(gòu)。分析三維有限元的堆積體系，針對膠漿材料的密實(shí)度ρ 進(jìn)行計(jì)算，由此得到，組成密度相同的球形剛體顆粒密度為n，且單位體積中的顆粒密度也相同。設(shè)等效半徑的種類為i，計(jì)算單位體積百分含量 di，據(jù)此，假設(shè)單位體積 Vi的密實(shí)度為 ρi，對滿足條件 d1＞d2＞dn-1＞dn的堆積體系進(jìn)行分析，計(jì)算體系中各個顆粒的等效直徑，計(jì)算公式為：

若顆粒的體積百分比為Xi，根據(jù)密實(shí)度計(jì)算顆粒堆積體系，同時對比體積含量，利用體積含量比之間的線性關(guān)系表達(dá)球形顆粒堆積物密實(shí)度。確定顆粒堆積體系的密實(shí)度與體積含量比之間存在線性關(guān)系。

設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)的制備比例，通過計(jì)算絕對體積配合比，最終確定計(jì)算混凝土體積配合比的結(jié)果?？紤]到高抗凍微膨脹阻裂混凝土在高寒地區(qū)的建筑應(yīng)用，對混凝土的抗?jié)B、抗凍強(qiáng)度進(jìn)行分析，找出對應(yīng)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，兼顧材料耐久性，選擇滿足施工階段的混凝土材料。在運(yùn)營階段能夠保證混凝土面板不出現(xiàn)開裂的情況，那么可以斷定，該種材料在合格的范疇之內(nèi)。對施工中出現(xiàn)開裂的情況進(jìn)行記錄，分析開裂的原因，將原因歸結(jié)為人為因素和天然因素。排除施工環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致開裂的情況，對混凝土材料開裂進(jìn)行預(yù)測。通過相關(guān)因素波動性判斷混凝土強(qiáng)度的變化規(guī)律，在達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)的同時滿足混凝土施工強(qiáng)度的完成率。將配置強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)與工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合，進(jìn)一步計(jì)算通過混凝土結(jié)構(gòu)配置參數(shù)，對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的生成進(jìn)行控制。

1.3 通過配置參數(shù)控制混凝土結(jié)構(gòu)施工裂縫生成

根據(jù)混凝土的配置參數(shù)，控制不同狀態(tài)下混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫生成。在混凝土施工前一周左右，對施工需要的材料進(jìn)行檢查，測量鋼筋、預(yù)埋件的密封狀態(tài)并記錄，同時針對模板進(jìn)行預(yù)施工測試，以保證在進(jìn)行模板拼接時底部密封性良好。對混凝土性能進(jìn)行檢查，同時在入模前重點(diǎn)檢測混凝土結(jié)構(gòu)坍落度，以保證充足的含氣量，在理想狀態(tài)下進(jìn)行拌合物判斷。在30℃以下溫度進(jìn)行混凝土入模；在0℃以下進(jìn)行施工，要注意出機(jī)混凝土溫度在10℃以上、混凝土入模溫度在5℃以上，采取保溫措施以避免混凝土凝固。澆筑時注意混凝土入模與鄰接介質(zhì)的溫差，避免溫差過大造成混凝土開裂。保證混凝土與介質(zhì)表面的溫差在15℃區(qū)間中，同時對約束條件較多的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)保證介質(zhì)的表面溫度在20℃以上，混凝土實(shí)體的顯著特征是后期開裂風(fēng)險(xiǎn)較大。解決開裂的關(guān)鍵在于在混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用道床板，對比內(nèi)養(yǎng)護(hù)混凝土的材料占比對混凝土配置進(jìn)行調(diào)整。并對混凝土配置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在混凝土勻質(zhì)性允許的范圍內(nèi)保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)，使得混凝土的抗拉表層強(qiáng)度得到提高。

為了避免低坍落度混凝土在連接處產(chǎn)生氣隙，從而造成連接處緊密度下降，應(yīng)當(dāng)對連接處進(jìn)行二次填充，在混凝土配置參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行振搗，從而降低連接處氣隙的產(chǎn)生概率。均勻地對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行布料，利用對X50 振搗棒，在混凝土結(jié)構(gòu)周圍上下支撐點(diǎn)周圍進(jìn)行振搗和多點(diǎn)測量，二次振搗后更換X30 振搗棒在四周進(jìn)行施工，使用噴霧器與滾刷結(jié)合的方式，嚴(yán)禁使用毛刷進(jìn)行養(yǎng)護(hù)劑平涂。在混凝土表面由上而下均勻連續(xù)操作，噴涂的順序始終保持由一端到另一端進(jìn)行操作，距混凝土表面約30 cm 停滯噴頭施工，噴灑時按順序逐步進(jìn)行。噴涂養(yǎng)護(hù)劑的混凝土表面要保持整潔，避免潮濕。至此，完成了基于三維有限元的混凝土結(jié)構(gòu)施工裂縫控制技術(shù)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)對比試驗(yàn)，應(yīng)用本文方法與兩種傳統(tǒng)方法進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)施工后，對比在同等干燥條件下的混凝土形變收縮值。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在實(shí)驗(yàn)開始前，測試混凝土結(jié)構(gòu)表面的平整程度，將其放置在方格網(wǎng)面積為3 m×3 m 的平臺上，施工前在現(xiàn)場網(wǎng)格點(diǎn)上刷紅漆，在垂直縫上排列網(wǎng)格點(diǎn)保證平行，處理側(cè)面有缺陷的混凝土面板材料，循環(huán)進(jìn)行周邊縫制作，對保護(hù)罩邊緣的止水周邊縫進(jìn)行拆除，利用手提砂輪機(jī)打磨處理結(jié)構(gòu)外漏的錨筋位置。在滲流通道處進(jìn)行預(yù)氧化處理，使得鋼筋被氧化的幾率較低。整修變形的位置即焊接止水破損的位置。在銅止水鼻腔左右進(jìn)行周邊保護(hù)罩施工，對澆筑混凝土面板和邊墻脫空的情況進(jìn)行檢查，避免出現(xiàn)混凝土墻面空鼓開裂，磨平水泥砂漿，把混凝土開裂部分鑿除。經(jīng)過現(xiàn)場測量后，對誤差在5 cm 以上的法線進(jìn)行打鑿，補(bǔ)填缺失部分的墻面。澆筑前先對混凝土面板進(jìn)行測量，對擠壓墻表面出現(xiàn)開裂的地方，使用高壓的風(fēng)槍進(jìn)行處理。完成墻面清理后，在距離為15 m 左右的位置進(jìn)行防護(hù)，防止二次污染瀝青面。利用瀝青進(jìn)行乳化噴涂，設(shè)定噴涂的順序，同時針對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行從左至右的噴涂，保證涂層的厚度在1 mm 范圍之內(nèi)。單位倉號是噴涂的主要范圍，在噴涂測量范圍內(nèi)，進(jìn)行鋼筋樁標(biāo)記，以6 m 為單位進(jìn)行豎直打樁。對測量結(jié)果的位置進(jìn)行標(biāo)記，同時在表面平整度≤2 mm范圍內(nèi)進(jìn)行鋼筋樁的調(diào)整。間隔位置偏差保證在5 mm 范圍內(nèi)。調(diào)整止水位置，對施工環(huán)境的側(cè)模位置進(jìn)行規(guī)劃，以保證后續(xù)施工不受滑模干擾?；炷两Y(jié)構(gòu)施工后，在相同干燥條件下每隔1 h 分別對3種方法的混凝土形變收縮值進(jìn)行測量，共計(jì)10 組測量結(jié)果。

2.2 對比干燥條件下混凝土的形變收縮值

傳統(tǒng)方法1、傳統(tǒng)方法2 與基于三維有限元的混凝土結(jié)構(gòu)施工裂縫控制技術(shù)中混凝土的形變收縮值結(jié)果見表1。

表1 相同干燥條件下混凝土的形變收縮值 mm

分析表1 中數(shù)據(jù)可知，相同干燥條件下混凝土的形變收縮值不同，在10 組實(shí)驗(yàn)中，本文方法的收縮值最小，傳統(tǒng)方法1 和傳統(tǒng)方法2 的收縮值均遠(yuǎn)高于本文方法，由此證明，本文方法對于混凝土結(jié)構(gòu)施工裂縫控制效果更好，證明了基于三維有限元的混凝土結(jié)構(gòu)施工裂縫控制技術(shù)更具有實(shí)用價(jià)值。

3 結(jié)語

綜上所述，首先通過理論分析說明了基于三維有限元的混凝土結(jié)構(gòu)施工裂縫控制技術(shù)的有效性，并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的實(shí)際應(yīng)用效果。通過本文研究，使得混凝土的抗裂實(shí)體結(jié)構(gòu)更加緊實(shí)，讓混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性得到提高。本文研究雖然取得一定成果，但還存在不足之處，下一步應(yīng)當(dāng)從結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行理論計(jì)算，為室內(nèi)確定混凝土配置參數(shù)提供理論依據(jù)。探索高吸水樹脂在混凝土中應(yīng)具有的理想空間分布情況，并綜合各方面的性能指標(biāo)如強(qiáng)度、抗?jié)B性、干縮等，最后得出最佳的混凝土配比比例。