大體積膨脹混凝土水化熱實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬研究

楊智誠(chéng),楊永民*,紀(jì)憲坤,徐可,王海龍

（1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，廣東廣州510225；2. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院廣東省嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠色建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510225；3. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院可持續(xù)建筑與節(jié)能研究所，廣東廣州510225；4. 武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北武漢430000）

大體積混凝土施工澆筑過(guò)程中會(huì)發(fā)生水化熱反應(yīng)釋放熱量，混凝土受到溫度應(yīng)力作用而發(fā)生開(kāi)裂，進(jìn)而發(fā)展成為有害的結(jié)構(gòu)裂縫［1-3］。為了減緩水化熱對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的危害作用，研究學(xué)者提出了不同的處理方法。朱伯芳［4］提出，在水泥中摻入適量氧化鎂后會(huì)產(chǎn)生一定膨脹變形，這可補(bǔ)償一部分溫度應(yīng)力，從而簡(jiǎn)化大壩溫度控制措施，加快施工速度。陳煒一等［5］通過(guò)改變粉煤灰在膠凝材料中的占比及水化熱抑制劑的摻量，研究了膠凝材料的水化過(guò)程及混凝土的絕熱溫升、力學(xué)性能和干燥收縮特性，結(jié)果表明在含有粉煤灰的膠凝材料中水化熱抑制劑可顯著降低膠凝材料的放熱速率峰值和延后放熱峰的出現(xiàn)時(shí)間。郭成成等［6］在管廊混凝土中使用了鎂質(zhì)膨脹劑以補(bǔ)償混凝土在溫降時(shí)的收縮，避免了混凝土管廊開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，通過(guò)抑制水化熱反應(yīng)或補(bǔ)償溫度變形能夠有效地控制大體積混凝土中裂縫的形成。

對(duì)于不同條件下大體積混凝土的水化熱問(wèn)題，研究學(xué)者及工程技術(shù)人員開(kāi)展了廣泛的研究［7-10］。Yang 等［11］基于熱傳導(dǎo)方程提出，采用冷卻水管和混凝土水化熱的大體積混凝土有限元分析方法，能夠有效地模擬大體積混凝土的溫度變化。賀云等［12］采用線單元解耦算法對(duì)索塔承臺(tái)混凝土不同澆筑方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分析澆筑厚度、冷卻水及冷卻水溫度對(duì)混凝土溫度、應(yīng)力的影響，以確定合適的混凝土澆筑及溫控方案。耿鳴山等［13］采用MIDAS/FEA軟件建立有限元模型，通過(guò)水化熱分析得出大體積混凝土承臺(tái)澆筑后的溫度應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)對(duì)比了無(wú)管冷與有管冷的承臺(tái)混凝土水化熱的發(fā)展規(guī)律。李澤江等［14］采用溫度監(jiān)測(cè)與有限元分析軟件ANSYS 相結(jié)合的方式，分析承臺(tái)混凝土內(nèi)部溫度及應(yīng)力場(chǎng)的分布與變化規(guī)律。王瓊等［15］采用CFD 方法對(duì)承臺(tái)混凝土澆筑后的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，并與工程實(shí)測(cè)進(jìn)行了對(duì)比分析。陳偉等［16］采用氧化鎂膨脹劑配置補(bǔ)償收縮混凝土，并結(jié)合原材料優(yōu)選、施工及養(yǎng)護(hù)相關(guān)的裂縫控制措施，可整體性提高大體積混凝土筏形基礎(chǔ)抗裂及防水性能。紀(jì)憲坤等［17］通過(guò)溫度-應(yīng)力試驗(yàn)研究了鈣質(zhì)和鎂質(zhì)膨脹劑（Type-CaO 和Type-MgO）對(duì)混凝土早期抗開(kāi)裂性能的影響，結(jié)果表明鎂質(zhì)膨脹劑相比鈣質(zhì)膨脹劑可以明顯提高混凝土的早期抗開(kāi)裂性能。丘新溪等［18］對(duì)沉管大體積混凝土水化熱進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明沉管大體積混凝土溫度與熱交換系數(shù)呈負(fù)相關(guān)，與混凝土的入模溫度和環(huán)境溫度呈正相關(guān)。王祥國(guó)等［19］采用有限元軟件MIDAS/FEA，分析了冷管布置、入水流量、入水溫度與通水時(shí)間等因素對(duì)拱橋拱座內(nèi)部水化熱冷卻效果的影響。

針對(duì)某質(zhì)子腫瘤治療中心項(xiàng)目的大體積膨脹混凝土水化熱問(wèn)題，以大體積膨脹混凝土為研究對(duì)象，采用模型實(shí)驗(yàn)和MIDAS/FEA 有限元仿真，研究大體積膨脹混凝體澆筑后的水化熱反應(yīng)過(guò)程，分析混凝土在水化熱反應(yīng)后的溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)特點(diǎn)，得出混凝土在澆筑后的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，為工程項(xiàng)目施工提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 工程概況及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

依托某質(zhì)子腫瘤治療中心建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)展研究，該項(xiàng)目總建筑面積35 062 m2，其中地面上層的面積有20 531 m2，地下3 層的面積為14 531 m2。地下三層為質(zhì)子治療中心、人防、設(shè)備機(jī)房等，其中質(zhì)子治療中心劃分為南側(cè)質(zhì)子區(qū)（混凝土量23 645.67 m3）和北側(cè)非質(zhì)子區(qū)（混凝土量11 200 m3），質(zhì)子區(qū)厚墻和厚板較多，均為大體積混凝土，且多為超高支模。本工程對(duì)質(zhì)子區(qū)結(jié)構(gòu)施工精度要求高，最大要求為平整度施工誤差小于2 mm·m?1，對(duì)混凝土抗裂性要求高，質(zhì)子區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)細(xì)微裂縫。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)質(zhì)子區(qū)大體積混凝土的特點(diǎn)和要求，選取質(zhì)子區(qū)的最厚尺寸墻體作為模擬對(duì)象，設(shè)計(jì)大體積膨脹混凝土模型為4.68 m×4.68 m×4.68 m 立方體，下設(shè)5.18 m×5.18 m×0.2 m 混凝土底板，選用C35P10 混凝土、SY-G 型高性能膨脹抗裂劑和SYKS 多功能抗侵蝕防腐劑等材料進(jìn)行混凝土制備。其中，SY-G 型高性能膨脹抗裂劑是一種新型高性能混凝土膨脹抗裂劑，對(duì)混凝體早期、中期和后期收縮均有良好的補(bǔ)償作用，可以維持混凝土自始至終的體積穩(wěn)定，避免混凝土的開(kāi)裂。設(shè)計(jì)的混凝土配合比列于表1，其中SY-G 為內(nèi)摻8.4%，SY-KS 為外摻8.4%，測(cè)試混凝土坍落度為180±20 mm。使用HRB400 鋼筋對(duì)混凝土模型雙向配筋，其中外層雙向C25@150 共2 層，內(nèi)層雙向C12@150 共11 層，并預(yù)埋機(jī)電管線。

表1 混凝土配合比Table 1 Proportion of concrete /(kg·m?3)

設(shè)定混凝土模型在對(duì)稱位置具有相同的性能變化，故混凝土中的測(cè)點(diǎn)僅在1/4 模型中布置?；炷聊Ｐ椭泄苍O(shè)11 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)和6 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，并在鋼筋綁扎過(guò)程中將溫度傳感器和VWS-15 振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)固定在不同的測(cè)點(diǎn)位置，且溫度傳感器和應(yīng)變計(jì)在相同位置處的編號(hào)相同，如圖1 所示。距模型底面以上50 mm 處平面內(nèi)布置溫度傳感器測(cè)點(diǎn)3 個(gè)，分別標(biāo)記為3#，10#和11#；沿模型高度方向且1/2 高度處平面內(nèi)，分別布置溫度傳感器測(cè)點(diǎn)5個(gè)和應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)5 個(gè)，標(biāo)記為1#，4#，5#，6#和7#；距模型頂面以下50 mm 處平面內(nèi)布置溫度傳感器測(cè)點(diǎn)3 個(gè)，分別標(biāo)記為2#，8#和9#及應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)1個(gè)為2#。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout scheme of measuring points

1.2 混凝土澆注與測(cè)試

由于實(shí)驗(yàn)時(shí)天氣較為炎熱，混凝土澆注時(shí)的入模溫度控制在30 ℃以下，并記錄實(shí)際入模溫度?；炷翝沧⒉捎锰毂脻仓?，混凝土總量約103 m3，一次澆筑完成。澆筑時(shí)，直接使用天泵下料管澆筑，一次下料厚度控制在300~400 mm。沿高度分3 層進(jìn)行間歇澆筑，高度分別為1.5、1.5 和1.68 m，間歇時(shí)間約2 h，在下層混凝土初凝前澆筑上層混凝土，確保澆筑密實(shí)、增加散熱機(jī)會(huì)且防止爆模。振搗時(shí)，插入到下層尚未初凝的混凝土中約50~100 mm，同時(shí)檢查模板是否空鼓，若出現(xiàn)空鼓使用振搗棒在外側(cè)模板振搗，澆注完成的大體積混凝土模型如圖2 所示。

圖2 大體積混凝土Fig.2 Mass concrete

溫度測(cè)點(diǎn)在混凝土澆筑表面抹面完成后立即開(kāi)始測(cè)溫，應(yīng)變計(jì)自混凝土澆筑至相應(yīng)測(cè)點(diǎn)后開(kāi)始，1~4 天的測(cè)溫時(shí)間間隔為2 h，5~8 天的測(cè)溫時(shí)間間隔為4 h，其后為8 h。當(dāng)內(nèi)部溫度高于60 ℃時(shí)，測(cè)溫時(shí)間間隔為1 h，直至溫度不再升高時(shí)采用原測(cè)溫頻率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 溫度場(chǎng)結(jié)果

圖3 為大體積膨脹混凝土水化熱過(guò)程中溫度測(cè)定點(diǎn)和環(huán)境（HJ）溫度的變化情況。從圖3 可以看出，混凝土的入模溫度基本控制在30 ℃以下，混凝土終凝后模型溫度變化可分為3 個(gè)階段，分別為急劇升溫階段、緩慢升溫階段和降溫階段。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中1#測(cè)點(diǎn)、2#測(cè)點(diǎn)、4#測(cè)點(diǎn)、5#測(cè)點(diǎn)及7#測(cè)點(diǎn)測(cè)得的最高溫度分別為65.1、56.3、63.5、51.0 和53.5 ℃，其中1#測(cè)點(diǎn)及4#測(cè)點(diǎn)距離表面的距離分別為2.34 和1.17 m，由于內(nèi)部水化熱不易散發(fā)，其溫度變化基本不受外界環(huán)境變化的影響，降溫小于2 ℃/天。此外，1#測(cè)點(diǎn)及2#測(cè)點(diǎn)到達(dá)溫度峰值分別歷時(shí)118 和38.6 h，表明距離中心越遠(yuǎn)，到達(dá)溫度峰值所需時(shí)間越短且溫度峰值越低。

圖3 水化熱溫度變化Fig.3 Temperature variation of hydration heat

圖4 為混凝土模型內(nèi)外溫度變化的情況。從圖4 可以看出：1#測(cè)點(diǎn)與2#測(cè)點(diǎn)的溫度差始終低于25 ℃，這是由于模型頂面采取了薄膜覆蓋、彩膠布遮擋和蓄水養(yǎng)護(hù)等保溫措施；在233.2~258.7 h 期間，1#測(cè)點(diǎn)與7#測(cè)點(diǎn)溫差大于25 ℃，這是由于現(xiàn)場(chǎng)僅采取灑水養(yǎng)護(hù)無(wú)保溫措施，模型內(nèi)部存在較大溫度梯度，具有一定開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 混凝土內(nèi)外溫度差Fig.4 Temperature difference between inside and outside of concrete

圖5 為混凝土模型表面溫度與環(huán)境溫度的溫差變化。從圖5 可以看出，2#測(cè)點(diǎn)及7#測(cè)點(diǎn)分別在156.6 和160.6 h 后與環(huán)境溫度差別小于20 ℃并逐漸降低趨于穩(wěn)定，而混凝土拆模時(shí)間在209.1 h 左右，拆模后混凝土表面溫度與環(huán)境溫度相近，混凝土表面開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)低。

圖5 混凝土表面溫度與環(huán)境溫度差Fig.5 Temperature difference between surface of concrete and environment

2.2 應(yīng)變場(chǎng)結(jié)果

圖6 為混凝土內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化情況。從圖6 可以看出，摻加SY-G 型高性能膨脹抗裂劑，混凝土的應(yīng)變變化為應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)、應(yīng)變降低并趨于穩(wěn)定，應(yīng)變最大值范圍為173.93~370.7 μm，其中側(cè)面和頂面中心測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)階段為明顯的快速增長(zhǎng)和緩慢增長(zhǎng)?；炷林懈鼽c(diǎn)因約束程度、溫濕度情況不同，各時(shí)間段應(yīng)變存在一定差別，距離中心越遠(yuǎn)應(yīng)變?cè)降?。隨著混凝土水化熱反應(yīng)趨于穩(wěn)定，混凝土內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變基本保持穩(wěn)定，并且無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生。這是由于SY-G 型高性能膨脹抗裂劑的主要成分為硫鋁酸鈣（CAS）和鋁酸鈣（CA），其中CA 活性高、水化速度快，它與CaSO4水化生成的鈣礬石作為早期膨脹源可以補(bǔ)償混凝土硬化初期的自生收縮、水化熱溫升引起的冷縮和部分的干縮，避免混凝土因收縮發(fā)生開(kāi)裂。

圖6 混凝土應(yīng)變變化Fig.6 Strain variations of concrete

3 數(shù)值仿真分析

采用MIDAS/FEA 有限元軟件建立大體積膨脹混凝土的1/4 對(duì)稱模型，設(shè)置模型邊界條件分別為底板固定約束、模型對(duì)稱約束、混凝土與空氣對(duì)流邊界和底板與基礎(chǔ)絕熱邊界，大體積混凝土有限元模型如圖7 所示?；炷恋南嚓P(guān)材料參數(shù)列于表2。

圖7 大體積混凝土有限元模型Fig.7 Finite element model of bulk concrete

表2 材料參數(shù)Table 2 Material parameters

依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行水化熱分析，設(shè)置初始溫度為28 ℃，混凝土一次澆注完成，測(cè)點(diǎn)選取與實(shí)驗(yàn)一致。圖8 為混凝土澆注后100 h 的溫度云圖。從圖8 可見(jiàn)，中心部分溫度較高，表面溫度較低。經(jīng)分析可知，中心最大溫度為63 ℃，表面最低溫度為30 ℃。

圖8 第100 h 的溫度云圖Fig.8 Temperature field at 100 h

圖9 為1#測(cè)點(diǎn)溫度及應(yīng)變的有限元結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖9 可以看出：有限元水化熱分析給出的混凝土中心溫度變化結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合非常好（圖9（a））；但對(duì)于應(yīng)變結(jié)果而言存在一定的誤差（圖9（b）），有限元得出的最大應(yīng)變?yōu)?00 μm，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果為370 μm，絕對(duì)誤差為18.9%，這是因?yàn)橛邢拊治鲋形茨芡耆紤]膨脹劑的收縮補(bǔ)償。

圖9 有限元與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.9 Comparison of FE and test results

4 結(jié)論

依托某質(zhì)子腫瘤治療中心建設(shè)項(xiàng)目，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真分析研究了大體積膨脹混凝土的水化熱效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：大體積混凝土的水化熱反應(yīng)經(jīng)歷了急劇升溫、緩慢升溫和降溫三個(gè)階段，混凝土中心的最高溫度達(dá)到65.1 ℃；在水化熱反應(yīng)過(guò)程中，混凝土的應(yīng)變變化從增長(zhǎng)到下降最后達(dá)到穩(wěn)定，且最大應(yīng)變達(dá)到370 μm。在混凝土中摻加SY-G 型高性能膨脹抗裂劑補(bǔ)償混凝土的收縮，未見(jiàn)混凝土產(chǎn)生危害性裂縫，滿足工程抗裂要求。通過(guò)有限元分析得出的混凝土溫度結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，表明有限元分析能夠較好地預(yù)測(cè)大體積混凝土水化熱反應(yīng)的溫度場(chǎng)變化。然而，有限元分析得出的混凝土應(yīng)變結(jié)果與實(shí)驗(yàn)存在一定誤差，絕對(duì)誤差為18.9%，這是由于有限元分析中未能完全考慮膨脹劑的收縮補(bǔ)償作用造成的。