溫度荷載下劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻抗裂性能

崔雙雙，陳潤，陳艷，陳偉宏，王志東

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116)

隨著大規(guī)模的地下工程建設(shè)，地下結(jié)構(gòu)的側(cè)墻(簡稱地下側(cè)墻)開裂現(xiàn)象不斷增多[1-2]。由于地下側(cè)墻的開裂不僅會嚴(yán)重影響地下結(jié)構(gòu)的耐久性，且修復(fù)難度大、費(fèi)用高，因此對地下側(cè)墻進(jìn)行抗裂研究尤為重要。

為控制地下側(cè)墻裂縫的產(chǎn)生，國內(nèi)外學(xué)者利用粉煤灰等礦物摻合料來降低水泥摻量，以此控制結(jié)構(gòu)水化熱，提高混凝土的抗裂能力[3-4]。但由于不同工程條件各異，不能保證材料在不同工程中能夠發(fā)揮可靠的抗裂作用。此外，在混凝土中加入膨脹劑會降低混凝土的收縮和由此產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力[5]，膨脹劑的用量難以控制，混凝土的開裂效果也不易保證。為此，需要尋找一種可靠、有效的建筑材料以解決地下側(cè)墻的開裂問題。

工程水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites，簡稱ECC)是基于微觀力學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種高延展性材料[6]，其拉伸應(yīng)變可達(dá)到3%～7%，是普通混凝土的300倍[7-8]。ECC優(yōu)異的控裂性能有利于其在地下結(jié)構(gòu)抗裂工程中的應(yīng)用，采用綠色環(huán)保價(jià)格低的劍麻纖維替換ECC中傳統(tǒng)的增韌材料聚乙烯醇纖維，可降低成本[9-10]，且能夠滿足地下側(cè)墻的工作性質(zhì)及力學(xué)性能要求，具有良好的發(fā)展前景。

對于地下側(cè)墻，溫度及收縮變形是引起其開裂的主要因素，一般情況下，地下側(cè)墻的溫度變形主要由水泥水化溫升引起，而收縮變形可通過轉(zhuǎn)化為當(dāng)量溫差來考慮。為探討將劍麻纖維-ECC應(yīng)用于地下側(cè)墻的抗裂效果，本文采用課題組前期研制出的性能優(yōu)良的劍麻纖維-ECC材料配合比及其物理力學(xué)性能參數(shù)，借助ANSYS有限元軟件，進(jìn)行溫度荷載作用下劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻及普通混凝土地下側(cè)墻的熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真分析。

1 地下側(cè)墻模型建立

采用文獻(xiàn)[11]中經(jīng)過實(shí)際工程驗(yàn)證過準(zhǔn)確性的普通地下側(cè)墻ANSYS有限元建模方法，再現(xiàn)文獻(xiàn)[11]中的普通混凝土地下側(cè)墻模型，驗(yàn)證再現(xiàn)模型的準(zhǔn)確性，然后將再現(xiàn)模型中的普通混凝土材料參數(shù)換成劍麻纖維-ECC材料參數(shù)，并根據(jù)混凝土溫度場[12]及溫度-收縮應(yīng)力[13]的計(jì)算原理，對新型地下側(cè)墻的溫度收縮應(yīng)力分析。本文考慮了溫度變形(水泥水化放熱引起)和收縮變形對劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻的開裂影響，這兩個引起側(cè)墻開裂的變形因素與文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)一致。普通地下側(cè)墻模型再現(xiàn)及準(zhǔn)確性驗(yàn)證可歸納為6個步驟：(1)選取算例與計(jì)算參數(shù)；(2)提出基本假定；(3)荷載選??；(4)確定邊界條件及初始條件；(5)普通側(cè)墻模型建立；(6)再現(xiàn)模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證。

1.1 普通地下側(cè)墻模型建立

1.1.1 算例的工程概況及計(jì)算參數(shù)

某工程地下側(cè)墻基本情況：總長36 m，墻厚0.4 m，墻高4.2 m。澆筑厚度為1 m的基礎(chǔ)底板與高度0.4 m的墻體(吊模段)；14 d后開始澆筑3.8 m高的墻主體部分；墻主體部分澆筑3 d后，拆除20 mm厚的模板，拆模后發(fā)現(xiàn)地下側(cè)墻出現(xiàn)豎向?qū)挾葹?.2～0.3 mm的貫穿裂縫(寬度超過0.1 mm的裂縫會滲漏水)。

在上述工程中，將強(qiáng)度等級為C40普通混凝土用于地下側(cè)墻的有限元計(jì)算，建模中考慮了模板對溫度場的影響(有限元中模板采用生死單元)，建模完成后將C40混凝土的相關(guān)參數(shù)替換成劍麻纖維-ECC的材料參數(shù)，之后分析側(cè)墻的收縮應(yīng)力。分析收縮應(yīng)力時，需考慮的參數(shù)包括側(cè)墻材料的配合比(見表1)，材料的熱學(xué)性能(見表2)和力學(xué)性能(見圖1及表3)。力學(xué)性能包括3個隨齡期變化的因素：結(jié)構(gòu)的彈性模量、泊松比與抗拉強(qiáng)度。其中不同齡期的材料彈性模量、抗拉強(qiáng)度分別由公式(1)(2)計(jì)算得到。

表3 側(cè)墻材料的力學(xué)性能

圖1 拉應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

表1 側(cè)墻材料配合比

表2 側(cè)墻材料熱學(xué)性能

E(i)=E0(1-exp(-0.09×i))

(1)

式中，i為齡期，d；E0為材料28 d后測得的彈性模量，kN·mm-1。

(2)

式中，Rf(i)為不同齡期的材料抗拉強(qiáng)度,MPa；i為齡期，d；Rf0為28 d后測試的材料抗拉強(qiáng)度，MPa。

1.1.2 基本假定與荷載選取

影響地下側(cè)墻開裂的因素很多，故在有限元分析計(jì)算中使用如下假定：在彈性變形的范圍內(nèi)，側(cè)墻材料是各向同性的均質(zhì)材料；在靜力及溫度作用條件下，側(cè)墻材料處于彈性變形范圍內(nèi)；地下側(cè)墻均勻地收縮變形，基礎(chǔ)底板的收縮變形在前期基本完成；側(cè)墻材料的特性不隨溫度發(fā)生改變；不考慮框架柱及鋼筋對地下側(cè)墻的影響。

地下側(cè)墻在施工期間主要受到溫度荷載、結(jié)構(gòu)自重以及結(jié)構(gòu)收縮變形產(chǎn)生的荷載作用。其中，由于地下側(cè)墻不高，因此可忽略墻體自重引起的橫向膨脹變形，而收縮變形產(chǎn)生的荷載可轉(zhuǎn)化為溫度荷載。

1.1.3 確定邊界條件及初始條件

在分析地下側(cè)墻溫度場時，基礎(chǔ)底板的底部和側(cè)面、側(cè)墻的對稱截面均采用絕熱狀態(tài)；基礎(chǔ)底板上部、側(cè)墻頂部同空氣接觸；另外，按照拆模前后與空氣接觸邊界的不同，分為木模板表面與空氣熱對流邊界條件和側(cè)墻材料光滑表面與空氣熱對流邊界條件。在分析地下側(cè)墻應(yīng)力時，由于與側(cè)墻主體部分和基礎(chǔ)底板相比，頂板的厚度較薄，因此可以認(rèn)為墻主體部分與頂板的變形是同步的，由于本工程地下側(cè)墻拆除模板時還未澆筑頂板結(jié)構(gòu)，故認(rèn)為墻體上端自由無約束；此外，基礎(chǔ)底板的底部為固定約束，側(cè)墻的對稱截面以及基礎(chǔ)底板的側(cè)面給予垂直于該表面的位移約束。

由于本文以地下側(cè)墻為研究對象，可假定施工期間的氣溫恒定，環(huán)境溫度保持在22.92 ℃?；A(chǔ)底板的初始溫度為環(huán)境溫度，側(cè)墻材料的初始溫度設(shè)定為澆筑溫度(25 ℃)；側(cè)墻澆筑3 d后，拆除木模板，側(cè)墻材料在澆水養(yǎng)護(hù)期間，其表面因風(fēng)速影響，放熱系數(shù)為1 296 kJ/(m2·d·℃)，木模板的對流系數(shù)為1 164 kJ/(m2·d·℃)。

1.1.4 普通側(cè)墻模型再現(xiàn)及準(zhǔn)確性驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的建模方法，采用ANSYS 18.2有限元分析軟件對地下側(cè)墻溫度收縮應(yīng)力進(jìn)行分析。由于地下側(cè)墻為對稱結(jié)構(gòu)，因此計(jì)算模型按照對稱條件進(jìn)行選取，即選取二分之一的側(cè)墻進(jìn)行溫度收縮應(yīng)力分析。規(guī)定沿地下側(cè)墻墻體長度、高度和寬度方向分別為x軸、y軸和z軸，則側(cè)墻的幾何尺寸為 18 m × 4.2 m × 0.4 m，其中0.4 m高的墻體與基礎(chǔ)底板一同澆注(即吊模段高0.4 m)，基礎(chǔ)底板的幾何尺寸為18 m × 1 m × 2.4 m。模型采用熱-結(jié)構(gòu)間接耦合計(jì)算的方式，分別選用 SOLID 70(熱單元)與 SOLID 45(結(jié)構(gòu)單元)，單元網(wǎng)格的劃分長度為0.2 m。

將有限元模擬得出的溫度收縮應(yīng)力結(jié)果與彈性力學(xué)公式推導(dǎo)的結(jié)果進(jìn)行對比，兩者得出的規(guī)律具有一致性，且裂縫分布與實(shí)際工程相吻合。圖2給出了側(cè)墻模型驗(yàn)證，通過圖2可知，本文再現(xiàn)的模型基本與文獻(xiàn)[11]中的模型相吻合，本文再現(xiàn)模型的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證。

圖2 側(cè)墻模型驗(yàn)證

1.2 劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻模型建立

將再現(xiàn)模型中的普通混凝土材料參數(shù)換成劍麻纖維-ECC材料參數(shù)，具體參數(shù)見表1～表3，其他條件(側(cè)墻尺寸、荷載選取、邊界條件及初始條件等)均與普通側(cè)墻相同，并在原有的基本假定處多加一條假定：對于劍麻纖維-ECC材料，不考慮劍麻纖維與水泥基之間的黏結(jié)滑移。最終，得到劍麻纖維-ECC新型地下側(cè)墻模型。

2 地下側(cè)墻溫度場分析

2.1 劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻溫度場變化規(guī)律分析

圖3給出了劍麻纖維-ECC側(cè)墻澆筑1 d后溫度場示意圖。以側(cè)墻中央節(jié)點(diǎn)為代表性節(jié)點(diǎn)(x=0,y=3.3,z=-0.2)，繪制了該節(jié)點(diǎn)溫度隨齡期變化的關(guān)系曲線，見圖4。

圖3 劍麻纖維-ECC側(cè)墻澆筑1 d后截面的溫度場

圖4 新型側(cè)墻中央節(jié)點(diǎn)處溫度-齡期關(guān)系曲線

由圖3(a)可知，沿地下側(cè)墻長度方向(即x方向)，在同一水平高度處，地下側(cè)墻的溫度基本沒有發(fā)生改變。由圖3(b)可知，沿地下側(cè)墻厚度方向，側(cè)墻中央位置處溫度最高，側(cè)墻內(nèi)側(cè)面與外側(cè)面溫度相對較低；沿側(cè)墻高度方向，側(cè)墻中央位置處溫度最高，側(cè)墻主體部分與吊模交接處、側(cè)墻頂部溫度相對較低。總的來說，因?yàn)榈叵聜?cè)墻較薄，所以溫度沿墻體厚度方向的變化不大，墻體截面的溫度等值線呈對稱的橢圓狀分布。

由圖4可知，從劍麻纖維-ECC材料澆筑開始，劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻的溫度場經(jīng)歷了溫升、溫降及趨于室溫3個階段。3個階段的地下側(cè)墻溫度場變化規(guī)律如下：

(1)溫升階段：在地下側(cè)墻澆筑后，劍麻纖維-ECC開始釋放大量水化熱，此時水化產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量，使得劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻溫度快速升高；由有限元溫度場計(jì)算結(jié)果可知，劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻在2 d 時達(dá)到了最高溫度(51.99 ℃)，在溫度上升階段，地下側(cè)墻的中心溫度受環(huán)境溫度的影響并不明顯。

(2)溫降階段：地下側(cè)墻溫度存在最高峰值，當(dāng)?shù)竭_(dá)最高峰值后側(cè)墻溫度開始下降，在第3 d拆模后，溫降速率變快，此時劍麻纖維-ECC材料表面放熱系數(shù)急劇增大，地下側(cè)墻的溫度受環(huán)境溫度的影響較為明顯。

(3)穩(wěn)定階段：隨著時間的推進(jìn)，側(cè)墻水化熱減小且墻體散失熱量較多，最終側(cè)墻溫度趨于環(huán)境溫度。

2.2 不同地下側(cè)墻溫度場的對比分析

以側(cè)墻中央節(jié)點(diǎn)(x=0,y=3.3,z=-0.2)為代表性節(jié)點(diǎn)，將ANSYS計(jì)算得到的不同側(cè)墻中央節(jié)點(diǎn)的各齡期溫度值列于表4。

表4 劍麻纖維-ECC與普通C40混凝土地下側(cè)墻中央節(jié)點(diǎn)的各齡期溫度值對比

由表4可知，劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻溫度峰值(52 ℃)較普通混凝土的溫度峰值(43.8 ℃)高，且劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻出現(xiàn)溫度峰值的時間(第2天)較普通混凝土側(cè)墻溫度峰值出現(xiàn)的時間(第1天)滯后。這是由于劍麻纖維-ECC屬于輕質(zhì)新型材料，其密度約為2 200 kg/m3，小于普通混凝土密度2 400 kg/m3，造成劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻絕熱升溫值高于普通混凝土側(cè)墻；且劍麻纖維-ECC側(cè)墻中水泥摻量多于普通混凝土側(cè)墻，所以劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻水化熱多于普通混凝土側(cè)墻，而且劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻峰值溫度要高于普通混凝土側(cè)墻。此外，由于劍麻纖維-ECC的導(dǎo)熱系數(shù)較普通混凝土小，較低的熱傳遞率使得墻體保溫效果較好，導(dǎo)致劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻溫度峰值出現(xiàn)的時間較普通混凝土地下側(cè)墻滯后。

3 地下側(cè)墻應(yīng)力場分析

3.1 劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻應(yīng)力場變化規(guī)律分析

在實(shí)際工程中，地下側(cè)墻出現(xiàn)的裂縫大多數(shù)是豎向裂縫。因此，對沿地下側(cè)墻長度方向的正應(yīng)力σx進(jìn)行分析，圖5給出了劍麻纖維-ECC側(cè)墻澆筑1 d后應(yīng)力場的示意圖。為更加直觀地分析地下側(cè)墻應(yīng)力場，繪制了劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻出現(xiàn)最大拉應(yīng)力處節(jié)點(diǎn)(x=0,y=1.4,z=-0.2即節(jié)點(diǎn)2)的應(yīng)力隨齡期變化關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖5 劍麻纖維-ECC側(cè)墻澆筑1 d后應(yīng)力場

由圖6可知，地下側(cè)墻的σx隨著時間發(fā)生變化。溫升階段，側(cè)墻因產(chǎn)生熱膨脹導(dǎo)致墻體內(nèi)部的σx基本是壓應(yīng)力(拉正壓負(fù))，最大的壓應(yīng)力值位于墻體中部的截面處；自墻體頂部向下，墻體頂面壓應(yīng)力較小，而底部的壓應(yīng)力大，這是由于與空氣接觸的墻體頂面和內(nèi)外兩側(cè)面散熱較快，其溫度變化較小引起的。溫降階段，隨著劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻出現(xiàn)收縮，側(cè)墻內(nèi)的壓應(yīng)力逐漸減小至零，發(fā)展到產(chǎn)生拉應(yīng)力，且?guī)缀跛笑襵全轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力；沿側(cè)墻長度方向，端部應(yīng)力逐漸減小，墻體中間(即截面X=0處)產(chǎn)生應(yīng)力最大值；沿墻體厚度方向，應(yīng)力等值線呈對稱的橢圓狀分布，即中間部位拉應(yīng)力大，兩端墻面拉應(yīng)力較??；沿墻體高度方向，墻體底部因受到基礎(chǔ)底板約束，拉應(yīng)力較大，墻體頂面應(yīng)力則較小。

圖6 節(jié)點(diǎn)2的應(yīng)力-齡期關(guān)系曲線

3.2 不同地下側(cè)墻應(yīng)力場的對比分析

以側(cè)墻出現(xiàn)最大拉應(yīng)力處的節(jié)點(diǎn)(x=0,y=1.4,z=-0.2，即節(jié)點(diǎn)2)為代表性節(jié)點(diǎn)，將ANSYS計(jì)算得到的不同側(cè)墻的節(jié)點(diǎn)2處各齡期溫度收縮應(yīng)力值列于表5。

由表5可知，劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻峰值拉應(yīng)力(1.20 MPa)低于普通混凝土地下側(cè)墻峰值拉應(yīng)力(1.25 MPa)。產(chǎn)生的原因是：劍麻纖維-ECC的彈性模量(27.460 kN/mm2)明顯低于普通混凝土彈性模量(32.500 kN/mm2)，材料的彈性模量小，能夠產(chǎn)生較大的徐變，對于構(gòu)件中受約束的水泥基材料，尤其是對初齡期水泥基材料，徐變能夠松弛其大部分的拉應(yīng)力，對降低地下側(cè)墻早期開裂危險(xiǎn)性起到極其重要的作用。對普通鋼筋構(gòu)件，側(cè)墻的徐變能消除結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度收縮應(yīng)力，減少結(jié)構(gòu)的開裂現(xiàn)象；對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，側(cè)墻的徐變會使預(yù)應(yīng)力損失增加。

表5 劍麻纖維-ECC與普通C40混凝土地下側(cè)墻節(jié)點(diǎn)2處各齡期溫度收縮應(yīng)力值對比

圖7給出了節(jié)點(diǎn)2各齡期的應(yīng)力與材料抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線，不同側(cè)墻材料各齡期的抗拉強(qiáng)度值分別列于表6。

表6 劍麻纖維-ECC與普通C40混凝土各齡期的抗拉強(qiáng)度值對比

圖7 節(jié)點(diǎn)2各齡期的應(yīng)力與材料抗拉強(qiáng)度關(guān)系曲線

由圖7可知，當(dāng)側(cè)墻節(jié)點(diǎn)應(yīng)力曲線低于材料抗拉強(qiáng)度曲線時，地下側(cè)墻不開裂；當(dāng)側(cè)墻節(jié)點(diǎn)應(yīng)力曲線與材料抗拉強(qiáng)度曲線相交時，在交點(diǎn)對應(yīng)時刻地下側(cè)墻開裂?？梢?，在相同施工條件下，采用普通混凝土的地下側(cè)墻發(fā)生了開裂，采用劍麻纖維-ECC的地下側(cè)墻不開裂；將劍麻纖維-ECC材料用于地下側(cè)墻結(jié)構(gòu)時，其控裂性能要好于普通C40混凝土，能夠減小地下側(cè)墻的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻根據(jù)環(huán)境溫度不同的施工優(yōu)化

在實(shí)際工程中，隨著地下側(cè)墻澆筑的季節(jié)不同，側(cè)墻所處的環(huán)境溫度有所不同，而在不同的環(huán)境溫度下，劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻的控裂情況可能會發(fā)生改變，本文分析了不同環(huán)境溫度對劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻溫度收縮應(yīng)力的影響。進(jìn)行有限元分析時，除環(huán)境溫度外，地下側(cè)墻的其它熱力學(xué)條件與約束條件都保持不變，將環(huán)境溫度分別設(shè)置為15、25、35 ℃，從而得到不同環(huán)境溫度下地下側(cè)墻溫度收縮應(yīng)力隨時間變化關(guān)系曲線，見圖8。

圖8 節(jié)點(diǎn)2應(yīng)力隨齡期變化曲線

由圖8(a)可知，在環(huán)境溫度較低時(15 ℃)，地下側(cè)墻會因降溫速率較快，形成較大的拉應(yīng)力，造成地下側(cè)墻開裂；由圖8(b)可知，為降低劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻的開裂風(fēng)險(xiǎn)，對該環(huán)境溫度下的劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻可采用降低入模溫度的施工優(yōu)化方法。

4 結(jié)論

1)從澆筑材料開始，劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻溫度場經(jīng)歷了溫升、溫降及趨于室溫3個階段；在劍麻纖維-ECC水化熱引起的溫度上升階段，由于材料受熱膨脹，墻體內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，之后，隨著側(cè)墻溫度降低，劍麻纖維-ECC開始收縮，墻體內(nèi)的壓應(yīng)力逐漸減小至零，并發(fā)展到產(chǎn)生拉應(yīng)力。

2)與普通混凝土相比，劍麻纖維-ECC材料密度小、水泥摻量多、導(dǎo)熱系數(shù)小，因此劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻溫度峰值較普通混凝土地下側(cè)墻的溫度峰值高，且出現(xiàn)溫度峰值的時間較普通混凝土側(cè)墻滯后。

3)劍麻纖維-ECC的低彈模特性能夠有效控制地下側(cè)墻早期裂縫的產(chǎn)生；將劍麻纖維-ECC材料用于地下側(cè)墻結(jié)構(gòu)時，其控裂性能要好于普通C40混凝土，能夠減小地下側(cè)墻的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

4)在環(huán)境溫度較低時，地下側(cè)墻會因降溫速率較快，形成較大的拉應(yīng)力，造成地下側(cè)墻開裂；為降低劍麻纖維-ECC地下側(cè)墻的開裂風(fēng)險(xiǎn)，可采用降低入模溫度的施工優(yōu)化方法。