溫升抑制劑對施工期渡槽溫控防裂影響的有限元分析

阿力木·許克爾 哈斯也提·依米提

(新疆水利發(fā)展投資(集團(tuán))有限公司,新疆 伊寧 835000)

渡槽作為輸水系統(tǒng)中不可缺少的一部分,在水利水電的建設(shè)過程中被廣泛使用。其不僅能解決農(nóng)田灌溉飲水問題,也能緩解因區(qū)域水資源不均而導(dǎo)致的土地荒漠化問題。例如新疆伊犁河南岸修建渠道進(jìn)行飲水灌溉,從而對荒漠化草原地區(qū)進(jìn)行治理和開發(fā)。該引水工程渠線全長168km,承擔(dān)著160萬畝灌區(qū)的輸水任務(wù)和某水電站發(fā)電供水任務(wù),屬于Ⅰ等大(1)型工程,工程主要由1座渠首引水閘、13座節(jié)制閘、32座分水閘、9座退水閘、3座放水閘、2座排冰閘、2座檢修閘、3座事故閘、1座沖沙閘和3座尾水閘、48座跨渠交通橋、6座渡槽組成。工程自2010年通水運行以來,沿線水閘、渡槽等渠系建筑物總體運行良好。

但是渡槽作為大體積薄壁混凝土經(jīng)常會在施工期出現(xiàn)棗核形裂縫[1]。不幸的是,這種裂縫經(jīng)常是貫穿性的結(jié)構(gòu)裂縫,嚴(yán)重破壞了結(jié)構(gòu)的完整型,形成滲水的通道,加速渡槽內(nèi)部鋼筋的銹蝕,危害結(jié)構(gòu)安全。研究表明結(jié)構(gòu)厚度較薄時,混凝土水化放熱將在早齡期混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度,當(dāng)溫度變形受到結(jié)構(gòu)自身或外部約束時,將會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力[2-3]。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時會出現(xiàn)裂縫。

常規(guī)的溫度控制方法,例如采用低熱水泥降低水化放熱量[4]、降低澆筑溫度[5]、增強(qiáng)表面保溫[6]、通水冷卻[7]、外加劑[8]等,都能有效降低結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。但是對于渡槽來說,由于結(jié)構(gòu)厚度較薄,難以布置冷卻水管;若采用商品混凝土將難以通過調(diào)整配合比來降低混凝土水化放熱量。因此在實際工程中,這些方法由于條件限制常常難以有效實施,或者實施難度較大,不便于工程施工。

混凝土水化熱溫升抑制劑作為一種新型的混凝土外加劑,能夠有效抑制混凝土前期水化反應(yīng),從而減緩初期混凝土水化放熱速率[9-10]。這種特性使其可能作為一種潛在的適用于薄壁大體積混凝土溫度控制的混凝土外加劑。其已經(jīng)在部分工程中被使用,證明了其溫度控制的效果[11-12]。但是由于缺乏系統(tǒng)的分析和工程模擬,其在工程中的應(yīng)用仍受到限制。

本文采用有限元數(shù)值模擬的方式,研究溫升抑制劑對于渡槽施工期的溫度場和應(yīng)力場的影響。模擬不同溫升抑制劑摻量的溫控防裂效果,以選擇合適的抑制劑摻量。調(diào)整渡槽結(jié)構(gòu)厚度以及長度,以研究結(jié)構(gòu)厚度和長度對于溫升抑制劑使用效果的影響,從而為溫升抑制劑在工程中的應(yīng)用提供參考和建議。

1 計算模型與參數(shù)

本文采用有限元法對渡槽這種薄壁大體積混凝土施工期的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬,以替代較難實現(xiàn)的試驗研究。依據(jù)朱伯芳[13]提出的大體積混凝土溫度應(yīng)力計算理論,可以較為準(zhǔn)確地求解出早齡期混凝土的不穩(wěn)定溫度場和考慮溫度、徐變、外荷載等影響下的應(yīng)力場。本文通過對有限元軟件ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā),實現(xiàn)了大體積混凝土溫度場和應(yīng)力場模擬,具體實現(xiàn)方法參照王建等[14]的研究。

1.1 計算模型

以簡單的矩形渡槽為例,分析在混凝土中摻入不同質(zhì)量的溫升抑制劑對渡槽施工期溫度場和應(yīng)力場的影響。其中渡槽采用先現(xiàn)場澆筑再進(jìn)行吊裝的傳統(tǒng)施工方式。本文主要考慮現(xiàn)場澆筑時渡槽的溫度場和應(yīng)力場。矩形渡槽斷面見圖1,渡槽的厚度為0.4m,過流斷面的寬度為2.6m,高度為2.6m,渡槽單跨的長度為10.0m。渡槽的底板與側(cè)墻分兩期澆筑,間歇期為15天。同時在底板的中部(P1)和上部(P2)的區(qū)域設(shè)置觀測點,研究特征點的溫度和應(yīng)力變化。

圖1 渡槽斷面示意圖

1.2 計算參數(shù)

常見的水化熱溫升抑制劑由玉米淀粉酸水解制備,添加至混凝土中能夠減緩C—S—H成核的速率,從而減緩混凝土初始水化放熱速率[9-10]。同時C—S—H形成后將非常穩(wěn)定,不受溫升抑制劑的影響,因此混凝土的絕熱溫升終值和最終強(qiáng)度無較大變化[15]。

添加不同含量溫升抑制劑后混凝土的絕熱溫升和彈性模量將會發(fā)生變化。通過擬合陳煒一等[15]的試驗數(shù)據(jù),獲取數(shù)值模擬的基本熱力學(xué)參數(shù)。實驗中溫升抑制劑的摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0%(T0),0.2%(T2),0.4%(T4)和0.6%(T6)。圖2為實驗測得的不同溫升抑制劑摻量的混凝土絕熱溫升曲線,最大溫升速率分別出現(xiàn)在5h、16h、18h和22h。

圖2 添加不同含量溫升抑制劑后混凝土的絕熱溫升實驗值和擬合值

采用雙指數(shù)函數(shù)對實驗結(jié)果進(jìn)行擬合,如圖2所示擬合結(jié)果較好。同時考慮到渡槽的混凝土絕熱溫升較高,而試驗采用的混凝土絕熱溫升較低,為與實際情況相符合,將絕熱溫升終值升高30%。式(1)為模擬時采用的T0、T2、T4和T6混凝土的絕熱溫升(θ/℃)在不同齡期(τ/d)下的擬合函數(shù)。

(1)

依據(jù)陳煒一等[15]測得的混凝土相應(yīng)齡期內(nèi)的彈性模量數(shù)值,采用雙指數(shù)函數(shù)擬合得到彈性模量(E/GPa)隨齡期變化公式:

(2)

依據(jù)試驗采用混凝土配合比和相關(guān)文獻(xiàn)[13],推算出其他熱力學(xué)參數(shù),見表1。

表1 混凝土熱力學(xué)參數(shù)

模擬時混凝土的徐變函數(shù)可采用下式:

(3)

式中:E(28)為混凝土28天的彈性模量。

2 數(shù)值模擬

本文主要考慮三個因素對于施工期渡槽溫控防裂的影響,分別是不同溫升抑制劑摻量對于渡槽溫度場和應(yīng)力場的影響,渡槽厚度和長度對于溫升抑制劑使用效果的影響。

2.1 不同溫升抑制劑摻量

渡槽的有限元模型見圖3,計算總單元數(shù)為41800,總節(jié)點數(shù)為48384。為方便比較,排除次要干擾因素,計算過程中將環(huán)境溫度設(shè)置為10℃,混凝土的澆筑溫度按照經(jīng)驗比環(huán)境溫度高7℃,設(shè)置為17℃。混凝土表面散熱系數(shù)β依據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)置為300[kJ/(m2·d·℃)]。模擬澆筑后渡槽的溫度場和應(yīng)力場,此時結(jié)構(gòu)位于地表上,底板的下底面受到向上的約束。

圖3 有限元模型

計算出渡槽在不同時刻的溫度場后,提取每一個節(jié)點在整個模擬歷時過程中的溫度最大值。圖6分別在混凝土中添加膠凝材料0%、0.2%、0.4%和0.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水化熱抑制劑后,渡槽的溫度最大值的云圖。為便于觀察,選取垂直水流方向x=0.2m,x=1.7m和x=3.2m三個截面和順?biāo)鞣较騳=1.5m,y=5m和y=8.5m三個截面進(jìn)行觀察。

如圖4所示,渡槽的溫度場分布大致相同,對于底板和側(cè)墻來說,均是中間溫度高,與大氣相接處溫度低。其中未添加溫升抑制劑的混凝土渡槽溫度最高,最高溫度為39.1℃。T6混凝土澆筑的渡槽溫度最低,最高溫度為33.5℃。T6與T0相比,最高溫度下降5.6℃。依據(jù)澆筑溫度為17℃,可以得到溫度峰值降低幅度為25.3%。T2混凝土澆筑的渡槽最高溫度為37.9℃,與T0相比下降幅度為5.4%。T4混凝土澆筑的渡槽最高溫度為38.4℃,與T0相比下降幅度僅為3.2%。因此當(dāng)溫升抑制劑摻量達(dá)到膠凝材料摻量的0.6%時,溫升抑制劑能夠有效降低溫度峰值,而低摻量下渡槽的溫度峰值仍較高。

為進(jìn)一步分析添加溫升抑制劑對渡槽溫度的影響,提取P1點(z=0.2m)的溫度歷時曲線,見圖5。從圖5中可以看出,未添加溫升抑制劑的渡槽澆筑初期溫度迅速上升,在1d內(nèi)溫度達(dá)到峰值。添加溫升抑制劑后,混凝土初期水化反應(yīng)得到了抑制,在0.5d渡槽內(nèi)部溫度上升較慢。其中T2和T4混凝土在溫升抑制劑失效后,溫度快速上升,溫度在1.2d左右達(dá)到峰值。相對而言T6混凝土溫度仍緩慢上升,1.5d后溫度到達(dá)峰值。在溫度下降階段,T0混凝土溫度快速下降,添加溫升抑制劑后溫度下降速度相對緩慢,尤其是T6混凝土溫度下降最為緩慢。最終四者溫度均穩(wěn)定至環(huán)境溫度。

圖5 不同溫升抑制劑摻量下P1點的溫度歷時曲線

計算出渡槽在不同時刻的應(yīng)力場后,提取每一個節(jié)點在整個模擬歷時過程中的第一主應(yīng)力的最大值。分別在混凝土中添加膠凝材料0%、0.2%、0.4%和0.6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溫升抑制劑后,渡槽第一主應(yīng)力最大值云圖見圖6。從圖6中可以看出施工期的應(yīng)力分布大致相同,其中底板上表面、側(cè)墻與底板相接處、側(cè)墻頂部區(qū)域拉應(yīng)力較大,容易產(chǎn)生溫度裂縫。T0混凝土溫度應(yīng)力最大,T2和T4混凝土拉應(yīng)力稍微降低,T6混凝土拉應(yīng)力最小。

圖6 不同溫升抑制劑摻量下的第一主應(yīng)力最大值 (單位:MPa)

為進(jìn)一步分析添加溫升抑制劑后渡槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化,提取P2點(z=0.4m)的應(yīng)力歷時曲線,見圖7?；炷翝仓蟮装鍍?nèi)部溫度高,外部溫度低,在結(jié)構(gòu)自身約束下,底板表面區(qū)域受拉。但是此時混凝土彈性模量較小,因此拉應(yīng)力數(shù)值小。隨著混凝土內(nèi)部熱量完全散發(fā),溫度逐漸降低,拉應(yīng)力逐漸降低,最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)上層側(cè)墻澆筑后,側(cè)墻溫度逐漸升高,此時底板將會約束上部側(cè)墻的變形。在相互作用力下底板順?biāo)鞣较?y方向)將會受到側(cè)墻的拉力,從而逐漸產(chǎn)生拉應(yīng)力并增加。從圖7中可以看出,T0混凝土澆筑的底板拉應(yīng)力最大,達(dá)到了2.3MPa,易產(chǎn)生溫度裂縫。T2和T4混凝土澆筑的底板拉應(yīng)力相較于T0混凝土稍微降低,達(dá)到了2.1MPa,降低幅度約為8.7%。T6混凝土澆筑的底板拉應(yīng)力最低,為1.7MPa,小于混凝土抗拉強(qiáng)度,不會產(chǎn)生溫度裂縫。相較于T0混凝土,降低幅度約為26.0%,溫控防裂效果明顯。

綜上所述,對于結(jié)構(gòu)厚度為0.4m的混凝土渡槽,當(dāng)混凝土中溫升抑制劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.6%時(T6),溫度峰值明顯降低,降低幅度約為25.3%,具有很好的溫度控制效果。而當(dāng)溫升抑制劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.2%和0.4%時,溫度峰值會稍微降低,但是降低幅度并不明顯,溫度控制效果較差。應(yīng)力場模擬結(jié)果與溫度場模擬結(jié)果相近,采用T6混凝土進(jìn)行澆筑,渡槽的應(yīng)力峰值降低26.0%,可以避免溫度裂縫的產(chǎn)生,防裂效果明顯。而T2和T4混凝土應(yīng)力峰值降低幅度僅為8.7%,防裂效果并不明顯。

2.2 不同結(jié)構(gòu)厚度

溫升抑制劑通過抑制水化反應(yīng),減緩混凝土放熱速率,使得結(jié)構(gòu)有更多的時間向外散發(fā)熱量,從而降低溫度峰值。改變渡槽結(jié)構(gòu)厚度,探究其對溫升抑制劑使用效果的影響。將渡槽的厚度依次設(shè)置為0.30m、0.35m、0.40m、0.45m和0.5m,分別采用T0和T6混凝土進(jìn)行澆筑。圖8(a)為采用T0和T6混凝土澆筑后結(jié)構(gòu)厚度與溫度峰值之間的關(guān)系。從圖8(a)中可以看出,隨著結(jié)構(gòu)厚度的增加,不論采用T0混凝土還是T6混凝土澆筑,結(jié)構(gòu)最高溫度均呈現(xiàn)出線性增加的趨勢。圖8(b)為P1點最大主應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)厚度的變化情況。隨著厚度的增加,最大主應(yīng)力也在不斷地增加。結(jié)構(gòu)厚度增加至0.5m時,若采用T0混凝土澆筑,最大主應(yīng)力將達(dá)到2.8MPa,極易產(chǎn)生溫度裂縫。而添加溫升抑制劑后,主應(yīng)力降低為1.9MPa,保證了結(jié)構(gòu)的安全。

圖8 溫度和應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)厚度的變化

圖9為在混凝土中添加溫升抑制劑后,結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力峰值的降低幅度隨著結(jié)構(gòu)厚度的變化情況。從圖9中可以看出,隨著結(jié)構(gòu)厚度的增加,溫度峰值降低的幅度逐漸減小,但是仍超過20.0%。應(yīng)力峰值的降低幅度超過溫度峰值的降低幅度,且均大于26.0%,但是應(yīng)力峰值降低的幅度無明顯的變化趨勢。這充分說明了對于不同結(jié)構(gòu)厚度的渡槽,添加溫升抑制劑都能有效降低施工期的溫度和應(yīng)力峰值,具有較好的溫控防裂效果。

圖9 添加溫升抑制劑后結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力降低幅度

2.3 不同結(jié)構(gòu)長度

改變渡槽的長度,探究其對溫升抑制劑使用效果的影響。將渡槽的長度設(shè)置為8.0m、9.0m、10.0m、11.0m和12.0m,分別采用T0和T6混凝土進(jìn)行澆筑。圖10(a)為采用T0和T6混凝土澆筑后結(jié)構(gòu)最高溫度與渡槽長度的關(guān)系。從圖10(a)中可以看出,隨著結(jié)構(gòu)長度的增加,渡槽結(jié)構(gòu)溫度峰值未發(fā)生變化。這是由于僅改變結(jié)構(gòu)長度,不會影響到結(jié)構(gòu)的散熱。圖10(b)為P1點最大主應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)長度的變化情況。隨著結(jié)構(gòu)長度的增加,主應(yīng)力變化幅度不大。采用普通混凝土進(jìn)行澆筑最大拉應(yīng)力將超過2.1MPa,易產(chǎn)生溫度裂縫。而添加溫升抑制劑后,最大拉應(yīng)力低于1.8MPa,結(jié)構(gòu)安全。

圖10 溫度和應(yīng)力隨渡槽長度的變化

圖11為在混凝土中添加溫升抑制劑后,溫度和應(yīng)力的降低幅度隨著結(jié)構(gòu)長度的變化情況。由于最高溫度未隨著結(jié)構(gòu)的長度發(fā)生變化,因此溫度峰值降低的幅度相同。應(yīng)力峰值降低的幅度隨著結(jié)構(gòu)長度不斷增加,降低幅度由24.0%增長為28.0%。這說明了對于不同長度的渡槽,添加溫升抑制劑均能較好地降低結(jié)構(gòu)的應(yīng)力峰值,具有較好的溫控防裂效果,且結(jié)構(gòu)長度越長溫控效果越好。

圖11 添加溫升抑制劑后結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力降低幅度

3 結(jié) 語

本文采用數(shù)值模擬的方式,研究了在混凝土中添加不同摻量的水化熱溫升抑制劑對于渡槽施工期溫度場和應(yīng)力場的影響。采用雙指數(shù)函數(shù)擬合不同溫升抑制劑摻量的混凝土絕熱溫升、彈性模量等熱力學(xué)試驗數(shù)據(jù),以此作為模擬參數(shù),并建立矩形渡槽有限元模型,模擬施工期渡槽的溫度場和應(yīng)力場。本研究可為渡槽的溫控防裂提供參考和建議。

研究發(fā)現(xiàn)對于結(jié)構(gòu)厚度為0.4m的混凝土渡槽,當(dāng)溫升抑制劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.6%時,結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力明顯降低,峰值分別降低25.3%和26.0%,具有很好的溫度控制和防裂效果。而當(dāng)溫升抑制劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.2%和0.4%時,溫度和應(yīng)力僅稍微降低,峰值降低幅度并不明顯,溫度控制效果較差。

調(diào)整渡槽結(jié)構(gòu)的厚度為0.3～0.5m,研究發(fā)現(xiàn)添加溫升抑制劑均能較好地降低施工期渡槽的溫度和應(yīng)力峰值,具有較好的溫控防裂效果。其中溫度峰值降低的幅度隨著結(jié)構(gòu)厚度的增加逐漸減少但仍超過20.0%,應(yīng)力峰值降低幅度均超過26.0%。

調(diào)整渡槽結(jié)構(gòu)的長度為8.0～12.0m,研究發(fā)現(xiàn)添加溫升抑制劑仍能降低施工期渡槽的溫度和應(yīng)力峰值。隨著結(jié)構(gòu)長度的增加,應(yīng)力峰值降低幅度逐漸增加,溫控效果逐漸向好。