水化熱抑制劑對(duì)大體積混凝土溫度裂縫的影響研究

何貝貝，侯維紅，紀(jì)憲坤，徐可

（武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

大體積混凝土因受水泥水化熱的影響，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度會(huì)劇烈變化，由于混凝土內(nèi)部約束程度及溫度分布的不均勻性而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，一旦溫度應(yīng)力超過(guò)了混凝土的容許抗拉強(qiáng)度便會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫不僅會(huì)影響建筑結(jié)構(gòu)的使用功能，降低其剛度，還會(huì)影響到混凝土的耐久性。在大體積混凝土裂縫控制方面，學(xué)者們開(kāi)展了深入的研究，并提出了控制措施，其核心均體現(xiàn)在控制混凝土的水化熱及溫度發(fā)展歷程。路璐和李興貴[1]從設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)、施工和原材料等方面介紹了控制溫度裂縫的方法。徐仕林等[2]采用有限元軟件研究了摻入混凝土溫升抑制劑后大體積混凝土的溫度場(chǎng)變化，說(shuō)明了大體積混凝土配合比、施工方案、方法、組織等因素對(duì)溫度裂縫控制的重要性。郝兵、張曉果等[3-4]研究了水化熱抑制劑應(yīng)用到混凝土中對(duì)其強(qiáng)度、工作性能、力學(xué)性能、絕熱溫升等指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，水化熱抑制劑能有效控制混凝土溫峰，提高混凝土的施工性能，抗壓強(qiáng)度早期偏低，但后期會(huì)高于空白混凝土。吳翠娥等[5]研究了自制水化熱抑制劑與膨脹劑復(fù)合后對(duì)砂漿體系的影響，發(fā)現(xiàn)其能有效調(diào)控膨脹砂漿強(qiáng)度和限制膨脹率的協(xié)調(diào)發(fā)展。賈福杰等[6]介紹了水化熱抑制型膨脹劑在工程中良好的控制冷縮開(kāi)裂的應(yīng)用情況。

以合肥某工程為背景，借助midas Civil有限元軟件對(duì)未摻入水化熱抑制劑的基準(zhǔn)混凝土和摻入水化熱抑制劑的受檢混凝土進(jìn)行了對(duì)比分析，依據(jù)其溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力場(chǎng)的運(yùn)算結(jié)果，提出了大體積混凝土結(jié)構(gòu)中摻入水化熱抑制劑對(duì)于控制混凝土早期開(kāi)裂有利的依據(jù)，為同類工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

該地下室底板厚度為1.5 m，澆筑過(guò)程中最大的底板平面尺寸近似為長(zhǎng)42 m，寬29 m，屬于大體積混凝土。底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，入模溫度約為18℃，底板混凝土澆筑施工季節(jié)為1～2月，期間合肥的環(huán)境溫度在-2～8℃。

2 研究方法

2.1 有限元模型

考慮到底板結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，建立1/4有限元模型（見(jiàn)圖1），即長(zhǎng)21 m×寬14.5 m×厚1.5 m；為準(zhǔn)確反映底板的約束情況及水化熱傳播過(guò)程，在底板結(jié)構(gòu)底部設(shè)置3 m厚地基，長(zhǎng)、寬為沿結(jié)構(gòu)外邊緣各向外擴(kuò)展3 m，即地基尺寸長(zhǎng)48 m×寬35 m×厚3 m。C35混凝土各性能參數(shù)按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行取值，不同環(huán)境中對(duì)流系數(shù)根據(jù)GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算取值，混凝土的計(jì)算參數(shù)如表1所示；地基土的熱力學(xué)參數(shù)按照工程地基勘察報(bào)告獲得，計(jì)算參數(shù)如表2所示。底板采用分層澆筑法，每層厚度0.3 m，分5層澆筑；相鄰上下2層的澆筑間隔時(shí)間取1.5 h，采用15 mm厚木模板支護(hù)。1/4有限元模型如圖1所示，其中節(jié)點(diǎn)共計(jì)13 410個(gè)，分割實(shí)體單元11 190個(gè)。假設(shè)水化熱分析支護(hù)，頂面施工階段為：①?gòu)牡装彘_(kāi)始澆筑至澆筑完成3 d內(nèi)，側(cè)面木模板不加保溫養(yǎng)護(hù)；②底板澆筑完成后第4～7 d，側(cè)面木模板支護(hù)，頂面采用40 mm毛氈土工布保溫；③底板澆筑完成后第8 d拆除木模板，側(cè)面加40 mm毛氈土工布保溫；④底板澆筑完成后第17 d去掉保溫養(yǎng)護(hù)，底板裸露于空氣中。水化熱分析歷程設(shè)為30 d。

圖1 底板1/4有限元模型

表1 C35混凝土的性能參數(shù)

表2 地基土的性能參數(shù)

2.2 熱源函數(shù)的確定

采用midas Civil有限元軟件進(jìn)行水化熱分析時(shí)，程序中提供的熱源函數(shù)可以描述混凝土水化過(guò)程的放熱狀態(tài)[7]。為探究水化熱抑制劑對(duì)混凝土水化熱放熱狀態(tài)的影響，根據(jù)此底板混凝土配合比配制了2組混凝土進(jìn)行絕熱溫升測(cè)試，未摻入水化熱抑制劑的混凝土稱為“基準(zhǔn)混凝土”；摻入水化熱抑制劑的混凝土稱為“受檢混凝土”，其水化熱抑制劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的1%，其余原材料的配合比同基準(zhǔn)混凝土，具體參數(shù)值如表3所示。

表3 混凝土的配合比 kg/m3

試驗(yàn)配制的混凝土原材料分別為：廣西漁峰42.5級(jí)中熱水泥，來(lái)賓電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰，粗骨料制成的人工砂（細(xì)度模數(shù)2.6左右，中砂），江口天然砂礫石料場(chǎng)的石子（粒徑5～31.5 mm），長(zhǎng)安育才的GK-9A引氣劑，武漢三源的SY-PA聚羧酸高效減水劑。水化熱抑制劑為武漢三源特種建材有限公司自制，是一種調(diào)控水泥水化進(jìn)程、控制水泥放熱速率的混凝土外加劑。其在混凝土的堿性環(huán)境中會(huì)逐步溶解，抑制劑分子附著在水泥粒子、水泥水化產(chǎn)物顆粒的表面，從而抑制水泥加速水化；同時(shí)，水化熱抑制劑在混凝土中的溶解量很小，在其中不斷地進(jìn)行溶解和吸附的過(guò)程，使水泥水化反應(yīng)逐步進(jìn)行，緩慢放熱。在各學(xué)者研究得到的“水化熱抑制劑基本不影響混凝土性能”的結(jié)論上，本文提出采用水化熱抑制劑控制大體積混凝土早期溫度裂縫的思路，通過(guò)有限元分析驗(yàn)證其實(shí)現(xiàn)的可能性。

在測(cè)試2種混凝土的力學(xué)性能均符合規(guī)范要求的前提下，絕熱溫升測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 混凝土絕熱溫升檢測(cè)結(jié)果

結(jié)合midas Civil中提供的熱源函數(shù)：

式中：K——最大絕熱溫升，℃；

t——齡期，d；

a——常數(shù)。

采用Origin將基準(zhǔn)混凝土和受檢混凝土的絕熱溫升數(shù)據(jù)按照熱源函數(shù)形式擬合，得出擬合曲線如圖2、圖3所示，函數(shù)方程為：基準(zhǔn)混凝土F（t）=32.824×（1-e-0.61t）；受檢混凝土F（t）=34.938×（1-e-0.15t）。

圖2 基準(zhǔn)混凝土絕熱溫升擬合曲線

圖3 受檢混凝土絕熱溫升擬合曲線

將基準(zhǔn)混凝土和受檢混凝土的絕熱溫升擬合曲線作為熱源函數(shù)輸入到midas Civil進(jìn)行水化熱分析，研究底板中心厚度方向上6個(gè)不同部位的溫度變化情況，如圖4所示。節(jié)點(diǎn)N23、N27、N31、N35為 1.5 m底板厚度方向上的五等分點(diǎn)，N26287為混凝土外表面以內(nèi)50 mm處的外表溫度參考點(diǎn)，N24997為混凝土底面上50 mm處的底面溫度參考點(diǎn)。

圖4 各參考點(diǎn)位置示意

3 溫度場(chǎng)分析

將基準(zhǔn)混凝土與受檢混凝土的絕熱溫升函數(shù)曲線分別輸入midas Civil中，運(yùn)行分析得到各參考點(diǎn)溫度時(shí)程曲線，如圖5、圖6所示，對(duì)比分析混凝土摻入水化熱抑制劑后，不同部位出現(xiàn)溫峰的延遲時(shí)間以及溫峰降低值，如表5所示。

圖5 基準(zhǔn)混凝土各參考點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

圖6 受檢混凝土各參考點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

表5 摻入水化熱抑制劑后不同部位溫峰的延遲時(shí)間及溫峰降低值

結(jié)合圖5、圖6、表5可知，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中摻入水化熱抑制劑后，對(duì)混凝土中心區(qū)域各部位的溫峰出現(xiàn)時(shí)間和溫峰值均有影響，尤其是中下部區(qū)域溫峰延遲時(shí)間在5.5～6.0 d，溫峰值也降低了3.5～6.2℃；上部區(qū)域的溫峰值也會(huì)受到影響，但并不明顯。整體來(lái)說(shuō)，水化熱抑制劑摻入到混凝土結(jié)構(gòu)中，會(huì)抑制水泥中硅酸三鈣前1～2 d的水化速率，減緩水泥水化熱釋放速度，溫度時(shí)程曲線較基準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)變得更為平緩。基于此，混凝土結(jié)構(gòu)溫峰值會(huì)有所降低，混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)降低因水化熱集中釋放導(dǎo)致里表溫差過(guò)大產(chǎn)生溫度裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，理論上可有效減少混凝土結(jié)構(gòu)早期的溫度收縮裂縫。

4 溫度應(yīng)力場(chǎng)分析

朱伯芳[8]院士曾提出，防止混凝土裂縫的方法僅依靠溫度控制并不全面，控制溫度應(yīng)力才是關(guān)鍵。大體積混凝土開(kāi)裂究其根本是由于拉應(yīng)力超過(guò)了容許抗拉強(qiáng)度，而拉應(yīng)力會(huì)受溫差、約束條件等影響。本文設(shè)置了同樣的地基約束條件，對(duì)比研究了摻入水化熱抑制劑前后混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力場(chǎng)分析結(jié)果。各參考點(diǎn)溫度應(yīng)力與容許抗拉強(qiáng)度的時(shí)程關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同部位溫度應(yīng)力與容許抗拉強(qiáng)度的變化

由圖7可以看出：

（1）在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中摻入水化熱抑制劑后，早期的容許抗拉強(qiáng)度發(fā)展較緩慢且強(qiáng)度偏低，在其強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程中與基準(zhǔn)混凝土相比，最大差幅為13%；但其最終的容許抗拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土基本一致。

（2）摻入水化熱抑制劑后，受檢混凝土結(jié)構(gòu)各部位前7 d的溫度應(yīng)力均得到了不同程度的降低，與基準(zhǔn)混凝土相比，N24997、N31、N35、N26287各參考點(diǎn)的最大降幅達(dá)到87.64%。對(duì)于N27參考點(diǎn)而言，基準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)在第66 h時(shí)溫度應(yīng)力比容許抗拉強(qiáng)度高0.3 MPa，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)極高；但受檢混凝土結(jié)構(gòu)此時(shí)的溫度應(yīng)力比容許抗拉強(qiáng)度低0.38 MPa，在強(qiáng)度上留有富余，較大地降低了此區(qū)域的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于N23參考點(diǎn)而言，基準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)在18～84 h內(nèi)溫度應(yīng)力均超過(guò)了容許抗拉強(qiáng)度，第66 h時(shí)達(dá)到最大超出值2 MPa；摻入水化熱抑制劑后，受檢混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力超出容許抗拉強(qiáng)度的時(shí)間縮短了5 h，最大超出值為1 MPa，在原溫度應(yīng)力峰值的基礎(chǔ)上降低了50%。雖然未能將溫度應(yīng)力控制在容許抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，但是較大程度地降低了溫度應(yīng)力峰值，后期再輔助其它溫度裂縫控制措施，即可將溫度應(yīng)力降至混凝土容許抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)。

（3）摻入水化熱抑制劑后，混凝土后期的溫度應(yīng)力在部分時(shí)間范圍會(huì)比基準(zhǔn)混凝土的要高，但其均在容許抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

水化熱抑制劑摻入到大體積混凝土后可以改變混凝土的絕熱溫升曲線，結(jié)合midas Civil分析結(jié)果，理論上可有效降低混凝土早期由于溫度收縮產(chǎn)生的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)以上分析，可得出以下結(jié)論：

（1）水化熱抑制劑可適當(dāng)延緩大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫峰出現(xiàn)時(shí)間，降低溫峰值。

（2）水化熱抑制劑減緩了容許抗拉強(qiáng)度的發(fā)展曲線但不影響混凝土的最大容許抗拉強(qiáng)度。

（3）水化熱抑制劑降低了早期溫度應(yīng)力峰值，且后期溫度應(yīng)力均在容許抗拉強(qiáng)度范圍內(nèi)，有利于降低大體積混凝土的溫度開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。