溫升抑制劑對薄壁大體積混凝土防裂效果分析

李 紅,陳億兆,李蘊(yùn)升

(1.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處,江蘇 蘇州 215100;2.江蘇省江都水利工程管理處,江蘇 揚(yáng)州 225200)

1 概 述

在當(dāng)前的水利工程中,水閘的底板與閘墩、泵站廠房的底板、渡槽的底板與隔墻、隧洞的襯砌等都是薄壁大體積混凝±結(jié)構(gòu),如位于揚(yáng)州的江都水利樞紐,是新中國第一座自行設(shè)計、建造的大型泵站群,含有12 座大中型水閘。 但根據(jù)工程建設(shè)經(jīng)驗,薄壁混凝±結(jié)構(gòu)經(jīng)常會在施工期出現(xiàn)棗核形裂縫[1]。 這種裂縫經(jīng)常是貫穿性的結(jié)構(gòu)縫,不僅破壞了結(jié)構(gòu)的整體性,而且造成滲流通道,加速鋼筋的腐蝕,嚴(yán)重影響了工程結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

混凝±水化反應(yīng)釋放大量熱量,當(dāng)混凝±結(jié)構(gòu)體積較大時,熱量難以散發(fā),將導(dǎo)致澆筑后的混凝±內(nèi)部溫度的空間分布不均勻。 通常情況下,內(nèi)部中心區(qū)域的溫度高,邊界區(qū)域的溫度低。結(jié)構(gòu)由于溫度而導(dǎo)致的變形受到約束時,包括地基約束、成熟期混凝±約束,將會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力[2-3]。 當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝±的抗拉強(qiáng)度時,早齡期的大體積混凝±將會產(chǎn)生表面裂紋、深層裂紋甚至貫穿性的溫度裂紋[4]。

為減少或者避免早齡期大體積混凝±溫度應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋,需要采取合理的溫控措施,降低混凝±的溫度峰值和溫度梯度[5-6]。 主要措施包括采用低熱水泥或采用粉煤灰代替高熱水泥,降低混凝±絕熱溫升[7];采用預(yù)冷骨料、加強(qiáng)運(yùn)輸保溫等措施來降低混凝±澆筑時的溫度[8];布置冷卻水管,降低混凝±溫度峰值[9]等。 上述措施均可有效降低大體積混凝±溫度峰值,從而降低混凝±溫度應(yīng)力,避免溫度裂紋的出現(xiàn)。

而在實(shí)際工程中,尤其是小型工程項目如小型水閘、渡槽等,這些溫控措施的實(shí)施是存在難度的。 其原因是由于小型工程項目常采用商品混凝±,商品混凝±的配合比通常是確定的,難以通過調(diào)整混凝±配合比來降低絕熱溫升。 而且由于長距離運(yùn)輸,即使拌和時采用骨料預(yù)冷等溫控手段,仍難以保證較低的入倉溫度。 另外,小型工程項目通常為薄壁混凝±結(jié)構(gòu),這使得冷卻水管的鋪設(shè)難度較大。 因此,為解決薄壁大體積混凝±溫度峰值較高、溫度應(yīng)力過大、產(chǎn)生裂紋的問題,需要采用其他有效且經(jīng)濟(jì)的溫度控制措施。

混凝±水化熱抑制劑(TRI)作為一種新型的混凝±外加劑,具有減緩混凝±水化反應(yīng)放熱速率的作用,近年來在部分±木工程中得到應(yīng)用。常見的水化熱抑制劑可由玉米淀粉酸水解制備。ZHANG 等[10]對水化熱抑制劑在水泥體系中的作用機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,認(rèn)為水化熱抑制劑的熱抑制效果來源于有機(jī)分子在C-S-H 凝膠表面的吸附,抑制了凝膠的進(jìn)一步生長。 但TRI對水泥溶解動力學(xué)和C-S-H 晶體-溶液界面能影響不大。 ZHAO 等[11]將水化熱抑制劑添加至高強(qiáng)混凝±中,利用低場核磁共振波譜測量混凝±孔隙率,結(jié)果表明試樣孔隙率隨著TRI 含量的增加而減小,有助于優(yōu)化混凝±孔隙結(jié)構(gòu)。SHEN 等[12]研究表明TRI 有助于改性水泥水化,減少高強(qiáng)混凝±的放熱。 添加TRI 后,混凝±的溫度峰值、溫升速率、自生收縮和拉伸蠕變隨TRI含量的增加而降低,提高了抗早衰開裂性能。 同時,由于C-S-H 一旦形成,將會非常穩(wěn)定,不受水化熱抑制劑的影響,因此對于普通混凝±絕熱溫升終值以及混凝±的最終強(qiáng)度無較大變化[13]。水化熱抑制劑的這種特性,可能會降低薄壁大體積混凝±的溫度峰值和拉應(yīng)力。

由于水化熱抑制劑性質(zhì)的特殊性,并且誕生時間較晚,因此現(xiàn)階段研究大多數(shù)涉及機(jī)理,而對其工程中的適用性仍缺乏明確的認(rèn)識。 多數(shù)研究者僅對使用水化熱抑制劑后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度測量,而未分析其對應(yīng)力場可能造成的影響[14-15]。 而有關(guān)混凝±添加水化熱抑制劑后對于結(jié)構(gòu)溫度場和應(yīng)力場的分析[16],并沒有考慮到不同摻量的影響,且忽略了混凝±的徐變影響,使水化熱抑制劑在工程中的應(yīng)用受到限制。

本文利用相關(guān)水化熱抑制劑的實(shí)驗數(shù)據(jù),利用雙指數(shù)函數(shù)對實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,作為數(shù)值模擬的初始數(shù)據(jù)。 并以常見的大體積薄壁混凝±結(jié)構(gòu)——水閘為例,建立有限元模型,研究不同水化熱抑制劑摻量對結(jié)構(gòu)溫度場和應(yīng)力場的影響,推薦合適的水化熱抑制劑摻量。 同時,調(diào)整水閘的結(jié)構(gòu)厚度,研究結(jié)構(gòu)厚度對水化熱抑制劑使用效果的影響,確定水化熱抑制劑的使用范圍,以期為混凝±水化熱抑制劑在工程中的應(yīng)用提供參考和建議。

2 計算模型與參數(shù)

由于實(shí)驗困難,因此數(shù)值模擬成為分析大體積混凝±的有效方式。 模擬時,需要先計算混凝±內(nèi)部的不穩(wěn)定溫度場分布,然后依據(jù)溫度場分布求解應(yīng)力場,具體的有限元實(shí)施方法參照朱伯芳等[3]的研究。 通過對ABAQUS 進(jìn)行二次開發(fā),可實(shí)現(xiàn)早齡期大體積混凝±的有限元計算,具體的實(shí)現(xiàn)過程在王建等[17]文章中已被詳細(xì)闡述。

2.1 計算模型

本文以小型水閘為例,分析添加水化熱抑制劑后對混凝±結(jié)構(gòu)溫度場和應(yīng)力場的影響。 圖1為水閘的底板和閘墩正視圖和側(cè)視圖。 底板長20.0m,寬8.0m,厚Dm。 閘墩長24.0m,厚Dm,高8.0m。 依據(jù)工程實(shí)際情況,底板和閘墩分兩期澆筑,底板澆筑完成15 天后,再澆筑閘墩。 模擬時,對結(jié)構(gòu)厚度D進(jìn)行調(diào)整,以便分析結(jié)構(gòu)厚度對水化熱抑制劑的影響。

2.2 計算參數(shù)

本文模擬采用的數(shù)據(jù)均來自于陳煒一等[13]的實(shí)驗研究,即過程中將不同摻量的水化熱抑制劑加入水泥-粉煤灰膠凝材料中,研究其對于混凝±性能的影響。 實(shí)驗時,水化熱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(shí)驗測得的絕熱溫升曲線,對于不同含量抑制劑,最大溫升速率出現(xiàn)時間分別為5、16、18 和22h。

圖2 添加不同含量水化熱抑制劑的絕熱溫升

本文采用雙指數(shù)函數(shù)擬合實(shí)驗結(jié)果,得到模擬所需的絕熱溫升曲線和彈性模量隨齡期的增長曲線。 式(1)分別為T0、T2、T4 和T6 的絕熱溫升擬合函數(shù),擬合效果極好,且擬合值與實(shí)驗值的相關(guān)系數(shù)P均接近1.0。 擬合公式如下：

依據(jù)實(shí)驗測得的混凝±相應(yīng)齡期內(nèi)的彈性模量數(shù)值[13],同樣采用雙指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合。 對于不同水化熱抑制劑含量的混凝±彈性模量,擬合值與試驗值的相關(guān)系數(shù)P均超過0.97。 擬合得到彈性模量(GPa)隨齡期變化,公式如下：

通過試驗采用的混凝±配合比和相關(guān)文獻(xiàn)[3],推算出混凝±的其他熱力學(xué)參數(shù),見表1。

表1 混凝土熱力學(xué)參數(shù)

依據(jù)實(shí)際工程中的案例,假定水閘位于巖石基礎(chǔ)上,此時地基將會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的約束作用和溫度應(yīng)力,易產(chǎn)生溫度裂紋。 參照王海波等[18]研究成果,所選用巖基的熱力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖石熱力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

本文主要考慮兩個主要因素,分別是不同摻量水化熱抑制劑對于水閘工程的影響以及不同結(jié)構(gòu)厚度對水化熱抑制劑使用效果的影響。

3.1 不同抑制劑摻量

采用工程中常用的底板和閘墩厚度,D=1.2m。水閘位于巖石基礎(chǔ)上,基礎(chǔ)模型長150m、寬40m、高60m。 為排除干擾因素,便于總結(jié)規(guī)律,地基初始溫度、混凝±澆筑溫度和環(huán)境溫度均設(shè)置25℃。 混凝±的表面散熱系數(shù)βc設(shè)置為400 kJ/(m2·d·℃),地基的表面散熱系數(shù)βr設(shè)置為1 000 kJ/(m2·d·℃),總計模擬天數(shù)400 天。有限元模型見圖3,計算總單元數(shù)79 080,總節(jié)點(diǎn)數(shù)88 251。

提取節(jié)點(diǎn)最大溫度,繪制不同水化熱抑制劑摻量的水閘溫度包絡(luò)圖,見圖4-圖7。 需要說明的是,本文提供的包絡(luò)圖均為水閘順?biāo)鞣较虻闹行那忻?y=4 m)、垂直水流方向的中心切面(x=12 m)和靠近兩端的邊緣切面(x=1.2 m,x=22.8 m)。 從圖4-圖7 可以看出,不同抑制劑摻量下,水閘的溫度場分布大致相同;水閘底板和閘墩的中心溫度高,邊界和交界面處的溫度低。 其中,采用T0 和T4 混凝±澆筑的水閘,最高溫度均為53.3℃;T2 混凝±澆筑的水閘,最高溫度52. 8℃;T6 混凝±澆筑的水閘,最高溫度50.2℃。 因此,對于厚度1.2m 的水閘,當(dāng)抑制劑摻量達(dá)到0.6%的膠凝材料量時,水化熱抑制劑具有明顯降低溫度峰值的效果。 相較于未摻抑制劑的空白混凝±,溫度峰值降低3.1℃,降低幅度為11.0%。 但當(dāng)抑制劑含量低于0.4%時,無明顯的削峰效果。

圖4 順?biāo)骱痛怪彼鞣较騎0 混凝土溫度包絡(luò)圖(單位:℃)

圖5 順?biāo)骱痛怪彼鞣较騎2 混凝土溫度包絡(luò)圖(單位:℃)

圖6 順?biāo)骱痛怪彼鞣较騎4 混凝土溫度包絡(luò)圖(單位:℃)

圖7 順?biāo)骱痛怪彼鞣较騎6 混凝土溫度包絡(luò)圖(單位:℃)

計算出水閘在不同時刻的應(yīng)力場后,提取每一個節(jié)點(diǎn)在整個模擬歷時過程中的第一主應(yīng)力的最大值,繪制不同水化熱抑制劑摻量的水閘應(yīng)力包絡(luò)圖,見圖8-圖11。 從圖8-圖11 可以看出,由于受到地基的約束作用,底板表面所受的拉應(yīng)力較大,尤其上下游的表面拉應(yīng)力最大。 上層閘墩澆筑時受到下層底板的約束,在交界面附近拉應(yīng)力也較大,這與實(shí)際情況相符合。 從數(shù)值上看,T0、T2 和T4 的拉應(yīng)力數(shù)值相近。 其中,T0和T4 的峰值達(dá)到3. 4MPa;T2 的峰值甚至達(dá)到3.8MPa;而T6 的拉應(yīng)力數(shù)值明顯減小,峰值拉應(yīng)力約為3MPa。 相較于未添加抑制劑的混凝±水閘,拉應(yīng)力峰值降低11.7%,效果明顯。

圖8 順?biāo)骱痛怪彼鞣较騎0 混凝土應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

圖9 順?biāo)骱痛怪彼鞣较騎2 混凝土應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

圖10 順?biāo)骱痛怪彼鞣较騎4 混凝土應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

圖11 順?biāo)骱痛怪彼鞣较騎6 混凝土應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

綜上所述,對于結(jié)構(gòu)厚度D為1.2m 的水閘,當(dāng)水化熱抑制劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.6%時(T6),溫度峰值和應(yīng)力峰值均明顯降低,降低幅度約為11%,具有明顯的溫控效果明顯。 但當(dāng)水化熱抑制劑摻量為T2 和T4,即處于較低的摻入水平時,溫度峰值和應(yīng)力峰值無明顯的降低,達(dá)不到有效的溫控防裂作用。

3.2 不同結(jié)構(gòu)厚度

水化熱抑制劑的主要作用為抑制混凝±水化反應(yīng),并降低混凝±放熱速率[13]。 對于大體積混凝±,其結(jié)構(gòu)厚度影響自身散熱效率。 改變水閘結(jié)構(gòu)的厚度,即調(diào)整底板的高度和閘墩的厚度分別為D=0.5,0.8,1.2,1.5,2.0,2.5 m,保持底板的寬度和長度、閘墩的高度和長度不變,分別采用T0 和T6 混凝±進(jìn)行澆筑,分析水化熱抑制劑對不同厚度水閘溫度場和應(yīng)力場的影響。

圖12、圖13 分別為水閘的最高溫度和最大拉應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)厚度D的變化。 從圖12、圖13 可以看出,結(jié)構(gòu)厚度為0.5m 時,水化熱抑制劑具有明顯的削峰效果。 其中,溫度峰值由44.2℃降低為40.8℃,溫度峰值降低3.4℃,降低幅度17.8%;拉應(yīng)力峰值也明顯降低,由3. 31MPa 降低為2.66MPa,拉應(yīng)力峰值降低0.65MPa,降低幅度為19.5%。 此時,結(jié)構(gòu)厚度較薄,混凝±內(nèi)部水化產(chǎn)生的熱量在水化熱抑制劑的作用下,有更為充足的散熱時間,熱量能夠有效散發(fā),溫度和應(yīng)力峰值下降幅度將會增大。 結(jié)構(gòu)厚度為2.5m 時,采用水化熱抑制劑后,結(jié)構(gòu)的溫度峰值由60.0℃降低為57. 8℃,溫度峰值降低2. 2℃,降低幅度為6.2%;拉應(yīng)力峰值由5.63MPa,降低為5.01MPa,拉應(yīng)力峰值降低0.62MPa,降低幅度為11.0%。

圖12 水閘的最高溫度隨結(jié)構(gòu)厚度的變化

圖13 水閘的最大拉應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)厚度的變化

通過對比可知,結(jié)構(gòu)厚度較厚時,即使水化熱抑制劑延遲了放熱速率,但水化熱產(chǎn)生的熱量難以在短時間內(nèi)散發(fā),因此溫度峰值和應(yīng)力峰值降低幅度較低。

提取不同結(jié)構(gòu)厚度下水閘的溫度峰值和應(yīng)力峰值,繪制溫度峰值和應(yīng)力峰值降低幅度與結(jié)構(gòu)厚度之間的關(guān)系曲線,見圖14。 從圖14 可以看出,結(jié)構(gòu)厚度對于水化熱抑制劑的溫控效果具有明顯影響。 對于水閘的溫度場來說,隨著水閘厚度的增加,溫度峰值降低的幅度逐漸減小,呈現(xiàn)出反比。 這是由于結(jié)構(gòu)厚度較薄時,水化熱抑制劑推遲放熱的效果得到充分的發(fā)揮,在這一時間段內(nèi),結(jié)構(gòu)有充足的時間向外界散發(fā)熱量,從而使削峰的效果較好。 對于應(yīng)力場來說,水化熱抑制劑的添加能明顯降低應(yīng)力峰值。 結(jié)構(gòu)厚度小余1.2m 時,隨著水閘厚度的增加,應(yīng)力峰值降低幅度也逐漸減小。 但結(jié)構(gòu)厚度大于1.2m 時,應(yīng)力峰值降低幅度穩(wěn)定在11. 0%左右,無明顯變化。

圖14 結(jié)構(gòu)厚度與溫度和應(yīng)力峰值降低的關(guān)系

因此,對于薄壁混凝±結(jié)構(gòu),采用水化熱抑制劑將是一種有效的溫度應(yīng)力控制手段,有利于避免溫度裂紋的產(chǎn)生。 在實(shí)際工程應(yīng)用時,一方面可以加入水化熱抑制劑,抑制混凝±水化反應(yīng),并降低放熱速率;另一方面降低結(jié)構(gòu)厚度,充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)自身散熱,可達(dá)到較好的削峰效果。

4 結(jié) 論

本文采用雙指數(shù)函數(shù),對不同水化熱抑制劑摻量的混凝±絕熱溫升和彈性模量實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合。 以常見的大體積薄壁混凝±結(jié)構(gòu)——水閘為例,建立有限元模型,研究不同水化熱抑制劑摻量對于溫度場和應(yīng)力場的影響,以及作為大體積混凝±溫控手段的可行性。

研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)抑制劑摻量低于0. 4%的膠凝材料含量時,對于結(jié)構(gòu)厚度為1.2m 的水閘,溫度和應(yīng)力峰值無明顯降低,達(dá)不到有效的溫控防裂效果。 當(dāng)水化熱抑制劑摻量提高至0.6%的膠凝材料含量時,溫度峰值降低約11.0%,拉應(yīng)力峰值降低約11.7%,溫控效果明顯,有利于防止溫度裂紋的產(chǎn)生。

同時,還研究了水化熱抑制劑對于不同厚度結(jié)構(gòu)的溫控效果。 研究發(fā)現(xiàn),混凝±結(jié)構(gòu)厚度與溫度峰值降低的幅度呈反比。 厚度為0.5m 時,溫度峰值可降低17.8%;厚度增加為2.5m 時,溫度峰值僅降低6.2%。 而應(yīng)力場呈現(xiàn)出相近的規(guī)律,結(jié)構(gòu)厚度小于1. 2m 時,隨著水閘厚度的增加,應(yīng)力峰值降低的幅度也逐漸減小;結(jié)構(gòu)厚度大于1. 2m 時,應(yīng)力峰值的降低幅度穩(wěn)定在11.0%,無明顯變化。 因此,若在大體積混凝±結(jié)構(gòu)的溫控中采用水化熱抑制劑,可在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下,盡量降低結(jié)構(gòu)厚度,以便充分發(fā)揮水化熱抑制劑的削峰效果。 工程中可將其作為一種溫控手段,并與其他溫控措施相結(jié)合,制定更為合理且經(jīng)濟(jì)的溫控方案。