李玉璽 呂建福 卜彩紅，3 吳 巖

(1甘肅省建材科研設計院，甘肅 蘭州，730020；2哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150001；3甘肅省節(jié)能墻體屋面材料性能研究與評價重點實驗室，甘肅 蘭州，730020；4中核蘭州鈾濃縮有限公司，甘肅 蘭州，730060)

隨著基礎設施建設，普通工業(yè)與民用建筑中大體積混凝土結構大量出現。目前建筑施工中普遍使用的商品混凝土和大流動性混凝土開裂現象一直比較普遍，加之現在所生產的水泥放熱速度較過去大為提高，這使得大體積混凝土溫度裂縫問題日益突出，已成為普遍性的問題[1-3]。大體積混凝土由于體積大、聚集的水化熱量大、散熱慢，在混凝土內外散熱不均勻以及受到內外約束情況時，本身會產生較大的溫度應力，導致裂縫的產生，為結構埋下了嚴重質量隱患[3，4]。大體積混凝土經常出現的問題不是力學上的結構強度，而是以控制混凝土溫度變形裂縫，從而提高混凝土的抗?jié)B、抗裂、抗侵蝕性能，以提高建筑結構的耐久年限為突出任務[3，5-8]。這樣，要求人們從更高起點對大體積混凝土溫度應力問題進行研究，考慮施工過程影響的溫度應力仿真分析理論由此應運而生并逐漸推廣應用。大體積混凝土結構施工過程仿真分析的主要任務是將大體積混凝土結構幾何形態(tài)仿真分析與混凝土結構性態(tài)(溫度場和應力場)仿真分析結合起來，通過施工期與運行期混凝土結構性態(tài)數值模擬，為尋找既滿足應力標準又經濟實用的施工方法提供依據[9-13]。而大體積混凝土力學性能發(fā)展規(guī)律和標準養(yǎng)護下混凝土試件力學性能發(fā)展規(guī)律有很大不同[3，14-15]。直到目前為止，仍沒有人將大體積混凝土力學性能發(fā)展規(guī)律和溫度應力場分析結合起來考慮。

本文根據已實測大體積混凝土溫度發(fā)展曲線，匹配養(yǎng)護混凝土，測得各齡期混凝土的力學性能；并根據經實測溫度校正的ANSYS數值分析的溫度場作為計算溫度應力場基礎，最后利用劈裂抗拉強度與計算得到的溫度應力第一主應力比值，即開裂指數，來評價大體積混凝土由于早期溫度應力引起的開裂。

1 試驗原材料及試驗方案

1.1 原材料及性能

采用甘肅祁連山水泥集團股份有限公司生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥；砂的細度模數2.6，Ⅱ級區(qū)中砂；粒徑為5mm～20mm，連續(xù)級配，其中5mm～10mm占40%，10mm～20mm占60%；外加劑為高效減水超緩凝泵送劑；國電蘭州熱電有限責任公司的粉煤灰，經0.045mm方孔篩篩余8.1%；酒鋼磨細礦渣粉，經0.08mm方孔篩篩分，其篩余為3%。

1.2 混凝土的養(yǎng)護制度

選擇養(yǎng)護曲線原則是承臺最容易開裂表面處(預模擬)混凝土的溫升曲線作為本匹配養(yǎng)護的溫升曲線。匹配養(yǎng)護制度是指實測得到大體積溫度曲線，在可調節(jié)溫度養(yǎng)護箱內，根據溫度發(fā)展規(guī)律在實驗室內進行跟蹤養(yǎng)護的混凝土養(yǎng)護制度。具體養(yǎng)護制度，即實驗室內養(yǎng)護的溫升曲線見圖1。

圖1 表面混凝土匹配養(yǎng)護溫度制度

混凝土表面的溫度在澆筑完成后，36h內的溫度上升速率很快，之后速率減緩，77.5h達到峰值，此后逐漸下降。

1.3 混凝土配合比和試驗方法

混凝土軸心抗壓強度試驗、混凝土劈裂抗拉強度試驗和混凝土靜力受壓彈性模量(簡稱彈性模量)試驗用試件形狀、尺寸以及試驗方法依據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081-2002。配合比見表1。

表1 混凝土配合比 (kg/m3)

2 結果與分析

圖2 不同齡期混凝土靜彈性模量

圖3 不同齡期混凝土劈裂抗拉強度

圖2和圖3中可見，1d～5d匹配養(yǎng)護混凝土的早期彈性模量和混凝土的劈裂抗拉強度增長很快，但靜彈性模量較混凝土劈裂抗拉強度增長速度要慢。在5-28d這段齡期內劈裂抗拉強度和靜彈性模量均增長很小，僅劈裂抗拉強度0.32MPa，靜彈性模量為3.6GPa。靜彈性模量急劇增長，相應的混凝土溫度應力也急劇增長。因此，在研究混凝土的早期開裂，要將早期混凝土靜彈性模量的快速增長視為一個重要的控制因素。從優(yōu)化配合比開始，如利用靜彈性模量的較小的骨料，適當地增加膠凝材料的量，利用大摻量礦物摻合料，摻加超緩凝劑使靜彈性模量早期緩慢發(fā)展，防止在早期由于干縮和溫度突變產生早期裂縫，另外將混凝土早期徐變完全發(fā)揮出來。一方面，由于工程上養(yǎng)護不及時或不澆水養(yǎng)護，干縮、外部溫度驟降；使混凝土的內表綜合應力增加，使混凝土表面開裂；另一方面，混凝土內部由于溫度降低產生收縮，而外部溫度變化比內部更大，以及濕度梯度引起的收縮，也是表面裂縫的一個主要原因。而大體積混凝土對養(yǎng)護的要求比其他混凝土更敏感，因此，控制溫度裂縫，良好的外保溫和保濕是非常關鍵的。

3 大體積混凝土溫度應力場的ANSYS分析

混凝土溫度應力來源于混凝土受約束時熱變化而導致的體積變化。在大體積混凝土中，水泥水化放出熱量，混凝土導熱系數小，而和空氣對流換熱的換熱系數大，從內部到表面產生溫度梯度，越靠近表面處梯度越大，尤其是表面到深度為50cm時，溫差尤為可觀。此溫度梯度導致的應力足以使大體積混凝土產生裂縫。因此，本文進行應用ANSYS軟件溫度梯度導致的溫度應力場的分析。本ANSYS有限元模型分析中，采用的是Solid70單元，其具有熱和結構耦合分析的單元。該模型中全部采用六面體八節(jié)點單元，整個模型單元總數為4004，節(jié)點總數為4830。

根據大體積混凝土結構對稱性，取尺寸6m×14m×2.6m為模擬混凝土塊。圖2中實測靜彈性模量，進行線性插值將混凝土的靜彈性模量非線性的作為載荷加入到應力計算模型中。由于承臺原有底部具有灌注樁，下表面為全約束，另外前兩個表面處于對稱結構的中心，也認為是全約束，所以其計算的約束條件為：下表面、前兩個表面全約束。

混凝土澆筑后1d、3d、5d、7d、14d和28d的S1溫度應力云圖，如圖4所示。

圖4 承臺各齡期溫度應力云圖(S1)

從圖4可見，混凝土溫度應力S1在3d時達到最大，此后逐漸減小。1d、3d、5d、7d、14d和28d承臺表面混凝土溫度最大溫度應力S1分別為：0.57MPa、4.46MPa、4.23MPa、3.79MPa、1.26MPa 和 0.86MPa。整個承臺的混凝土S1出現在下表面靠近四周，各個齡期承臺最大溫度應力S1分別為：5.38 MPa、5.17MPa、4.86 MPa、3.29 MPa和 2.55 MPa。

4 混凝土開裂的確定

工程結構物由于各種原因而喪失其正常工作能力的現象，稱為失效。對于脆性材料，強度失效的形式為脆性斷裂。脆性斷裂，指材料失效時未產生明顯的塑性變形而突然斷裂的現象。因大體積混凝土屬于脆性材料，且溫度應力為拉伸型和拉應力占優(yōu)的混合型應力狀態(tài)，適合于用第一強度理論來評價溫度應力能否導致大體積混凝土開裂。材料發(fā)生斷裂的主要因素是最大拉應力，不論何種應力狀態(tài)，只要其最大拉應力 σtmax達到極限拉應力σu，材料就會發(fā)生斷裂。在復雜應力情況下 σtmax=σ1，斷裂準則為σ1=σb，其中σb為斷裂破壞的強度極限。圖4中的S1為第一主應力，即σ1。因此，劈裂抗拉強度和S1進行比較，只要S1大于劈裂抗拉強度，混凝土一定會開裂。匹配養(yǎng)護實驗得到各齡期混凝土劈裂抗拉強度和ANSYS計算得到各齡期的S1比較見圖5。

圖5 劈裂抗拉強度和S1應力比較圖

圖5中可以看出，0-3d隨著齡期增加，承臺表面最大溫度應力增加；3d-28d，隨著齡期增加，承臺表面最大溫度應力S1逐漸下降。而混凝土劈裂抗拉強度隨著齡期增加逐漸增大，3d內增加速率很大，后期緩慢增長?；炷僚芽估瓘姸群蚐1對比得到：3d時fts/S1值最小為1.12，此后逐漸增大，說明3d是混凝土最易開裂時刻。因此，3d是控制混凝土溫度應力的關鍵時刻。此時混凝土內部溫度較高，易形成大的溫差，且此時混凝土靜彈性模量也幾乎到了峰值，此時溫度應力最大。

此外，在實際工程上，進行了近一個月的實際觀察，工程上沒有發(fā)現任何肉眼可見微裂縫。說明劈裂抗拉強度大于S1可保證大體積混凝土表面不開裂，可以作為評價混凝土表面是否開裂的判據。

最大溫度應力集中在承臺下表面四周，并1d和3d溫度應力均超過了混凝土劈裂抗拉強度。下面應該出現一些裂縫，不過我們無法觀測到。因此，對于底面全約束混凝土，其溫度應力主要集中在承臺底部的四周，這些區(qū)域容易開裂，應在以后實際的工程中著重考慮。

3 結 語

1)在匹配養(yǎng)護條件下，混凝土靜彈性模量和劈裂抗拉強度均發(fā)展很快，1d～5d匹配養(yǎng)護混凝土彈性模量和劈裂抗拉強度趨勢一樣，但比混凝土劈裂抗拉強度增長速度要慢。7d值為36.56GPa，達到28d值的96.2%，之后緩慢增長。在5d時，混凝土劈裂抗拉強度達5.5MPa，之后強度增長緩慢。

2)承臺表面溫度應力S1 3d時達最大，為4.46MPa，5d、7d、14d和28d的溫度應力分別為：4.23MPa、3.79MPa、1.26 MPa和0.86 MPa。3d時fts/S1值最小，此后逐漸增大，說明3d是混凝土最易開裂時刻。

3)在混凝土表面養(yǎng)護條件良好的情況下，fts/S1＞1.12，大體積混凝土表面不會開裂。

4)對于底面全約束大體積混凝土結構，其溫度應力主要集中在承臺底部四周，這些區(qū)域容易開裂，應在以后實際的工程中著重考慮。

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