李兆宇

渤海石油航務(wù)建筑工程有限責(zé)任公司

1 引言

混凝土是由多種材料所構(gòu)成的復(fù)合型材料，其自身具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性的特征。在特殊的荷載條件之下，混凝土材料自身的力學(xué)性質(zhì)和破壞機(jī)理會(huì)發(fā)生一定的變化，存在較強(qiáng)的離散性，同時(shí)還會(huì)面臨尺寸效應(yīng)的影響，而這些問(wèn)題的存在均會(huì)直接影響到高強(qiáng)度大體積混凝土材料的使用效果和質(zhì)量，同時(shí)也是學(xué)術(shù)界的所面臨的主要研究難題。高強(qiáng)度大體積混凝土一般常用于建筑物大體積基礎(chǔ)部位施工，具體使用時(shí)需要明確分析使用條件，做到科學(xué)使用、合理使用，從而確保工程自身的質(zhì)量、安全性和經(jīng)濟(jì)性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就必須強(qiáng)化對(duì)于高強(qiáng)度大體積混凝土材料的特性研究，如力學(xué)研究、變形研究、抗裂性能研究等，并深入到建筑物大體積基礎(chǔ)的基本特征當(dāng)中，分析其開(kāi)裂原因和混凝土損傷機(jī)制，為建筑物大體積基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)，間接達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、完善施工體系的目的。

2 高強(qiáng)度大體積混凝土材料概述

2.1 高強(qiáng)度大體積混凝土的成分分析

除了也能夠組成普通混凝土水泥、砂、石和水外，還有兩類(lèi)比較特殊的成分高效減水劑和礦物摻和料。其一，高能減水劑，高能減水劑能夠提高高強(qiáng)度大體積混凝土材料的性能，使得其強(qiáng)度和耐久性能夠極大提升。高能減水劑在是構(gòu)成高強(qiáng)度大體積混凝土材料的重要成分，其具有較高的分散能力，能夠在減少用水量的基礎(chǔ)提升混凝土強(qiáng)度。同時(shí)也能夠提高混凝土的強(qiáng)度，有效避免混凝土坍落，保證施工安全和施工質(zhì)量。當(dāng)然，為了更好地滿(mǎn)足高強(qiáng)度大體積混凝土材料的功能需要，也可以適當(dāng)選擇加入一些其他的添加劑，如防凍劑和防水劑等。其二，礦物摻和料，礦物摻和料主要包括粉煤灰、硅粉和磨細(xì)礦渣三種，這三種材料在高強(qiáng)度混凝土材料中發(fā)揮的功能和作用不一。粉煤灰是一種表面光滑得多顆粒球形的粉末，一般來(lái)源與鍋爐煙氣中。將粉煤灰加到高強(qiáng)度大體積混凝土的拌和中能夠產(chǎn)生滾珠潤(rùn)滑效應(yīng)，使得水泥分布更加均勻，能夠有效地提升混凝土材料的各項(xiàng)功能，延緩水化速度，避免溫度裂縫的出現(xiàn)。硅粉是一種表面光滑，顆粒相當(dāng)微小的粉末，多來(lái)源于生產(chǎn)硅鐵和硅鋼合金生產(chǎn)煙氣。將硅粉加入混凝土拌和中能夠保證混凝土的粘聚性，保證混凝土的強(qiáng)度和耐久性。硅粉拌和需要大量的水，所以在進(jìn)行拌和時(shí)候要綜合考慮到硅粉的需水量和高能減水劑的用量，并選擇性能良好的硅粉作為原料。礦渣是一種比較常見(jiàn)的建筑原料，主要是高爐煉鐵產(chǎn)生的熔融礦渣，在排出后用水淬冷切的方法來(lái)對(duì)高溫狀態(tài)的礦渣進(jìn)行冷卻。但是這種原始的礦渣和其他建筑材料發(fā)生影響的速度相當(dāng)?shù)穆?。將礦渣磨細(xì)能夠有效提升其活性，提高其反應(yīng)速度，但是這種材料的成本相對(duì)較高，性能越好價(jià)格越高。將超細(xì)礦渣加入混凝土拌和中能夠延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間，抑制堿-骨料反應(yīng)，提高高強(qiáng)度大體積混凝土材料的各項(xiàng)性能。

2.2 高強(qiáng)度大體積混凝土的優(yōu)缺點(diǎn)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度大體積混凝土具有強(qiáng)度高、抗壓能力強(qiáng)、減震效果明顯等優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的混凝土比較有著巨大的差距。且高強(qiáng)度大體積混凝土材料的橫截面美觀舒適，而且經(jīng)濟(jì)價(jià)值大。高強(qiáng)度大體積混凝土增加了使用面積，使得混凝土變形程度小，剛度效果大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定明顯。此外，因?yàn)楦邚?qiáng)度大體積混凝土的材料致密，也帶來(lái)了不少好處，這使得其擁有較強(qiáng)的抗凍、抗沖擊、防滲和抗腐蝕優(yōu)點(diǎn)。但是高強(qiáng)度大體積混凝土材料并非十全十美，也存在著不足。高強(qiáng)度大體積混凝土施工條件較為復(fù)雜，需要的施工技術(shù)較為復(fù)雜，通常是選擇用整體澆筑技術(shù)，但是在施工中需要格外注意，以避免出現(xiàn)工縫。高強(qiáng)度混凝土因?yàn)轶w積大，所以重量大，需要花費(fèi)的養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)。因?yàn)殡y以進(jìn)行導(dǎo)熱和不耐高溫，非常容易出現(xiàn)裂縫。裂縫的出現(xiàn)不僅僅影響高強(qiáng)度大體積混凝土的美觀和品質(zhì)，更是會(huì)影響高強(qiáng)度大體積混凝土結(jié)構(gòu)安全。如果沒(méi)有及時(shí)風(fēng)險(xiǎn)裂縫并進(jìn)行及時(shí)地修復(fù)，或者在施工中受到了更多影響因素的影響，那么高強(qiáng)度大體積混凝土的優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)降低。如果裂縫在不斷加深和加寬，高強(qiáng)度大體積的特性會(huì)發(fā)揮作用，整個(gè)大型建筑物將存在安全隱患，建筑物的結(jié)構(gòu)將會(huì)不穩(wěn)定，會(huì)影響人們的生產(chǎn)生活，威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3 高強(qiáng)度大體積混凝土材料的現(xiàn)存問(wèn)題

3.1 裂縫問(wèn)題

裂縫問(wèn)題在任何混凝土結(jié)構(gòu)中均無(wú)法避免。而對(duì)于高強(qiáng)度大體積混凝土材料而言，若想要減少或者規(guī)避裂縫的出現(xiàn)，就必須從混凝土材料自身的抗力特性角度出發(fā)，并強(qiáng)化對(duì)于施工過(guò)程的外力控制、溫度變化控制以及約束力控制效果，進(jìn)而達(dá)到控制混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的目的。從某種角度來(lái)看，混凝土材料的抗力特性變化是可控的，是可以人工參與干涉的，只要對(duì)各項(xiàng)組成材料的抗力特定進(jìn)行研究分析，并通過(guò)對(duì)于用料量和材料種類(lèi)的調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)最終的目的。從目前階段各種工程對(duì)于高強(qiáng)度大體積混凝土材料的基本要求來(lái)看，提升混凝土材料的強(qiáng)度、抗?jié)B性能、耐久性依然是主要的設(shè)計(jì)方向，而想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就必須從抗裂研究的角度出發(fā)，分析各項(xiàng)不同配合材料的物理力學(xué)性能，從而優(yōu)化混凝土材料的配合比例，滿(mǎn)足工程自身對(duì)于抗裂縫的實(shí)際需求。高強(qiáng)度大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行分類(lèi)并歸納產(chǎn)生裂縫的原因，發(fā)現(xiàn)主要分為以下幾種。

（1）溫度裂縫，高強(qiáng)度大體積混凝土結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)差和不耐熱使得其內(nèi)外部溫度應(yīng)力大，且因?yàn)楦邚?qiáng)度大體積混凝土結(jié)構(gòu)體積大，重量足，在澆筑硬化，因?yàn)樗嗨a(chǎn)生了巨大熱量，這些熱量因?yàn)楦邚?qiáng)度大體積材料的特性無(wú)法從內(nèi)部散發(fā)出去，從而使得高強(qiáng)度大體積混凝土內(nèi)部溫度在不斷升高，而外部因?yàn)楹涂諝饨佑|以及早晚溫度差的原因，高強(qiáng)度大體積混凝土表面散熱容易，從而溫度不高，內(nèi)外部溫度存在巨大差異，內(nèi)外部溫度應(yīng)力巨大，從而導(dǎo)致溫度變形。此外，進(jìn)行澆筑時(shí)的溫度也會(huì)影響高強(qiáng)度大體積混凝土的內(nèi)外溫度差，當(dāng)澆筑時(shí)，外界溫度過(guò)高，那么將直接導(dǎo)致高強(qiáng)度大體積內(nèi)部溫度過(guò)高。內(nèi)部溫度過(guò)高，而外部溫度因?yàn)楸韺由岱奖?，直接?dǎo)致內(nèi)外部溫度差增大，溫度應(yīng)力同時(shí)也隨之增大，而導(dǎo)致溫度裂縫的出現(xiàn)。

（2）收縮裂縫，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，澆筑工作中的水并沒(méi)有全部用于混凝土的凝結(jié)硬化，而大部分是被蒸發(fā)和揮發(fā)掉了。高強(qiáng)度大體積混凝土也如是，比例是1：4。水分的蒸發(fā)和揮發(fā)必然是伴隨著升溫的，混凝土的凝結(jié)硬化會(huì)升溫，散熱也會(huì)升溫，這兩者不僅僅會(huì)使得混凝土內(nèi)外溫度差增加，更是會(huì)讓混凝土體積發(fā)生收縮效應(yīng)，而高強(qiáng)度大體積混凝土因?yàn)轶w積大，這種收縮現(xiàn)象更加突出。收縮反應(yīng)使得混凝土內(nèi)外應(yīng)變應(yīng)力和抗拉應(yīng)力矛盾作用，從而產(chǎn)生裂縫。

（3）約束裂縫和安定裂縫，澆筑施工是高強(qiáng)度大體積混凝土施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，而高強(qiáng)度大體積混凝土因?yàn)轶w積大、重量足，又使得水化熱更加劇烈，這使得高強(qiáng)度大體積混凝土的溫度變化劇烈，內(nèi)部約束增大而產(chǎn)生變形，但是又會(huì)被外部約束所桎梏，相互作用，使得抗拉應(yīng)力反復(fù)變化，從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。此外，安定性裂縫也是高強(qiáng)度大體積混凝土結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)的一種裂縫類(lèi)型，這種裂縫和前三者有所不同，其裂縫主要是以龜裂形態(tài)呈現(xiàn)，這種裂縫產(chǎn)生的原因主要是高強(qiáng)度大體積混凝土材料中的水泥安定性不合格。

3.2 地震對(duì)混凝土材料的變形影響

隨著現(xiàn)代信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，在分析地震因素對(duì)于混凝土材料的影響時(shí)已經(jīng)可以由計(jì)算機(jī)作出精確計(jì)算，但這種計(jì)算方式容易受到計(jì)算機(jī)設(shè)備自身精準(zhǔn)度和仿真度的影響，故最終的計(jì)算結(jié)果往往會(huì)于實(shí)際表現(xiàn)之間存在偏差，但這種偏差在多數(shù)情況下均可以控制在可接受的范圍之內(nèi)。而對(duì)于在遠(yuǎn)場(chǎng)地基深部出現(xiàn)地震情況時(shí)，地震所形成的沖擊波會(huì)在傳播的過(guò)程中不斷的反射、折射，且傳播過(guò)程中會(huì)受到多種不均勻介質(zhì)及不規(guī)則地形的影響和干擾，故地震沖擊波在反饋到地面區(qū)域時(shí)往往會(huì)呈現(xiàn)出非均勻狀的分布。在計(jì)算地震對(duì)于混凝土材料的干擾和影響時(shí)，必須在計(jì)算模型上體現(xiàn)出地震運(yùn)行的非均勻變化，且需要關(guān)注混凝土材料在地震影響之下的強(qiáng)度變化和應(yīng)力變化。

在以往的研究和分析當(dāng)中，由于國(guó)內(nèi)缺少完善的試驗(yàn)資料，故多數(shù)情況下需要使用國(guó)外的試驗(yàn)資料進(jìn)行分析，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)設(shè)計(jì)方式來(lái)對(duì)于混凝土材料的抗震等級(jí)進(jìn)行判斷。不可否認(rèn)的是，國(guó)內(nèi)目前對(duì)于混凝土材料的強(qiáng)度研究及變形研究依然落后于國(guó)外，且由于這一研究的起步和發(fā)展較晚，目前依然處于起步階段和摸索階段，尤其是缺少針對(duì)荷載作用下混凝土材料結(jié)構(gòu)關(guān)系、斷裂特性的研究。

3.3 力學(xué)與變形的仿真研究

建筑物大體積基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擁有獨(dú)立、特殊的安全系數(shù)設(shè)計(jì)方式，即建筑物大體積基礎(chǔ)自身的應(yīng)力需要低于某一特定的標(biāo)準(zhǔn)值，而這一特定的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值大小則取決于混凝土構(gòu)件在特殊環(huán)境下的極限強(qiáng)度和經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)的比例。僅從安全系數(shù)的角度來(lái)看，其一般會(huì)與混凝土構(gòu)件的大小、尺寸之間有著密切的關(guān)聯(lián)性，即不同持續(xù)、不同形狀的混凝土構(gòu)件的安全系數(shù)也不盡相同。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步和施工工藝的不斷優(yōu)化，建筑物大體積基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)常使用經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行判斷，故針對(duì)混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度特性研究反而不會(huì)進(jìn)行使用，其主要原因就在于混凝土構(gòu)件的安全系數(shù)會(huì)受到構(gòu)件自身的大小和性狀影響。實(shí)踐證明，這種經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)研究方式無(wú)法從根本上對(duì)安全性作出準(zhǔn)確地評(píng)估和分析，甚至還會(huì)對(duì)建筑物大體積基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)水平造成一定的負(fù)面。

現(xiàn)階段，在評(píng)估建筑物大體積基礎(chǔ)的安全度時(shí)，工作人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)依然占據(jù)著主導(dǎo)的地位，且更加側(cè)重于建筑物大體積基礎(chǔ)在極限狀態(tài)下的平穩(wěn)條件。一般情況下，建筑物大體積基礎(chǔ)的強(qiáng)度破壞問(wèn)題已出現(xiàn)裂縫或者變形為主，其主要原因在于混凝土材料的塑性開(kāi)裂或者內(nèi)部存在累積性損傷的問(wèn)題。而在模擬破壞過(guò)程時(shí)，材料結(jié)構(gòu)和混凝土材料在失效時(shí)的極限強(qiáng)度確定就成了關(guān)鍵所在，其對(duì)于評(píng)估建筑物大體積基礎(chǔ)安全性時(shí)起到了重要的作用。此外，建筑物大體積基礎(chǔ)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中也難免會(huì)存在開(kāi)裂的情況，當(dāng)出現(xiàn)這種情況時(shí)就必須高度關(guān)注對(duì)于開(kāi)裂位置的控制，若僅僅是建筑物大體積基礎(chǔ)局部拉應(yīng)力超標(biāo)，脫離了安全標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)時(shí)，并不意味著建筑物大體積基礎(chǔ)功能的失效，因而只要做好對(duì)于裂縫處的控制，確保裂縫面積不會(huì)擴(kuò)大或者深入，建筑物大體積基礎(chǔ)依然可以正常使用。在具體分析建筑物大體積基礎(chǔ)裂縫問(wèn)題時(shí)，三維非線性有限單元法起到了決定性的作用價(jià)值，這一分析方法能夠?qū)ㄖ锎篌w積基礎(chǔ)開(kāi)裂情況作出準(zhǔn)確判斷，但這種方式由于僅僅是通過(guò)材料模型分析，故在判斷混凝土材料受載狀態(tài)的效果時(shí)反而無(wú)法起到較好地效果。因此，在研究混凝土材料強(qiáng)度和變形特性時(shí)，必須要總結(jié)各種破壞形態(tài)的基本特點(diǎn)，進(jìn)行綜合性的分析和判斷。

4 高強(qiáng)度大體積混凝土材料的研究

4.1 配合優(yōu)化研究

高強(qiáng)度大體積混凝土材料的配合比例將影響到混凝土材料的具體性能參數(shù)，其主要的影響因素包括原材料自身的質(zhì)量、用量和組合搭配方式。在具體研究時(shí)，需要從以往的研究資料出發(fā)，高度重視混凝土材料的強(qiáng)度、抗變形能力和抗裂能力，綜合分析之后構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)，試驗(yàn)分析不同配比的結(jié)果，并根據(jù)工程的實(shí)際需求選擇最合適的配合比例。

4.2 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度特性研究

在研究高強(qiáng)度大體積混凝土材料的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度特性時(shí)，要重視動(dòng)力荷載作用對(duì)于混凝土材料的破壞機(jī)制，調(diào)整應(yīng)變速率，低周反復(fù)加載，進(jìn)而獲取真實(shí)的動(dòng)態(tài)參數(shù)仿真試驗(yàn)結(jié)果。

4.3 全級(jí)配混凝土試件特性研究

在研究全級(jí)配混凝土試件時(shí)，混凝土試件的尺寸、大小、形狀、成型條件均是主要的研究?jī)?nèi)容，并要在這一基礎(chǔ)上構(gòu)建完善的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展一系列試驗(yàn)內(nèi)容。試驗(yàn)方法以細(xì)觀力學(xué)分析法為主，在計(jì)算機(jī)上模擬混凝土材料的宏觀力學(xué)特性，進(jìn)而得到混凝土材料的容許使用強(qiáng)度。

4.4 損傷-斷裂特性研究

在對(duì)高強(qiáng)度混凝土損傷-斷裂特性研究時(shí)，要按照系統(tǒng)開(kāi)展的原則，并根據(jù)研究實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)和成果來(lái)對(duì)損傷斷裂機(jī)理進(jìn)行判斷。明確標(biāo)準(zhǔn)，建立能夠反映高強(qiáng)度大體積混凝土損傷斷裂特性的本構(gòu)關(guān)系。以損傷斷裂理論標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展，建立擴(kuò)展模型，推斷斷裂參數(shù)，并進(jìn)一步對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行研究。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合來(lái)看，隨著高強(qiáng)度大體積混凝土材料的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，加強(qiáng)對(duì)于高強(qiáng)度大體積混凝土材料的綜合研究分析已經(jīng)成了必然趨勢(shì)，相關(guān)單位及工作人員應(yīng)當(dāng)重視對(duì)于現(xiàn)有問(wèn)題的研究，擴(kuò)寬高強(qiáng)度大體積混凝土材料的使用范圍，不斷改革施工工藝，為建設(shè)高質(zhì)量的工程項(xiàng)目提供理論依據(jù)。