劉志軍,武春陽,高 瑩,李興躍,朱國(guó)軍

(1.中交建筑集團(tuán)第二工程有限公司,南昌 330013;2.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司,武漢 430083)

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的蓬勃發(fā)展,混凝土高耐久配制技術(shù)越來越得到重視?；炷列阅艿膬?yōu)劣直接影響建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命[1]。此外,建筑結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境也影響混凝土的使用年限,惡劣的服役環(huán)境更易造成混凝土的劣化,尤其是濱海地區(qū),水中的腐蝕性離子以及水位的干濕交替,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性提出了更高的要求[2]。目前針對(duì)混凝土的耐久性研究主要集中在混凝土的補(bǔ)償收縮以及溫升調(diào)控上,吳中偉院士指出加入一定量的膨脹劑可以減免混凝土的內(nèi)部裂縫;日本于20世紀(jì)90年代研制出了抑制水化熱的“電化CSA100R”[3],我國(guó)近幾年針對(duì)混凝土的溫升調(diào)控也開展了大量的研究[4,5]。此外,混凝土結(jié)構(gòu)的有限元建模分析也越來越多地應(yīng)用在工程建設(shè)中[6,7],可以較好的模擬整個(gè)施工過程,得到混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、裂縫系數(shù)分布及變化的仿真分析結(jié)果。

以青島人工智能產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)為研究對(duì)象,通過采用溫控型抗裂劑實(shí)現(xiàn)混凝土的補(bǔ)償收縮和溫升調(diào)控,來預(yù)防混凝土的開裂,借助有限元分析軟件MIDAS FEA,進(jìn)行空白模型和采用溫控型抗裂劑模型的溫度、開裂風(fēng)險(xiǎn)分析,并對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行鉆芯取樣,測(cè)試實(shí)體混凝土的耐久性能,為濱海地區(qū)高耐久混凝土的制備提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥:淄博魯中水泥有限公司提供的PO 42.5水泥;粉煤灰:華電萊州發(fā)電有限公司的F類Ⅱ級(jí)灰;粗骨料:5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石;細(xì)骨料:Ⅱ區(qū)中砂,細(xì)度模數(shù)2.6;減水劑:江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供的聚羧酸系減水劑,減水率21%;溫控型抗裂劑(WKM):武漢三源特種建材有限責(zé)任公司提供;水為自來水。

1.2 溫控型抗裂劑作用機(jī)理

溫控型抗裂劑由溫控組分、膨脹組分以及活性礦物組分按一定比例混合而成。

溫控機(jī)理:溫控組分中的可溶組分含有羥基,可吸附在水泥表面,調(diào)控水泥的誘導(dǎo)期和加速期水化速度,微溶組分在水泥溶液創(chuàng)造出的堿性條件下,可以逐步溶解-吸附于水泥顆粒表面,抑制水泥顆粒中C3S的1～2 d的水化速率,從而抑制水泥加速期和減速期的水化。圖1為空白組(純水泥)與試驗(yàn)組(水泥∶溫控型抗裂劑=7∶3)的凈漿放熱速率。由圖1可以看出,試驗(yàn)組3 d、7 d的水化放熱量分別降低了41.8%和30.7%。

膨脹機(jī)理:膨脹組分主要為輕燒MgO。MgO是采用菱鎂礦通過回轉(zhuǎn)窯煅燒而成,是根據(jù)煅燒溫度的不同制備出的不同活性的MgO材料。MgO在水中可水化生成Mg(OH)2,使固相體積增大118%。MgO具有延遲水化的特性,常溫下活性低,溫度高于40 ℃時(shí),活性得以激發(fā),這種水化特性可以更好地儲(chǔ)存產(chǎn)生的膨脹能,補(bǔ)償降溫階段的溫度收縮。

2 有限元分析

2.1 模型建立

選取地下筏板基礎(chǔ)進(jìn)行建模,筏板尺寸為50 m×50 m×1.8 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,建立1/4有限元模型,如圖2所示。

2.2 參數(shù)確定

筏板采用C40混凝土,空白組與試驗(yàn)組的混凝土配合比見表1,溫控型抗裂劑摻量為膠凝材料總量的10%,替換部分粉煤灰。材料特性值見表2。

表1 混凝土配合比 /(kg·m-3)

表2 材料特性值

設(shè)置三種邊界條件。1)底部固結(jié):底板下方受地基約束,在底板底部輸入固結(jié)邊界條件,約束其三個(gè)平動(dòng)自由度。2)對(duì)稱邊界:僅建立了1/4結(jié)構(gòu)的有限元模型,考慮結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,在關(guān)于X軸對(duì)稱的對(duì)稱面上約束Y向自由度,在關(guān)于Y軸對(duì)稱的對(duì)稱面上約束X向自由度。3)對(duì)流邊界:底板在澆筑過程中,會(huì)涉及到不同外界條件的對(duì)流系數(shù):側(cè)面有模板對(duì)流和空氣對(duì)流;頂面裸露于空氣中。

溫控型抗裂劑摻入混凝土中,不僅會(huì)膨脹改變混凝土的收縮與徐變,還會(huì)影響早期混凝土的熱力學(xué)參數(shù),水化熱分析數(shù)據(jù)見表3。水化熱分析階段劃分為:1)前3 d,底板側(cè)面為2 cm木模板支護(hù),頂面裸露在空氣中;2)3 d拆模后,底板裸露在空氣中。

表3 水化熱分析數(shù)據(jù)

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

溫度評(píng)價(jià)與開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)參照《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》GB 50496—2018進(jìn)行。大體積混凝土溫控抗裂安全系數(shù)是指混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)齡期溫度應(yīng)力計(jì)算最大值之比,按式(1)進(jìn)行判定

(1)

式中,δx為混凝土的溫度應(yīng)力,MPa;ftk(τ)為混凝土齡期為τ時(shí)的軸心抗拉強(qiáng)度,MPa;K為混凝土防裂安全系數(shù),取K=1.15。

采用裂縫系數(shù)η(容許抗拉強(qiáng)度與溫度應(yīng)力的比值)與防裂安全系數(shù)K對(duì)比來評(píng)估其開裂風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)裂縫系數(shù)η≥1.15時(shí),結(jié)構(gòu)基本不會(huì)開裂;當(dāng)裂縫系數(shù)η<1.15時(shí),結(jié)構(gòu)有開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

1)溫度評(píng)價(jià)

表4統(tǒng)計(jì)了混凝土溫度計(jì)算結(jié)果。從表4可以看出,溫控型抗裂劑的摻入,相比于空白組,溫峰降低了5.4 ℃,溫峰出現(xiàn)時(shí)間延遲了6 h,最大里表溫差的降低減小了溫度應(yīng)力引起的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

表4 混凝土溫度信息

2)開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

兩組混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間發(fā)展變化曲線如圖3所示?？瞻捉M第1 d的裂縫系數(shù)為1.06,小于防裂安全系數(shù)1.15,有一定的開裂風(fēng)險(xiǎn);試驗(yàn)組各齡期的裂縫系數(shù)均大于1.15,無開裂風(fēng)險(xiǎn)。由此可知,大體積混凝土的早期開裂風(fēng)險(xiǎn)最高,這是混凝土內(nèi)部溫度的急劇上升,造成較大的里表溫差,而此時(shí)的混凝土抗拉強(qiáng)度處于發(fā)展階段,抵御溫度應(yīng)力的能力較弱。3 d后拆模,在第4 d時(shí),兩組混凝土的裂縫系數(shù)均有所下降,這是因?yàn)椴鹉：?混凝土內(nèi)部溫度降溫慢,表面溫度下降較快,導(dǎo)致里表溫差的再一次增大。溫控型抗裂劑可以降低混凝土早期的水化速率,延緩升溫,有利于混凝土的裂縫控制。

3 工程應(yīng)用

3.1 實(shí)體結(jié)構(gòu)溫度、應(yīng)變

實(shí)體筏板工程采用表1中的C40試驗(yàn)組配合比進(jìn)行澆筑,采用振弦式應(yīng)變計(jì)測(cè)試筏板中心點(diǎn)位和上表面點(diǎn)位的溫度、應(yīng)變發(fā)展,結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,混凝土中心點(diǎn)位和表面點(diǎn)位的溫度、應(yīng)變發(fā)展規(guī)律基本一致。升溫階段,應(yīng)變逐漸增加;降溫階段,混凝土收縮,應(yīng)變減小,在7 d時(shí),應(yīng)變基本趨于穩(wěn)定。在21 d時(shí),兩處點(diǎn)位的應(yīng)變均為正值,筏板結(jié)構(gòu)整體處于微膨脹的狀態(tài),大大減少了收縮引起的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 鉆芯取樣測(cè)試結(jié)果

筏板澆筑30 d后,分別采用150 mm和100 mm孔徑進(jìn)行鉆芯,其中150 mm芯樣切割為100 mm立方體試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度以及干濕循環(huán)試驗(yàn),100 mm芯樣采用RCM(快速氯離子遷移系數(shù))法進(jìn)行氯離子滲透性能試驗(yàn),結(jié)果見表5。從表5可以看出,測(cè)試芯樣經(jīng)過120次干濕循環(huán)后,混凝土的耐蝕系數(shù)可達(dá)98.4%,抗硫酸鹽等級(jí)≥KS 120;芯樣的氯離子滲透系數(shù)為2.34×10-12m2/s,達(dá)到RCM-Ⅳ等級(jí)。實(shí)體混凝土具有良好的抗硫酸鹽侵蝕能力以及抗氯離子滲透能力。

表5 芯樣測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

a.基于有限元分析,溫控型抗裂劑可以提高裂縫系數(shù),保證各齡期的裂縫系數(shù)均大于防裂安全系數(shù)1.15,降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

b.工程應(yīng)用結(jié)果表明,混凝土中摻入溫控型抗裂劑,可使筏板混凝土在21 d時(shí),整體仍處于微膨脹狀態(tài),減少了收縮引起的開裂風(fēng)險(xiǎn);筏板混凝土的抗硫酸鹽等級(jí)≥KS 120,抗氯離子滲透性能達(dá)到RCM-Ⅳ等級(jí),具有良好的耐久性能。