水化热抑制剂对大体积混凝土温度裂缝的影响研究

2018-11-23何贝贝侯维红纪宪坤徐可

新型建筑材料 2018年11期

何贝贝，侯维红，纪宪坤，徐可

（武汉三源特种建材有限责任公司，湖北武汉 430070）

0 引言

大体积混凝土因受水泥水化热的影响，结构内部温度会剧烈变化，由于混凝土内部约束程度及温度分布的不均匀性而产生温度应力，一旦温度应力超过了混凝土的容许抗拉强度便会产生温度裂缝。温度裂缝不仅会影响建筑结构的使用功能，降低其刚度，还会影响到混凝土的耐久性。在大体积混凝土裂缝控制方面，学者们开展了深入的研究，并提出了控制措施，其核心均体现在控制混凝土的水化热及温度发展历程。路璐和李兴贵[1]从设计、监测、施工和原材料等方面介绍了控制温度裂缝的方法。徐仕林等[2]采用有限元软件研究了掺入混凝土温升抑制剂后大体积混凝土的温度场变化，说明了大体积混凝土配合比、施工方案、方法、组织等因素对温度裂缝控制的重要性。郝兵、张晓果等[3-4]研究了水化热抑制剂应用到混凝土中对其强度、工作性能、力学性能、绝热温升等指标的影响，结果表明，水化热抑制剂能有效控制混凝土温峰，提高混凝土的施工性能，抗压强度早期偏低，但后期会高于空白混凝土。吴翠娥等[5]研究了自制水化热抑制剂与膨胀剂复合后对砂浆体系的影响，发现其能有效调控膨胀砂浆强度和限制膨胀率的协调发展。贾福杰等[6]介绍了水化热抑制型膨胀剂在工程中良好的控制冷缩开裂的应用情况。

以合肥某工程为背景，借助midas Civil有限元软件对未掺入水化热抑制剂的基准混凝土和掺入水化热抑制剂的受检混凝土进行了对比分析，依据其温度场、温度应力场的运算结果，提出了大体积混凝土结构中掺入水化热抑制剂对于控制混凝土早期开裂有利的依据，为同类工程实践提供参考。

1 工程概况

该地下室底板厚度为1.5 m，浇筑过程中最大的底板平面尺寸近似为长42 m，宽29 m，属于大体积混凝土。底板混凝土强度等级为C35，入模温度约为18℃，底板混凝土浇筑施工季节为1～2月，期间合肥的环境温度在-2～8℃。

2 研究方法

2.1 有限元模型

考虑到底板结构的对称性，建立1/4有限元模型（见图1），即长21 m×宽14.5 m×厚1.5 m；为准确反映底板的约束情况及水化热传播过程，在底板结构底部设置3 m厚地基，长、宽为沿结构外边缘各向外扩展3 m，即地基尺寸长48 m×宽35 m×厚3 m。C35混凝土各性能参数按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》进行取值，不同环境中对流系数根据GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》进行计算取值，混凝土的计算参数如表1所示；地基土的热力学参数按照工程地基勘察报告获得，计算参数如表2所示。底板采用分层浇筑法，每层厚度0.3 m，分5层浇筑；相邻上下2层的浇筑间隔时间取1.5 h，采用15 mm厚木模板支护。1/4有限元模型如图1所示，其中节点共计13 410个，分割实体单元11 190个。假设水化热分析支护，顶面施工阶段为：①从底板开始浇筑至浇筑完成3 d内，侧面木模板不加保温养护；②底板浇筑完成后第4～7 d，侧面木模板支护，顶面采用40 mm毛毡土工布保温；③底板浇筑完成后第8 d拆除木模板，侧面加40 mm毛毡土工布保温；④底板浇筑完成后第17 d去掉保温养护，底板裸露于空气中。水化热分析历程设为30 d。

图1 底板1/4有限元模型

表1 C35混凝土的性能参数

表2 地基土的性能参数

2.2 热源函数的确定

采用midas Civil有限元软件进行水化热分析时，程序中提供的热源函数可以描述混凝土水化过程的放热状态[7]。为探究水化热抑制剂对混凝土水化热放热状态的影响，根据此底板混凝土配合比配制了2组混凝土进行绝热温升测试，未掺入水化热抑制剂的混凝土称为“基准混凝土”；掺入水化热抑制剂的混凝土称为“受检混凝土”，其水化热抑制剂掺量为胶凝材料质量的1%，其余原材料的配合比同基准混凝土，具体参数值如表3所示。

表3 混凝土的配合比 kg/m3

试验配制的混凝土原材料分别为：广西渔峰42.5级中热水泥，来宾电厂的Ⅰ级粉煤灰，粗骨料制成的人工砂（细度模数2.6左右，中砂），江口天然砂砾石料场的石子（粒径5～31.5 mm），长安育才的GK-9A引气剂，武汉三源的SY-PA聚羧酸高效减水剂。水化热抑制剂为武汉三源特种建材有限公司自制，是一种调控水泥水化进程、控制水泥放热速率的混凝土外加剂。其在混凝土的碱性环境中会逐步溶解，抑制剂分子附着在水泥粒子、水泥水化产物颗粒的表面，从而抑制水泥加速水化；同时，水化热抑制剂在混凝土中的溶解量很小，在其中不断地进行溶解和吸附的过程，使水泥水化反应逐步进行，缓慢放热。在各学者研究得到的“水化热抑制剂基本不影响混凝土性能”的结论上，本文提出采用水化热抑制剂控制大体积混凝土早期温度裂缝的思路，通过有限元分析验证其实现的可能性。

在测试2种混凝土的力学性能均符合规范要求的前提下，绝热温升测试结果如表4所示。

表4 混凝土绝热温升检测结果

结合midas Civil中提供的热源函数：

式中：K——最大绝热温升，℃；

t——龄期，d；

a——常数。

采用Origin将基准混凝土和受检混凝土的绝热温升数据按照热源函数形式拟合，得出拟合曲线如图2、图3所示，函数方程为：基准混凝土F（t）=32.824×（1-e-0.61t）；受检混凝土F（t）=34.938×（1-e-0.15t）。

图2 基准混凝土绝热温升拟合曲线

图3 受检混凝土绝热温升拟合曲线

将基准混凝土和受检混凝土的绝热温升拟合曲线作为热源函数输入到midas Civil进行水化热分析，研究底板中心厚度方向上6个不同部位的温度变化情况，如图4所示。节点N23、N27、N31、N35为 1.5 m底板厚度方向上的五等分点，N26287为混凝土外表面以内50 mm处的外表温度参考点，N24997为混凝土底面上50 mm处的底面温度参考点。

图4 各参考点位置示意

3 温度场分析

将基准混凝土与受检混凝土的绝热温升函数曲线分别输入midas Civil中，运行分析得到各参考点温度时程曲线，如图5、图6所示，对比分析混凝土掺入水化热抑制剂后，不同部位出现温峰的延迟时间以及温峰降低值，如表5所示。

图5 基准混凝土各参考点温度时程曲线

图6 受检混凝土各参考点温度时程曲线

表5 掺入水化热抑制剂后不同部位温峰的延迟时间及温峰降低值

结合图5、图6、表5可知，在大体积混凝土结构中掺入水化热抑制剂后，对混凝土中心区域各部位的温峰出现时间和温峰值均有影响，尤其是中下部区域温峰延迟时间在5.5～6.0 d，温峰值也降低了3.5～6.2℃；上部区域的温峰值也会受到影响，但并不明显。整体来说，水化热抑制剂掺入到混凝土结构中，会抑制水泥中硅酸三钙前1～2 d的水化速率，减缓水泥水化热释放速度，温度时程曲线较基准混凝土结构变得更为平缓。基于此，混凝土结构温峰值会有所降低，混凝土结构会降低因水化热集中释放导致里表温差过大产生温度裂缝的风险，理论上可有效减少混凝土结构早期的温度收缩裂缝。

4 温度应力场分析

朱伯芳[8]院士曾提出，防止混凝土裂缝的方法仅依靠温度控制并不全面，控制温度应力才是关键。大体积混凝土开裂究其根本是由于拉应力超过了容许抗拉强度，而拉应力会受温差、约束条件等影响。本文设置了同样的地基约束条件，对比研究了掺入水化热抑制剂前后混凝土结构的温度应力场分析结果。各参考点温度应力与容许抗拉强度的时程关系如图7所示。

图7 不同部位温度应力与容许抗拉强度的变化

由图7可以看出：

（1）在大体积混凝土结构中掺入水化热抑制剂后，早期的容许抗拉强度发展较缓慢且强度偏低，在其强度发展过程中与基准混凝土相比，最大差幅为13%；但其最终的容许抗拉强度与基准混凝土基本一致。

（2）掺入水化热抑制剂后，受检混凝土结构各部位前7 d的温度应力均得到了不同程度的降低，与基准混凝土相比，N24997、N31、N35、N26287各参考点的最大降幅达到87.64%。对于N27参考点而言，基准混凝土结构在第66 h时温度应力比容许抗拉强度高0.3 MPa，开裂风险极高；但受检混凝土结构此时的温度应力比容许抗拉强度低0.38 MPa，在强度上留有富余，较大地降低了此区域的开裂风险。对于N23参考点而言，基准混凝土结构在18～84 h内温度应力均超过了容许抗拉强度，第66 h时达到最大超出值2 MPa；掺入水化热抑制剂后，受检混凝土结构温度应力超出容许抗拉强度的时间缩短了5 h，最大超出值为1 MPa，在原温度应力峰值的基础上降低了50%。虽然未能将温度应力控制在容许抗拉强度范围内，但是较大程度地降低了温度应力峰值，后期再辅助其它温度裂缝控制措施，即可将温度应力降至混凝土容许抗拉强度范围内。

（3）掺入水化热抑制剂后，混凝土后期的温度应力在部分时间范围会比基准混凝土的要高，但其均在容许抗拉强度范围内，不会产生开裂风险。