大体积混凝土抗裂措施浅析

翁志海 徐才华

（1.湖州市城市投资发展集团有限公司 浙江湖州 313000 2.湖州市中心医院 浙江湖州 313000）

0 前言

某医学中心（原某市中心医院迁建工程）后装治疗机房及直线加速器机房为大体积混凝土结构，其内部将安装的医用直线加速器为2类类别，最大能量15Mev。医用直线加速器在开机期间，会产生高强度的x射线、中子射线等，若射线泄露，有可能造成很大的危害，本项目采用超厚密实混凝土对射线进行屏蔽，对混凝土结构的抗裂要求高，故需要采取多种措施预防裂缝的产生。

大体积混凝土施工中，由于水泥水化热引起混凝土浇筑体内部温度剧烈变化，使混凝土浇筑体早起塑性收缩和混凝土硬化过程中的收缩增大，使混凝土浇筑体内部的温度-收缩应力剧烈变化，而导致混凝土浇筑体或构件发生裂缝的现象并不罕见。大体积混凝土所产生的裂缝，起初绝大多数都是表面裂缝，但其中有一部分后来会发展为深层或贯穿性裂缝，影响结构的整体性和耐久性，危害很大。理论分析与实践经验都表明，表面保温是防止表面裂缝的最有效措施。钢筋混凝土结构中，当钢筋发挥作用时，混凝土早已开裂，利用钢筋防止出现混凝土裂缝是困难的，主要需要依靠温度控制以降低拉应力防止裂缝。为了防止大体积混凝土的裂缝，除了控制温度外，还需要采取其他的技术措施，包括提高混凝土的抗裂能力、严格控制混凝土施工质量、改善混凝土结构的约束条件等等，即需要采取综合技术措施[1]。本文对部分抗裂技术措施进行了一些分析研究。

1 项目概况

直线加速器机房位于其项目东南侧，该范围底板厚度0.6m，完成面标高-6.500m。底板混凝土强度等级C40，其余混凝土强度等级C30，顶板最大板厚2900mm，一般板厚1400mm，完成面标高-0.600m、0.900m，最大墙板厚2900mm，一般板厚600mm、1400mm。其底板与地下室底板一同浇筑，墙板及顶板一同浇筑，本文主要论述墙板及顶板混凝土的抗裂措施。

图1 直线加速器机房BIM模型

笔者作为业主项目部管理人员，着重从以下方面对直线加速器室混凝土结构抗裂进行了控制。

2 混凝土原材料选择与配合比设计

直线加速机室结构主体结构混凝土容重愈重、结构厚度愈厚，其防护x射线的性能越好。对于中子射线防护，还需要混凝土体内含有足够量的结合水来慢化快中子的作用。故配制防辐射混凝土时，宜采用胶结力强、水化结合水量高的水泥。

合理选用混凝土原材料品种和配比，尽量使混凝土具有较大抗裂能力，即抗拉强度和极限拉伸较大，绝热温升、弹性模量和线胀系数较小，而且半熟龄期较大[2]。故本项目在普通混凝土的基础上增加了聚丙烯单丝抗裂纤维及EA膨胀剂，并经多次试配试验，在满足拌和、力学性能等要求的基础上尽量减少水泥用量，增加混凝土容重，实际混凝土容重为23.7kN/m3。

3 温度场及温度应力有限元分析预测

为了掌握此结构的温度场及应力场规律，科学指导温度控制，引入仿真计算手段并与施工过程监测相结合，对预防混凝土结构因温度原因开裂有较大的指导意义。并且可以与施工方案所参照的《大体积混凝土施工规范》（GB 50496—2009）附录中的温度应力计算方法计算的结论进行对比分析。

3.1 温度场仿真分析

根据热传导原理进行温度场分析，就是根据混凝土的热学性能与气候条件，在给定的边界条件及初始条件下求解导热方程。

3.1.1 大体积混凝土温度场计算原理

温度场是温度在时间及空间上的分布，描述一个区域内的温度如何随时间变化，如式（1）所示：

式中：a-导温系数；Q-单位时间内单位体积中发出的热量；c-比热；ρ-密度；τ-时间。

3.1.2 热学性能与气候条件

混凝土温度场和温度应力的计算需要各类热学性能参数，包括导热系数、导温系数、比热、密度等。它们取决于骨料、胶凝材料及水的特性，重要工程应由试验确定，一般工程可根据混凝土的各种组份的质量百分比计算。气候条件则根据当地以往三年的气象资料及天气预报数据来预估。本项目实际施工季节为初春。

3.1.3 初始条件及边界条件

初始条件就是在初始瞬时的温度场分布规律，一般来说，当τ=0时，初始瞬时温度可以认为是常数。

混凝土结构顶及四周通过模板及保温板与空气进行热交换，属于第三类边界条件；结构底部与原混凝土底板直接接触，属于第四类边界条件，底部土壤定位为第二类边界，取绝热状态。

目前关于大体积混凝土表面保温计算的常用方法有等效表面散热系数法、等效厚度法、导热系数法等[2]，本文采用等效表面散热系数法进行仿真计算，当新浇混凝土表面覆盖模板及保温板时，定义边界条件仍按第三类边界考虑，此时传热系数β应考虑保温措施的影响，得到总传热系数 βs如式（2）所示：

式中：Rs-保温层总热阻；δi-第i层保温材料厚度；λi-第i层保温材料导热系数，木模板、保温板分别取0.23、0.04W（/m·K）；βμ-固体在空气中的传热系数，取22W/（m2·K）。

3.1.4 荷载

水化热放热规律公式是影响混凝土结构温度场有限元仿真精度的关键因素，本文采用单参数指数式经验公式进行仿真计算，公式如式（3）所示：

式中：Q（τ）-在龄期τ时的积累水化热；Q0-τ→∞时的最终水化热，取335kJ/kg；τ-龄期；m-水化热系数，取 0.3。

ANSYS中不能直接定义混凝土的绝热温升，需做一定的数学转换。在ANSYS中，混凝土的绝热温升通过生热率HGEN来实现。生热率就是单位时间内混凝土的生热量[3]，如式（4）所示：

式中：HGEN-混凝土水化生热率；W-每m3混凝土胶凝材料用量；F-每m3混凝土混合材用量；K-折减系数，取0.25。

图2 浇筑后第3天温度场分布

图3 浇筑后第7天温度场分布

图4 浇筑后第28天温度场分布

如图2～图4所示，结构中心温度最高，并向表面依次降低。最高温度出现在中间机房的顶板及墙板位置。随着龄期增长，高温区域逐渐缩小，最高温度保持在不易散热的中间墙体位置。

基于本文4.2条，实际监测与仿真分析之间的误差在可以接受的范围内，证明使用ANSYS模拟温度场是可行的，也奠定了应力场仿真的基础。

3.2 应力场仿真分析

混凝土浇筑初期，处于升温阶段，弹性模量较小，由变形引起的应力也较小，经过一段时期后，弹性模量会随时间推移迅速提高，因此由变形引起的应力会显著增大，混凝土弹性模量随时间增长过程可用式（5）模拟[4]。

式中：β-掺合料修正系数，取0.95；φ-系数，取0.09；E0-混凝土弹性模量，取 3.0×104N/mm2；E（t）-混凝土龄期为 t时的弹性模量。

如图5～图7所示，升温期间表面最可能出现拉应力，最大应力出现在几处转角位置，降温期间表面拉应力逐渐下降，最大拉应力出现在其内部。

3.3 控制温度裂缝条件

图5 浇筑后第3天应力场分布

图6 浇筑后第7天应力场分布

图7 浇筑后第28天应力场分布

大体积混凝土控温抗裂安全系数为相应龄期混凝土的抗拉强度标准值与对应龄期温度应力值之比，安全系数越大，混凝土结构开裂的概率越小。参照大体积混凝土施工规范，按安全系数取值按1.15控制，如式（6）所示：式中：K-防裂安全系数。

此外混凝土的抗拉强度如式（7）表示：

式中：ftk（t）-混凝土龄期为t时的抗拉强度标准值；ftk-混凝土抗拉强度标准值，取2.01MPa；γ-系数，当无试验数据时，可取0.3。

此结构应力计算结果：第 3、7、14、28d 最大拉应力为 1.06、1.67、1.19、0.68MPa，符合抗裂要求。

4 保温措施及温控实测

4.1 保温保湿措施

直线加速器机房位于负一层，其周边区域顶板及底板已先期浇筑，故浇筑混凝土结构时，其墙板位于室内，顶板位于室外。项目部根据仿真分析结果，对养护措施进行了完善。其墙板木模板外铺50mm厚保温板，并在墙体外侧一米开外，用彩条布环绕外墙一周围成一个封闭区域，在封闭区域内布置加湿器进行加湿。其顶板表面铺设塑料薄膜一层，上铺70mm厚保温板，经常性浇水，并测量水温，监控其与混凝土表面温度关系。

4.2 计算值与实测值对比

图8 中间机房顶板测点计算与实测值对比

仅取中间位置机房顶板中心测点进行示例，如图8所示。其中心最高温度计算值为52.1℃，实测结果表明，此处最高温度为58.8℃，模拟结果与实测温度变化基本吻合，结构实际最大里表温差为16℃。达到预计控温要求，也说明保温效果较好，但需注意良好的保温有可能造成拆除保温设施及模板时也可能造成“冷击”作用，因此本项目实际拆除模板时间为浇筑完成70d之后（此区域作业非关键线路，故允许较长的保温时间）。实际温控措施规范完善，拆模后未发现任何有害裂缝，圆满完成施工任务。

5 结论

本文通过对混凝土配合比的分析，优化其自身材料性能。并采用ANSYS仿真分析预测及实测数据对比，对制定合理的温控措施提供了较为可行的参考并付诸实际应用，达到预期抗裂效果，工程质量也得到保证。但鉴于大体积混凝土结构施工过程、施工材料的复杂性，随机性，使得真正严格意义的仿真计算还有待工程界的共同努力，本文仅做了一些浅显的研究分析。