温升抑制剂对薄壁大体积混凝土防裂效果分析

李 红,陈亿兆,李蕴升

(1.江苏省太湖地区水利工程管理处,江苏 苏州 215100;2.江苏省江都水利工程管理处,江苏 扬州 225200)

1 概 述

在当前的水利工程中,水闸的底板与闸墩、泵站厂房的底板、渡槽的底板与隔墙、隧洞的衬砌等都是薄壁大体积混凝±结构,如位于扬州的江都水利枢纽,是新中国第一座自行设计、建造的大型泵站群,含有12 座大中型水闸。 但根据工程建设经验,薄壁混凝±结构经常会在施工期出现枣核形裂缝[1]。 这种裂缝经常是贯穿性的结构缝,不仅破坏了结构的整体性,而且造成渗流通道,加速钢筋的腐蚀,严重影响了工程结构的安全性与稳定性。

混凝±水化反应释放大量热量,当混凝±结构体积较大时,热量难以散发,将导致浇筑后的混凝±内部温度的空间分布不均匀。 通常情况下,内部中心区域的温度高,边界区域的温度低。结构由于温度而导致的变形受到约束时,包括地基约束、成熟期混凝±约束,将会产生较大的拉应力[2-3]。 当拉应力超过混凝±的抗拉强度时,早龄期的大体积混凝±将会产生表面裂纹、深层裂纹甚至贯穿性的温度裂纹[4]。

为减少或者避免早龄期大体积混凝±温度应力导致的裂纹,需要采取合理的温控措施,降低混凝±的温度峰值和温度梯度[5-6]。 主要措施包括采用低热水泥或采用粉煤灰代替高热水泥,降低混凝±绝热温升[7];采用预冷骨料、加强运输保温等措施来降低混凝±浇筑时的温度[8];布置冷却水管,降低混凝±温度峰值[9]等。 上述措施均可有效降低大体积混凝±温度峰值,从而降低混凝±温度应力,避免温度裂纹的出现。

而在实际工程中,尤其是小型工程项目如小型水闸、渡槽等,这些温控措施的实施是存在难度的。 其原因是由于小型工程项目常采用商品混凝±,商品混凝±的配合比通常是确定的,难以通过调整混凝±配合比来降低绝热温升。 而且由于长距离运输,即使拌和时采用骨料预冷等温控手段,仍难以保证较低的入仓温度。 另外,小型工程项目通常为薄壁混凝±结构,这使得冷却水管的铺设难度较大。 因此,为解决薄壁大体积混凝±温度峰值较高、温度应力过大、产生裂纹的问题,需要采用其他有效且经济的温度控制措施。

混凝±水化热抑制剂(TRI)作为一种新型的混凝±外加剂,具有减缓混凝±水化反应放热速率的作用,近年来在部分±木工程中得到应用。常见的水化热抑制剂可由玉米淀粉酸水解制备。ZHANG 等[10]对水化热抑制剂在水泥体系中的作用机理进行了较为系统的研究,认为水化热抑制剂的热抑制效果来源于有机分子在C-S-H 凝胶表面的吸附,抑制了凝胶的进一步生长。 但TRI对水泥溶解动力学和C-S-H 晶体-溶液界面能影响不大。 ZHAO 等[11]将水化热抑制剂添加至高强混凝±中,利用低场核磁共振波谱测量混凝±孔隙率,结果表明试样孔隙率随着TRI 含量的增加而减小,有助于优化混凝±孔隙结构。SHEN 等[12]研究表明TRI 有助于改性水泥水化,减少高强混凝±的放热。 添加TRI 后,混凝±的温度峰值、温升速率、自生收缩和拉伸蠕变随TRI含量的增加而降低,提高了抗早衰开裂性能。 同时,由于C-S-H 一旦形成,将会非常稳定,不受水化热抑制剂的影响,因此对于普通混凝±绝热温升终值以及混凝±的最终强度无较大变化[13]。水化热抑制剂的这种特性,可能会降低薄壁大体积混凝±的温度峰值和拉应力。

由于水化热抑制剂性质的特殊性,并且诞生时间较晚,因此现阶段研究大多数涉及机理,而对其工程中的适用性仍缺乏明确的认识。 多数研究者仅对使用水化热抑制剂后的结构进行温度测量,而未分析其对应力场可能造成的影响[14-15]。 而有关混凝±添加水化热抑制剂后对于结构温度场和应力场的分析[16],并没有考虑到不同掺量的影响,且忽略了混凝±的徐变影响,使水化热抑制剂在工程中的应用受到限制。

本文利用相关水化热抑制剂的实验数据,利用双指数函数对实验数据进行拟合,作为数值模拟的初始数据。 并以常见的大体积薄壁混凝±结构——水闸为例,建立有限元模型,研究不同水化热抑制剂掺量对结构温度场和应力场的影响,推荐合适的水化热抑制剂掺量。 同时,调整水闸的结构厚度,研究结构厚度对水化热抑制剂使用效果的影响,确定水化热抑制剂的使用范围,以期为混凝±水化热抑制剂在工程中的应用提供参考和建议。

2 计算模型与参数

由于实验困难,因此数值模拟成为分析大体积混凝±的有效方式。 模拟时,需要先计算混凝±内部的不稳定温度场分布,然后依据温度场分布求解应力场,具体的有限元实施方法参照朱伯芳等[3]的研究。 通过对ABAQUS 进行二次开发,可实现早龄期大体积混凝±的有限元计算,具体的实现过程在王建等[17]文章中已被详细阐述。

2.1 计算模型

本文以小型水闸为例,分析添加水化热抑制剂后对混凝±结构温度场和应力场的影响。 图1为水闸的底板和闸墩正视图和侧视图。 底板长20.0m,宽8.0m,厚Dm。 闸墩长24.0m,厚Dm,高8.0m。 依据工程实际情况,底板和闸墩分两期浇筑,底板浇筑完成15 天后,再浇筑闸墩。 模拟时,对结构厚度D进行调整,以便分析结构厚度对水化热抑制剂的影响。

2.2 计算参数

本文模拟采用的数据均来自于陈炜一等[13]的实验研究,即过程中将不同掺量的水化热抑制剂加入水泥-粉煤灰胶凝材料中,研究其对于混凝±性能的影响。 实验时,水化热抑制剂的掺量分别为胶凝材料质量的0%(T0)、0. 2%(T2)、0.4%(T4)和0.6%(T6)。 图2 为实验测得的绝热温升曲线,对于不同含量抑制剂,最大温升速率出现时间分别为5、16、18 和22h。

图2 添加不同含量水化热抑制剂的绝热温升

本文采用双指数函数拟合实验结果,得到模拟所需的绝热温升曲线和弹性模量随龄期的增长曲线。 式(1)分别为T0、T2、T4 和T6 的绝热温升拟合函数,拟合效果极好,且拟合值与实验值的相关系数P均接近1.0。 拟合公式如下：

依据实验测得的混凝±相应龄期内的弹性模量数值[13],同样采用双指数函数进行拟合。 对于不同水化热抑制剂含量的混凝±弹性模量,拟合值与试验值的相关系数P均超过0.97。 拟合得到弹性模量(GPa)随龄期变化,公式如下：

通过试验采用的混凝±配合比和相关文献[3],推算出混凝±的其他热力学参数,见表1。

表1 混凝土热力学参数

依据实际工程中的案例,假定水闸位于岩石基础上,此时地基将会对结构产生较大的约束作用和温度应力,易产生温度裂纹。 参照王海波等[18]研究成果,所选用岩基的热力学参数见表2。

表2 岩石热力学参数

3 数值模拟

本文主要考虑两个主要因素,分别是不同掺量水化热抑制剂对于水闸工程的影响以及不同结构厚度对水化热抑制剂使用效果的影响。

3.1 不同抑制剂掺量

采用工程中常用的底板和闸墩厚度,D=1.2m。水闸位于岩石基础上,基础模型长150m、宽40m、高60m。 为排除干扰因素,便于总结规律,地基初始温度、混凝±浇筑温度和环境温度均设置25℃。 混凝±的表面散热系数βc设置为400 kJ/(m2·d·℃),地基的表面散热系数βr设置为1 000 kJ/(m2·d·℃),总计模拟天数400 天。有限元模型见图3,计算总单元数79 080,总节点数88 251。

提取节点最大温度,绘制不同水化热抑制剂掺量的水闸温度包络图,见图4-图7。 需要说明的是,本文提供的包络图均为水闸顺水流方向的中心切面(y=4 m)、垂直水流方向的中心切面(x=12 m)和靠近两端的边缘切面(x=1.2 m,x=22.8 m)。 从图4-图7 可以看出,不同抑制剂掺量下,水闸的温度场分布大致相同;水闸底板和闸墩的中心温度高,边界和交界面处的温度低。 其中,采用T0 和T4 混凝±浇筑的水闸,最高温度均为53.3℃;T2 混凝±浇筑的水闸,最高温度52. 8℃;T6 混凝±浇筑的水闸,最高温度50.2℃。 因此,对于厚度1.2m 的水闸,当抑制剂掺量达到0.6%的胶凝材料量时,水化热抑制剂具有明显降低温度峰值的效果。 相较于未掺抑制剂的空白混凝±,温度峰值降低3.1℃,降低幅度为11.0%。 但当抑制剂含量低于0.4%时,无明显的削峰效果。

图4 顺水流和垂直水流方向T0 混凝土温度包络图(单位:℃)

图5 顺水流和垂直水流方向T2 混凝土温度包络图(单位:℃)

图6 顺水流和垂直水流方向T4 混凝土温度包络图(单位:℃)

图7 顺水流和垂直水流方向T6 混凝土温度包络图(单位:℃)

计算出水闸在不同时刻的应力场后,提取每一个节点在整个模拟历时过程中的第一主应力的最大值,绘制不同水化热抑制剂掺量的水闸应力包络图,见图8-图11。 从图8-图11 可以看出,由于受到地基的约束作用,底板表面所受的拉应力较大,尤其上下游的表面拉应力最大。 上层闸墩浇筑时受到下层底板的约束,在交界面附近拉应力也较大,这与实际情况相符合。 从数值上看,T0、T2 和T4 的拉应力数值相近。 其中,T0和T4 的峰值达到3. 4MPa;T2 的峰值甚至达到3.8MPa;而T6 的拉应力数值明显减小,峰值拉应力约为3MPa。 相较于未添加抑制剂的混凝±水闸,拉应力峰值降低11.7%,效果明显。

图8 顺水流和垂直水流方向T0 混凝土应力包络图(单位:MPa)

图9 顺水流和垂直水流方向T2 混凝土应力包络图(单位:MPa)

图10 顺水流和垂直水流方向T4 混凝土应力包络图(单位:MPa)

图11 顺水流和垂直水流方向T6 混凝土应力包络图(单位:MPa)

综上所述,对于结构厚度D为1.2m 的水闸,当水化热抑制剂掺量为胶凝材料质量的0.6%时(T6),温度峰值和应力峰值均明显降低,降低幅度约为11%,具有明显的温控效果明显。 但当水化热抑制剂掺量为T2 和T4,即处于较低的掺入水平时,温度峰值和应力峰值无明显的降低,达不到有效的温控防裂作用。

3.2 不同结构厚度

水化热抑制剂的主要作用为抑制混凝±水化反应,并降低混凝±放热速率[13]。 对于大体积混凝±,其结构厚度影响自身散热效率。 改变水闸结构的厚度,即调整底板的高度和闸墩的厚度分别为D=0.5,0.8,1.2,1.5,2.0,2.5 m,保持底板的宽度和长度、闸墩的高度和长度不变,分别采用T0 和T6 混凝±进行浇筑,分析水化热抑制剂对不同厚度水闸温度场和应力场的影响。

图12、图13 分别为水闸的最高温度和最大拉应力随结构厚度D的变化。 从图12、图13 可以看出,结构厚度为0.5m 时,水化热抑制剂具有明显的削峰效果。 其中,温度峰值由44.2℃降低为40.8℃,温度峰值降低3.4℃,降低幅度17.8%;拉应力峰值也明显降低,由3. 31MPa 降低为2.66MPa,拉应力峰值降低0.65MPa,降低幅度为19.5%。 此时,结构厚度较薄,混凝±内部水化产生的热量在水化热抑制剂的作用下,有更为充足的散热时间,热量能够有效散发,温度和应力峰值下降幅度将会增大。 结构厚度为2.5m 时,采用水化热抑制剂后,结构的温度峰值由60.0℃降低为57. 8℃,温度峰值降低2. 2℃,降低幅度为6.2%;拉应力峰值由5.63MPa,降低为5.01MPa,拉应力峰值降低0.62MPa,降低幅度为11.0%。

图12 水闸的最高温度随结构厚度的变化

图13 水闸的最大拉应力随结构厚度的变化

通过对比可知,结构厚度较厚时,即使水化热抑制剂延迟了放热速率,但水化热产生的热量难以在短时间内散发,因此温度峰值和应力峰值降低幅度较低。

提取不同结构厚度下水闸的温度峰值和应力峰值,绘制温度峰值和应力峰值降低幅度与结构厚度之间的关系曲线,见图14。 从图14 可以看出,结构厚度对于水化热抑制剂的温控效果具有明显影响。 对于水闸的温度场来说,随着水闸厚度的增加,温度峰值降低的幅度逐渐减小,呈现出反比。 这是由于结构厚度较薄时,水化热抑制剂推迟放热的效果得到充分的发挥,在这一时间段内,结构有充足的时间向外界散发热量,从而使削峰的效果较好。 对于应力场来说,水化热抑制剂的添加能明显降低应力峰值。 结构厚度小余1.2m 时,随着水闸厚度的增加,应力峰值降低幅度也逐渐减小。 但结构厚度大于1.2m 时,应力峰值降低幅度稳定在11. 0%左右,无明显变化。

图14 结构厚度与温度和应力峰值降低的关系

因此,对于薄壁混凝±结构,采用水化热抑制剂将是一种有效的温度应力控制手段,有利于避免温度裂纹的产生。 在实际工程应用时,一方面可以加入水化热抑制剂,抑制混凝±水化反应,并降低放热速率;另一方面降低结构厚度,充分发挥结构自身散热,可达到较好的削峰效果。

4 结 论

本文采用双指数函数,对不同水化热抑制剂掺量的混凝±绝热温升和弹性模量实验数据进行了拟合。 以常见的大体积薄壁混凝±结构——水闸为例,建立有限元模型,研究不同水化热抑制剂掺量对于温度场和应力场的影响,以及作为大体积混凝±温控手段的可行性。

研究发现,当抑制剂掺量低于0. 4%的胶凝材料含量时,对于结构厚度为1.2m 的水闸,温度和应力峰值无明显降低,达不到有效的温控防裂效果。 当水化热抑制剂掺量提高至0.6%的胶凝材料含量时,温度峰值降低约11.0%,拉应力峰值降低约11.7%,温控效果明显,有利于防止温度裂纹的产生。

同时,还研究了水化热抑制剂对于不同厚度结构的温控效果。 研究发现,混凝±结构厚度与温度峰值降低的幅度呈反比。 厚度为0.5m 时,温度峰值可降低17.8%;厚度增加为2.5m 时,温度峰值仅降低6.2%。 而应力场呈现出相近的规律,结构厚度小于1. 2m 时,随着水闸厚度的增加,应力峰值降低的幅度也逐渐减小;结构厚度大于1. 2m 时,应力峰值的降低幅度稳定在11.0%,无明显变化。 因此,若在大体积混凝±结构的温控中采用水化热抑制剂,可在满足结构安全的前提下,尽量降低结构厚度,以便充分发挥水化热抑制剂的削峰效果。 工程中可将其作为一种温控手段,并与其他温控措施相结合,制定更为合理且经济的温控方案。