温升抑制剂对施工期渡槽温控防裂影响的有限元分析

阿力木·许克尔 哈斯也提·依米提

(新疆水利发展投资(集团)有限公司,新疆 伊宁 835000)

渡槽作为输水系统中不可缺少的一部分,在水利水电的建设过程中被广泛使用。其不仅能解决农田灌溉饮水问题,也能缓解因区域水资源不均而导致的土地荒漠化问题。例如新疆伊犁河南岸修建渠道进行饮水灌溉,从而对荒漠化草原地区进行治理和开发。该引水工程渠线全长168km,承担着160万亩灌区的输水任务和某水电站发电供水任务,属于Ⅰ等大(1)型工程,工程主要由1座渠首引水闸、13座节制闸、32座分水闸、9座退水闸、3座放水闸、2座排冰闸、2座检修闸、3座事故闸、1座冲沙闸和3座尾水闸、48座跨渠交通桥、6座渡槽组成。工程自2010年通水运行以来,沿线水闸、渡槽等渠系建筑物总体运行良好。

但是渡槽作为大体积薄壁混凝土经常会在施工期出现枣核形裂缝[1]。不幸的是,这种裂缝经常是贯穿性的结构裂缝,严重破坏了结构的完整型,形成渗水的通道,加速渡槽内部钢筋的锈蚀,危害结构安全。研究表明结构厚度较薄时,混凝土水化放热将在早龄期混凝土内部产生较大的温度梯度,当温度变形受到结构自身或外部约束时,将会产生较大的温度应力[2-3]。当拉应力超过混凝土抗拉强度时会出现裂缝。

常规的温度控制方法,例如采用低热水泥降低水化放热量[4]、降低浇筑温度[5]、增强表面保温[6]、通水冷却[7]、外加剂[8]等,都能有效降低结构的温度应力。但是对于渡槽来说,由于结构厚度较薄,难以布置冷却水管;若采用商品混凝土将难以通过调整配合比来降低混凝土水化放热量。因此在实际工程中,这些方法由于条件限制常常难以有效实施,或者实施难度较大,不便于工程施工。

混凝土水化热温升抑制剂作为一种新型的混凝土外加剂,能够有效抑制混凝土前期水化反应,从而减缓初期混凝土水化放热速率[9-10]。这种特性使其可能作为一种潜在的适用于薄壁大体积混凝土温度控制的混凝土外加剂。其已经在部分工程中被使用,证明了其温度控制的效果[11-12]。但是由于缺乏系统的分析和工程模拟,其在工程中的应用仍受到限制。

本文采用有限元数值模拟的方式,研究温升抑制剂对于渡槽施工期的温度场和应力场的影响。模拟不同温升抑制剂掺量的温控防裂效果,以选择合适的抑制剂掺量。调整渡槽结构厚度以及长度,以研究结构厚度和长度对于温升抑制剂使用效果的影响,从而为温升抑制剂在工程中的应用提供参考和建议。

1 计算模型与参数

本文采用有限元法对渡槽这种薄壁大体积混凝土施工期的温度场和应力场进行数值模拟,以替代较难实现的试验研究。依据朱伯芳[13]提出的大体积混凝土温度应力计算理论,可以较为准确地求解出早龄期混凝土的不稳定温度场和考虑温度、徐变、外荷载等影响下的应力场。本文通过对有限元软件ABAQUS进行二次开发,实现了大体积混凝土温度场和应力场模拟,具体实现方法参照王建等[14]的研究。

1.1 计算模型

以简单的矩形渡槽为例,分析在混凝土中掺入不同质量的温升抑制剂对渡槽施工期温度场和应力场的影响。其中渡槽采用先现场浇筑再进行吊装的传统施工方式。本文主要考虑现场浇筑时渡槽的温度场和应力场。矩形渡槽断面见图1,渡槽的厚度为0.4m,过流断面的宽度为2.6m,高度为2.6m,渡槽单跨的长度为10.0m。渡槽的底板与侧墙分两期浇筑,间歇期为15天。同时在底板的中部(P1)和上部(P2)的区域设置观测点,研究特征点的温度和应力变化。

图1 渡槽断面示意图

1.2 计算参数

常见的水化热温升抑制剂由玉米淀粉酸水解制备,添加至混凝土中能够减缓C—S—H成核的速率,从而减缓混凝土初始水化放热速率[9-10]。同时C—S—H形成后将非常稳定,不受温升抑制剂的影响,因此混凝土的绝热温升终值和最终强度无较大变化[15]。

添加不同含量温升抑制剂后混凝土的绝热温升和弹性模量将会发生变化。通过拟合陈炜一等[15]的试验数据,获取数值模拟的基本热力学参数。实验中温升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为实验测得的不同温升抑制剂掺量的混凝土绝热温升曲线,最大温升速率分别出现在5h、16h、18h和22h。

图2 添加不同含量温升抑制剂后混凝土的绝热温升实验值和拟合值

采用双指数函数对实验结果进行拟合,如图2所示拟合结果较好。同时考虑到渡槽的混凝土绝热温升较高,而试验采用的混凝土绝热温升较低,为与实际情况相符合,将绝热温升终值升高30%。式(1)为模拟时采用的T0、T2、T4和T6混凝土的绝热温升(θ/℃)在不同龄期(τ/d)下的拟合函数。

(1)

依据陈炜一等[15]测得的混凝土相应龄期内的弹性模量数值,采用双指数函数拟合得到弹性模量(E/GPa)随龄期变化公式:

(2)

依据试验采用混凝土配合比和相关文献[13],推算出其他热力学参数,见表1。

表1 混凝土热力学参数

模拟时混凝土的徐变函数可采用下式:

(3)

式中:E(28)为混凝土28天的弹性模量。

2 数值模拟

本文主要考虑三个因素对于施工期渡槽温控防裂的影响,分别是不同温升抑制剂掺量对于渡槽温度场和应力场的影响,渡槽厚度和长度对于温升抑制剂使用效果的影响。

2.1 不同温升抑制剂掺量

渡槽的有限元模型见图3,计算总单元数为41800,总节点数为48384。为方便比较,排除次要干扰因素,计算过程中将环境温度设置为10℃,混凝土的浇筑温度按照经验比环境温度高7℃,设置为17℃。混凝土表面散热系数β依据工程经验设置为300[kJ/(m2·d·℃)]。模拟浇筑后渡槽的温度场和应力场,此时结构位于地表上,底板的下底面受到向上的约束。

图3 有限元模型

计算出渡槽在不同时刻的温度场后,提取每一个节点在整个模拟历时过程中的温度最大值。图6分别在混凝土中添加胶凝材料0%、0.2%、0.4%和0.6%质量分数的水化热抑制剂后,渡槽的温度最大值的云图。为便于观察,选取垂直水流方向x=0.2m,x=1.7m和x=3.2m三个截面和顺水流方向y=1.5m,y=5m和y=8.5m三个截面进行观察。

如图4所示,渡槽的温度场分布大致相同,对于底板和侧墙来说,均是中间温度高,与大气相接处温度低。其中未添加温升抑制剂的混凝土渡槽温度最高,最高温度为39.1℃。T6混凝土浇筑的渡槽温度最低,最高温度为33.5℃。T6与T0相比,最高温度下降5.6℃。依据浇筑温度为17℃,可以得到温度峰值降低幅度为25.3%。T2混凝土浇筑的渡槽最高温度为37.9℃,与T0相比下降幅度为5.4%。T4混凝土浇筑的渡槽最高温度为38.4℃,与T0相比下降幅度仅为3.2%。因此当温升抑制剂掺量达到胶凝材料掺量的0.6%时,温升抑制剂能够有效降低温度峰值,而低掺量下渡槽的温度峰值仍较高。

为进一步分析添加温升抑制剂对渡槽温度的影响,提取P1点(z=0.2m)的温度历时曲线,见图5。从图5中可以看出,未添加温升抑制剂的渡槽浇筑初期温度迅速上升,在1d内温度达到峰值。添加温升抑制剂后,混凝土初期水化反应得到了抑制,在0.5d渡槽内部温度上升较慢。其中T2和T4混凝土在温升抑制剂失效后,温度快速上升,温度在1.2d左右达到峰值。相对而言T6混凝土温度仍缓慢上升,1.5d后温度到达峰值。在温度下降阶段,T0混凝土温度快速下降,添加温升抑制剂后温度下降速度相对缓慢,尤其是T6混凝土温度下降最为缓慢。最终四者温度均稳定至环境温度。

图5 不同温升抑制剂掺量下P1点的温度历时曲线

计算出渡槽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。分别在混凝土中添加胶凝材料0%、0.2%、0.4%和0.6%质量分数的温升抑制剂后,渡槽第一主应力最大值云图见图6。从图6中可以看出施工期的应力分布大致相同,其中底板上表面、侧墙与底板相接处、侧墙顶部区域拉应力较大,容易产生温度裂缝。T0混凝土温度应力最大,T2和T4混凝土拉应力稍微降低,T6混凝土拉应力最小。

图6 不同温升抑制剂掺量下的第一主应力最大值 (单位:MPa)

为进一步分析添加温升抑制剂后渡槽结构的应力变化,提取P2点(z=0.4m)的应力历时曲线,见图7。混凝土浇筑后底板内部温度高,外部温度低,在结构自身约束下,底板表面区域受拉。但是此时混凝土弹性模量较小,因此拉应力数值小。随着混凝土内部热量完全散发,温度逐渐降低,拉应力逐渐降低,最终趋于稳定。当上层侧墙浇筑后,侧墙温度逐渐升高,此时底板将会约束上部侧墙的变形。在相互作用力下底板顺水流方向(y方向)将会受到侧墙的拉力,从而逐渐产生拉应力并增加。从图7中可以看出,T0混凝土浇筑的底板拉应力最大,达到了2.3MPa,易产生温度裂缝。T2和T4混凝土浇筑的底板拉应力相较于T0混凝土稍微降低,达到了2.1MPa,降低幅度约为8.7%。T6混凝土浇筑的底板拉应力最低,为1.7MPa,小于混凝土抗拉强度,不会产生温度裂缝。相较于T0混凝土,降低幅度约为26.0%,温控防裂效果明显。

综上所述,对于结构厚度为0.4m的混凝土渡槽,当混凝土中温升抑制剂掺量为胶凝材料质量的0.6%时(T6),温度峰值明显降低,降低幅度约为25.3%,具有很好的温度控制效果。而当温升抑制剂掺量为胶凝材料质量的0.2%和0.4%时,温度峰值会稍微降低,但是降低幅度并不明显,温度控制效果较差。应力场模拟结果与温度场模拟结果相近,采用T6混凝土进行浇筑,渡槽的应力峰值降低26.0%,可以避免温度裂缝的产生,防裂效果明显。而T2和T4混凝土应力峰值降低幅度仅为8.7%,防裂效果并不明显。

2.2 不同结构厚度

温升抑制剂通过抑制水化反应,减缓混凝土放热速率,使得结构有更多的时间向外散发热量,从而降低温度峰值。改变渡槽结构厚度,探究其对温升抑制剂使用效果的影响。将渡槽的厚度依次设置为0.30m、0.35m、0.40m、0.45m和0.5m,分别采用T0和T6混凝土进行浇筑。图8(a)为采用T0和T6混凝土浇筑后结构厚度与温度峰值之间的关系。从图8(a)中可以看出,随着结构厚度的增加,不论采用T0混凝土还是T6混凝土浇筑,结构最高温度均呈现出线性增加的趋势。图8(b)为P1点最大主应力随着结构厚度的变化情况。随着厚度的增加,最大主应力也在不断地增加。结构厚度增加至0.5m时,若采用T0混凝土浇筑,最大主应力将达到2.8MPa,极易产生温度裂缝。而添加温升抑制剂后,主应力降低为1.9MPa,保证了结构的安全。

图8 温度和应力随着结构厚度的变化

图9为在混凝土中添加温升抑制剂后,结构温度和应力峰值的降低幅度随着结构厚度的变化情况。从图9中可以看出,随着结构厚度的增加,温度峰值降低的幅度逐渐减小,但是仍超过20.0%。应力峰值的降低幅度超过温度峰值的降低幅度,且均大于26.0%,但是应力峰值降低的幅度无明显的变化趋势。这充分说明了对于不同结构厚度的渡槽,添加温升抑制剂都能有效降低施工期的温度和应力峰值,具有较好的温控防裂效果。

图9 添加温升抑制剂后结构温度和应力降低幅度

2.3 不同结构长度

改变渡槽的长度,探究其对温升抑制剂使用效果的影响。将渡槽的长度设置为8.0m、9.0m、10.0m、11.0m和12.0m,分别采用T0和T6混凝土进行浇筑。图10(a)为采用T0和T6混凝土浇筑后结构最高温度与渡槽长度的关系。从图10(a)中可以看出,随着结构长度的增加,渡槽结构温度峰值未发生变化。这是由于仅改变结构长度,不会影响到结构的散热。图10(b)为P1点最大主应力随着结构长度的变化情况。随着结构长度的增加,主应力变化幅度不大。采用普通混凝土进行浇筑最大拉应力将超过2.1MPa,易产生温度裂缝。而添加温升抑制剂后,最大拉应力低于1.8MPa,结构安全。

图10 温度和应力随渡槽长度的变化

图11为在混凝土中添加温升抑制剂后,温度和应力的降低幅度随着结构长度的变化情况。由于最高温度未随着结构的长度发生变化,因此温度峰值降低的幅度相同。应力峰值降低的幅度随着结构长度不断增加,降低幅度由24.0%增长为28.0%。这说明了对于不同长度的渡槽,添加温升抑制剂均能较好地降低结构的应力峰值,具有较好的温控防裂效果,且结构长度越长温控效果越好。

图11 添加温升抑制剂后结构温度和应力降低幅度

3 结 语

本文采用数值模拟的方式,研究了在混凝土中添加不同掺量的水化热温升抑制剂对于渡槽施工期温度场和应力场的影响。采用双指数函数拟合不同温升抑制剂掺量的混凝土绝热温升、弹性模量等热力学试验数据,以此作为模拟参数,并建立矩形渡槽有限元模型,模拟施工期渡槽的温度场和应力场。本研究可为渡槽的温控防裂提供参考和建议。

研究发现对于结构厚度为0.4m的混凝土渡槽,当温升抑制剂掺量为胶凝材料质量的0.6%时,结构温度和应力明显降低,峰值分别降低25.3%和26.0%,具有很好的温度控制和防裂效果。而当温升抑制剂掺量为胶凝材料质量的0.2%和0.4%时,温度和应力仅稍微降低,峰值降低幅度并不明显,温度控制效果较差。

调整渡槽结构的厚度为0.3～0.5m,研究发现添加温升抑制剂均能较好地降低施工期渡槽的温度和应力峰值,具有较好的温控防裂效果。其中温度峰值降低的幅度随着结构厚度的增加逐渐减少但仍超过20.0%,应力峰值降低幅度均超过26.0%。

调整渡槽结构的长度为8.0～12.0m,研究发现添加温升抑制剂仍能降低施工期渡槽的温度和应力峰值。随着结构长度的增加,应力峰值降低幅度逐渐增加,温控效果逐渐向好。