早龄期表面实时防裂模型在水闸工程中的验证

强　晟　杨　锐　娄二召　周水兵　侯光普

(河海大学 水利水电学院， 南京　210098)



早龄期表面实时防裂模型在水闸工程中的验证

强晟杨锐娄二召周水兵侯光普

(河海大学 水利水电学院， 南京210098)

摘要：为了防止大体积混凝土早龄期产生表面裂缝，本文根据表面温度梯度的特性取表面0.05～0.50 m范围内的混凝土为对象，采用表面防裂安全系数与龄期及表面温度梯度的关系为计算模型，尝试实时定量地监测混凝土早龄期表面的应力安全状态．在江苏某水闸工程大体积混凝土的施工过程中进行了原型测试，根据实时测量的早龄期混凝土仓面和侧面的温度梯度，计算了表面安全系数，并实时监测裂缝的产生．结果表明，所提模型能够较好地反映早龄期混凝土表面防裂安全状态，可供类似工程参考．

关键词：混凝土；早龄期；表面温度梯度；防裂系数；验证

实践证明，如果没有相关温控措施，施工期混凝土结构特别是闸墩混凝土结构可能会出现各种形式的表面或深层裂缝．这是工程建设管理者、设计和施工人员特别关心的问题，也是科研人员面临的严峻问题．在混凝土早龄期温升期间，表面混凝土温升幅度远小于内部混凝土，存在一定的内外温差．此时虽然结构内外混凝土都是膨胀变形，但是相对于外部混凝土来讲，内部混凝土膨胀得更快，从而形成自身内外变形约束，导致表面产生拉应力，内部出现压应力．由于早期混凝土弹性模量小，抗拉强度也很小，且可靠性差，安全度低，很容易产生表面裂缝[1-3]．为了防止温度裂缝的产生，保证结构的整体性、安全性和耐久性，必须进行温度和温度应力的控制[4-6]．其中内外温差是导致表面裂缝的最主要原因，然而作为一个重要温控指标，在目前规范和权威文献中，混凝土内外温差的定义和使用标准并不明确[7-8]．这会导致针对同一研究对象，不同研究人员提出不同的内外温差标准，给应用者使用上带来困惑．为此，本文引入混凝土表面防裂安全系数，通过数值实验推导出表面防裂安全系数与龄期及表面温度梯度的关系．根据某水闸大体积混凝土块的施工期实测表面温度梯度，利用上述公式计算表面防裂安全系数，并实时监测相应混凝土块表面是否产生裂缝，进而验证该公式的合理性和可靠性，以期为大体积混凝土块的施工提供合理的混凝土温度空间梯度控制指标，并为表面防裂措施的调整提供即时参考指标[9-12]．

1模型建立

选取地基长、宽、高分别为40 m、20 m、20 m的长方形混凝土浇筑块，将距离表面0.05～0.50 m范围内的表层混凝土作为研究对象[13]，图1为有限元的计算模型，为尽可能地提高计算结果的准确性，将最外层0.05 m网格宽度设为0.01 m，0.05～0.5 m网格宽取为0.05 m．共设置了27种工况，分别考虑了环境气温、昼夜温差、水管冷却、表面保温、材料差异等因素的影响[13]，部分工况的材料参数见表1．

图1　有限元计算模型

绝热温升/℃θ0 a b弹性模量/GPaE0 a b抗拉强度/MPaft a b200.51.0350.750.53.250.750.5θ(τ)=T0×(1-e-aτb)E(τ)=E0×(1-e-aτb)ft(τ)=f0×(1-e-aτb)

在27种工况的计算结果中，发现不同条件下的数值算例中表层温度梯度∂T/∂l(单位℃/m)与安全系数K的变化存在一定的规律，可以采用数学函数来表示两者的关系．故提出一个以龄期τ(单位d)和温度梯度为变量的表面防裂安全系数计算模型[13]，即式(1)，部分工况的拟合结果如图2所示．

图2　数学模型与有限元解的拟合曲线图

(1)

其中

η=(1-e-atτbt)ft/(1-e-aeτbe)E

(2)

式中，(1-e-atτbt)ft和(1-e-aeτbe)E分别代表混凝土轴向抗拉强度和弹性模量的发展速度，a、b是轴向抗拉强度和弹性模量的复合指数公式中的参数，图2中α=1.15是校正系数，已经包含在系数18.093中．

2公式验证

该表面防裂安全系数计算模型提出后，只与有限元解进行了对比，其实用性有待实际工程中进行应用和验证，故本文结合江苏省某水闸工程的大体积混凝土施工，拟验证该实时计算模型．

2.1基本资料

该水闸工程级别为Ⅱ等，主要建筑物设计等级为2级．闸为实体结构，两侧边墩采用空箱结构，单孔净宽30 m．底板顺水流方向长30 m，闸室底板顶面高程5.5 m，交通桥面中心高程14.7 m，宽25 m．地基为软土桩基，约束较小．闸门采用1扇底轴式翻板闸门，相应配置1套2×3 200 kN的液压启闭机．半个结构的有限元模型如图3所示．整个浇筑施工过程主要分为6部分，即底板两侧，底板中间块，两侧闸墩，后浇带，其中闸墩采用吊空模板技术．

图3　半个结构的有限元模型

图4　底板侧面测点A1、B1位置示意图

图5　底板仓面测点A2、B2位置示意图

图6　墩墙测点A3～A5、B3～B5位置示意图

采用与试验资料符合较好的复指数公式对混凝土的力学参数试验值进行拟合，混凝土具体拟合公式如下：

C25混凝土弹性模量(GPa)：

C25混凝土抗拉强度计算式(MPa)：

2.2验证结果及分析

温度梯度的获取是通过两个位置温度之差除以距离，为此，需要布置若干温度探头，具体布置如下所述，在右侧底板侧面(此处记为第1块)布置两个探头，距离侧面分别是3 cm和50 cm，记为A1、B1；在中

间底板块(靠近上游区域记为第2块)布置两个探头，距离仓面分别是5 cm和50 cm，记为A2、B2；在右侧1.2 m厚闸墩处(记为第3块)布置两个探头，距离侧面分别是3 cm和30 cm，记为A3、B3；在0.8 m厚边墩(记为第4块)布置两个探头，距离侧面分别是3 cm和40 cm，记为A4、B4；在左侧0.8 m厚边墩(记为第5块)布置两个探头，距离侧面分别是3 cm和40 cm，记为A5、B5．位置示意图见图4～6．温度的获取通过现场实时监测，测温度的同时，还要观察是否有裂缝产生(混凝土侧面有模板，只能拆模后观察是否产生裂缝)．现场施工中，振捣和早龄期保湿严格按照规范要求执行，可以排除因早龄期塑性收缩和干缩导致的开裂因素．

浇筑块的尺寸及浇筑时间见表2，另外，各浇筑块的环境温度及混凝土温度过程线如图7～11所示．根据实测浇筑块随龄期变化的温度梯度，采用上文所提的公式计算出相应的安全系数，并实时监测浇筑块仓面或侧面裂缝的产生，结果如表3所示，各浇筑块的仓面或侧面温度梯度变化规律和安全系数变化规律如图12～16所示．

表2　浇筑块信息

表3　原型测试结果

图7　1号块环境温度及混凝土温度过程线

图8　2号块环境温度及混凝土温度过程线

图9　3号块环境温度及混凝土温度过程线

图10　4号块环境温度及混凝土温度过程线

图11　5号块环境温度及混凝土温度过程线

图12　1号实验块的表层温度梯度和相应防裂安全系数历时曲线

图13　2号实验块的表层温度梯度和相应防裂安全系数历时曲线

图14　3号实验块的表层温度梯度和相应防裂安全系数历时曲线

图15　4号实验块的表层温度梯度和相应防裂安全系数历时曲线

图16　5号实验块的表层温度梯度和相应防裂安全系数历时曲线

根据实验结果，2号混凝土块仓面最小安全系数的时刻和裂缝发现的时刻基本符合，若干条表面裂缝大体分布在仓面中心附近，长度约15 cm，宽度不到0.5 mm，由于是龄期两天出现的裂缝，初步分析是由于通水冷却开始的时间太晚，导致混凝土内部温度太高，表层温度梯度过大所致．因为是在仓面出现的浅表层裂缝，裂缝位置远离地基，且地基为软土桩基，约束很小，故裂缝与地基关系不大．1号混凝土块仓面的防裂安全系数在监测的龄期内绝大部分大于1，有小于1也是在0.95以上，在实时监测的过程中没有在仓面发现裂缝．这说明表面防裂安全系数反映早龄期混凝土表面的安全状态具有较高的可靠性．由于温控要求，混凝土块侧面需要在浇筑后的5～6天拆模，因此在拆模前无法实时观察到混凝土块侧面裂缝的产生，只能在拆模后，观察在混凝土块侧面是否产生裂缝．根据拆模后观察，3、4、5号薄壁混凝土块没有发现表面裂缝．

由图12～16可见，根据温度梯度的变化曲线，大致可以把温度梯度的变化划分为两个阶段：第一阶段温度梯度随龄期的增长而增加；第二阶段温度梯度随龄期的增加而减少，由于昼夜温差及降雨等因素的影响，变化曲线会产生一些波动．同样，根据表面防裂安全系数随龄期的变化曲线，可以把表面防裂安全系数的变化划分为两个阶段：第一阶段表面防裂安全系数随龄期急剧下降(其中，3、4、5块还有一段上升阶段，原因是这三块都是初夏季的上午11点浇筑完成的，在龄期0.5 d阶段内气温上升幅度比水化温升要略大)；第二阶段表面防裂安全系数随龄期缓慢地增长．在第一阶段，混凝土浇筑后发生剧烈的水化反应，产生大量水化热，混凝土内部温度显著升高，而混凝土表面散热较快，从而形成较大的内外温差．内部温升幅度大的混凝土膨胀变形受到外部混凝土的约束，在混凝土表面产生拉应力，而在混凝土内部产生压应力，内外温差越大，早期表面拉应力越大，混凝土表面开裂的风险也越大．在第二阶段，温度梯度逐渐减小，且随着龄期的增长，混凝土早龄期抗拉强度逐渐增长，增加了混凝土抵抗开裂的能力．

根据实测数据，此地区初夏季昼夜温差最大达15℃左右，这给水闸这种薄壁结构大体积混凝土的温控防裂带来很大困难，图12～图16也表明，在混凝土早龄期木模板保温有一定积极作用，而5号块比3、4号块温度梯度低，是因为这一块相对较薄，且其内部冷却水管开始通水时刻较早，故表面防裂安全系数相对较高．

3结语

1)本文的实测数据表明，随着混凝土块龄期的增加，表层混凝土的温度梯度先增大后减小．混凝土浇筑后随着混凝土水化反应的进行，内部温度不断上升，而混凝土表面散热较快，表面温度梯度也不断增大．在水化反应高峰过后，表面散热速度开始大于内部温升速度，则表面温度梯度开始逐渐下降．

2)随着混凝土块龄期的增加，混凝土表面的安全系数先减小然后略有增加．混凝土刚浇筑的时候，弹性模量还很小，应力值非常小，表面安全系数较大；当弹性模量随着龄期而急剧变化，温度梯度也逐渐变大，温度应力增加，安全系数迅速变小；然后，随着混凝土的发展成熟，抗拉强度逐渐增加，同时温度梯度逐渐减小，表面安全系数又逐渐增大．

3)混凝土表面裂缝的产生，不仅影响结构外观美，而且可能形成贯穿性裂缝，影响结构的整体性和安全性，其中温度梯度过大是导致裂缝的重要因素，因此内部通冷却水，外面加保温被，可有效降低温度梯度，进而减少裂缝．

4)本文计算的表面安全系数较好地反映了早龄期混凝土表面的防裂安全状态．在工程施工中，可以采用本文的公式直接获取实时的表面防裂安全系数，以此作为施工期保温定性和定量的依据，便于施工现场及时增加或减小保温材料的厚度，从而可以大大减小早龄期表面出现裂缝的可能性．

5)文中所提到防裂安全系数计算公式经历了不同的环境温度、昼夜温差、水管冷却、表面保温、材料差异的数值验证，但实际工程验证还很少，目前在一个水闸和一个泵站中的应用效果较好，在泵站中的应用情况将另文发表．对该模型的适用性作者今后还将在其他工程中继续验证．此外，对于大型重要工程应事先通过数值试验确定公式(1)中的参数．

参考文献：

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[责任编辑王康平]

收稿日期：2015-06-23

基金项目：江苏省淮安市水利院士工作站项目(2014839616)；国家自然科学基金项目(51109071)

通信作者：强晟(1977-)，男，副教授，主要从事混凝土工程温控防裂研究．E-mail：sqiang2118@163.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.007

中图分类号：TV331

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)01-0031-06

Validation of a Real-time Anti-cracking Prediction Model for Surface Concrete in Early Age of a Sluice Engineering

Qiang ShengYang RuiLou ErzhaoZhou ShuibingHou Guangpu

(College of Water Conservancy & Hydropower Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractIn order to prevent the generation of surface cracks in mass concrete early age, based on the characteristics of the surface temperature gradient, the surface concrete between 0.05 m to 0.50 m depths is taken as the object in this paper. The relationship among the surface crack safety coefficient, the age and the surface temperature gradient is adopted as the calculating model. By this model, the stress state of safety for early concrete surface is tried to be monitored real-time and quantitatively. Prototype test is carried out during a mass concrete construction of a sluice project in Jiangsu province. According to the real-time temperature gradient measurement in the early age concrete level surface and side surface, the surface safety coefficients are calculated; and the cracks are monitored in real time. The results show that the early age concrete surface crack security status can be well reflected by the proposed model, which can be used for reference in the similar projects.

Keywordsconcrete;early age;temperature gradient of surface;anti-cracking coefficient;validation