新老混凝土缝面切向刚度早龄期发展规律

宋家东，杨 锐，杨 峰，章景涛，强 晟，华 夏

(1. 河南省水利第一工程局， 河南郑州 450004； 2. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 陕西西安710065； 3. 河南省出山店水库建设管理局，河南郑州，450004； 4. 河海大学水利水电学院，江苏南京 210098； 5. 普渡大学机械工程学院，美国印第安纳西拉法叶 47907)

在实际混凝土浇筑工程中，由于浇筑能力、结构因素和温控条件等因素影响，混凝土浇筑会选择分块分仓浇筑方式，所以混凝土施工缝是必然存在的[1- 3]。混凝土结构的分块分仓形式、浇筑先后顺序和浇筑间歇期等会直接影响浇筑块的受力和变形,特别是新浇筑的混凝土与已浇筑一段时间的老混凝土之间，由于龄期不同，热学和力学参数都有较大差异，会让新老混凝土之间产生额外的约束，而且结合面处由于施工质量等原因，很容易成为薄弱面而产生裂缝[4-5]。因此，新老混凝土缝面问题是一个需要重点关注的课题。

国内外不少学者为新老混凝土缝面问题做过大量的研究工作并取得了许多重要成果[6- 8]。对影响新老混凝土粘结的诸多因素进行了研究，发展了对新老混凝土缝面的处理方法和施工工艺，并试验研究了新老混凝土缝面的力学性能，分析了缝面粘结强度等力学性能问题。但是，这些成果多限于针对某工程的特定需要而进行新老混凝土缝面强度的测定[9- 11]，对缝面力学性能的试验研究也多使用成熟的混凝土浇筑块，这些混凝土浇筑块浇筑后日期较长，不能反映新老混凝土缝面在早龄期的力学性能变化[12- 15]，即无法反映早龄期阶段间歇面附近的材料强度变化。因此，本文设计了新老混凝土缝面早龄期剪切试验方法，获取了缝面切向刚度的发展历时曲线，并应用到实际工程的仿真计算中,验证其合理性。

1 试验研究

1.1 试验方法

采用剪切试验[16- 17]预模拟新老混凝土结合面切向刚度系数(KS)随龄期(τ)的变化过程，同时得到新混凝土试块弹性模量(E)随龄期(τ)的变化情况。试验分别模拟新老混凝土浇筑间歇期3，5和14 d的情况，即先浇筑两边的老混凝土试块，间隔3 d(或5，14 d)再浇筑中间的新混凝土试块，直至新老混凝土缝面(新混凝土)龄期达到1，2，3，5，7，14和28 d时，做缝面的剪切试验，试验总共分3组，3组试验分期来做，每组(共21块)又分7小组，每小组制作有3个试块。试验装置如图1所示。

图1 试验装置

1.2 试验材料和仪器

模具采用50 mm×50 mm×50 mm三联钢模具，尺寸比较小，不宜添加石子，故混凝土原材料只采用水泥、黄砂和水。其中水泥选用海螺牌P·C 32.5复合硅酸盐水泥，砂子用 10 kg袋装的黄砂。

仪器主要包括有：① 微机控制电液伺服万能试验机；② 50 mm×50 mm×50 mm三联钢模具；③ 10 kg电子秤(最小精度1 g)；④ 千分表及支架；⑤ 小榔头、小铁锹、食用油、牙刷、抹布以及保鲜膜等。

1.3 试块的制备

本试验是研究新老混凝土缝面的切向刚度，故保证结合面良好胶结非常关键。试块制备过程为：

(1) 试验配合比取1∶3∶0.7(水泥∶砂子∶水)，按照配合比称量对应的试验原材料，同时将称量的水泥和黄砂分开放置。将水泥和砂子混合拌匀，再倒入水拌合成混凝土。

(2) 将混凝土拌合均匀，浇筑两侧老混凝土，可以用小铁锹分4次放入模具内，每次放入混凝土后，需用小铁棒捣若干次。最后，当试块制作完成后约1 h，还需覆盖一层塑料保鲜膜，相当于进行常规的保湿养护，待浇筑新混凝土时撕去保鲜膜。

(3) 分别于龄期1 d(或2，3，5，7，14，28 d)，逐个撕去保鲜膜，拆掉模具，检查试块的质量，确认合格后，用黑色记号笔分别做好标记，取3个试样做剪切试验。浇筑新混凝土时，需重复步骤1～3。

1.4 试验结果分析

图2 缝面龄期为5 d的试块受压破坏曲线Fig.2 Compression failure curve of joint face under 5 d intermission

为获取新混凝土的荷载随加载时间的曲线，推求弹性模量的历时曲线，本试验加载速率取0.011或0.05 kN/s。试验测得破坏时的荷载值(图2)，此处仅以5 d龄期的曲线为例；推求抗压强度(图3)；最后得到弹性模量拟合结果见图4。

通过缝面早龄期剪切强度试验，可得到破坏时的荷载，千分表可测出位移，通过应力应变关系可以推求切向刚度，最后拟合出切向刚度-龄期曲线见图5。拟合的结果依次为：KS=1.28×(1-exp(-0.17τ0.95))(3 d)，KS=1.35×(1-exp(-0.17τ0.92))(5 d)，KS=1.26×(1-exp(-0.17τ0.79))(14 d)。

由图5可见，间歇期长短对缝面切向刚度的终值影响不大，终值基本都在1.2～1.4 GPa。通过该试验方法获取相应的计算参数，对实际工程缝面的早龄期应力问题进行仿真计算。由于间歇期14 d比较符合实际工程中的间歇期，本文取新老混凝土间歇期为14 d的拟合结果为后续仿真计算的参数。

图3 抗压强度随龄期变化曲线Fig.3Curve of compressive strength with age

图4 新混凝土弹性模量随龄期变化曲线Fig.4Curve of elastic modulus of new concrete

图5 不同间歇期缝面切向刚度-龄期曲线

2 工程仿真计算

河南省出山店水库是一座以防洪为主要目的，兼灌溉、供水、发电、旅游等综合效益的新建大型工程，于2014年年底正式修建。设计水库总库容12.60 亿m3。主坝型式为混合坝型，其中混凝土坝段长429.57 m。坝顶高程100.4 m，防浪墙顶高程101.6 m。水库设计水位为95.78 m，校核水位98.12 m。工程等别为1等，主要建筑物级别为1级。本文选取其中1个非溢流坝段为研究对象。

2.1 主要计算参数

出山店水库所在地多年月平均气温拟合成余弦曲线公式如下：

(1)

式中：Ta(t)为月平均气温(℃)；t为月份。

根据地质资料、配合比和有关反演结果，确定主要材料的热学和力学参数见表1。

表1 材料的热学与力学参数

根据实测温度反演得到的C20混凝土的绝热温升的表达式：

θ=39.5×(1-exp(-0.1×τ1.95))

(2)

式中：θ为绝热温升(℃)；τ为龄期(d)。

根据抗压强度折算得到混凝土弹性模量计算式为：

E(τ)=30.3×(1-exp(-0.1×τ1.95))

(3)

式中：E(τ) 为弹模(GPa)；τ为龄期(d)。

表面热交换系数根据现场各结构不同时段的表面覆盖情况和风速而定。混凝土的自生体积变形和徐变根据工程经验取值[4]。计算考虑的荷载有温度荷载、自生体积变形、徐变、自重。

2.2 计算模型和特征点布置

坝段整体有限元计算模型见图6(a)，通过对坝体单元赋上不同颜色的材料号显示浇筑顺序不同的浇筑层。为了显示典型关键位置的温度和应力随龄期的发展历时过程，在这些缝面研究位置附近取若干特征点。特征点1，2，3均位于Y=12.5 m的平面上(坝段横河向宽度为25 m)，特征点具体位置见图6(b)。

为了分析缝面单元对新老混凝土温度和应力计算结果的影响，根据不同计算工况，分别在第2层和第3层浇筑块之间、第3层和第4层浇筑块之间、第6层和第7层浇筑块之间设置缝面单元[18]，缝面单元位置见图6(c)和(d)。

图6 有限元计算模型

2.3 计算工况

工况1：新老混凝土胶结面不设置缝面单元，即缝面上混凝土强度与浇筑块强度相同。单元总数为38 852，节点总数为44 534。工况2：在第2层和第3层浇筑块之间、第3层和第4层浇筑块之间，分别设置缝面单元，单元总数为40 012，节点总数为45 832，其他工况同工况1；计算模型见图6(c)。工况3：在第2层和第3层浇筑块之间、第3层和第4层浇筑块之间、第6层和第7层浇筑块之间分别设置缝面单元，单元总数为40 502，节点总数为46 382，其他工况同工况1；计算模型见图6(d)。若无特殊说明，在计算结果分析中，所有应力以拉为正，压为负。

2.4 计算结果分析

图7是特征点1，2，3在3个计算工况的温度对比历时曲线和第一主应力对比历时曲线。由图7(a)温度曲线可知，3种工况的温度曲线相同。特征点1在2.5 d达到温度峰值，由于特征点1所在浇筑块很薄，只有1.50 m厚，故温度峰值后温降速度较快，其内部拉应力迅速增长，在常规单元计算条件下，拉应力最大值达4.1 MPa，如图7(b)所示，远超过抗拉强度的极限值。此后，由于上层混凝土浇筑导致混凝土再次上升，拉应力逐步下降，最终趋于稳定。在工况2和工况3中，特征点应力历时曲线走势均很接近，应力峰值明显小于工况1，应力峰值减少到1.94 MPa，在中后期，应力值比工况1减小了1～2 MPa。

位于第5层浇筑层中心位置的特征点2，其温度历时曲线见图7(c)，第4.5 d达到峰值，最高温度达44.6 ℃。应力历时曲线见图7(d)，相对于未设缝面单元的工况1，工况2和工况3应力历时曲线则基本相同，应力局部有波动，此外，拉应力在中后期与工况1差异很大，主要是由于第4层和第5层混凝土增设了缝面单元，减少了新老混凝土之间相互约束，故缝面附近特征点拉应力受影响较大。

位于第7层混凝土中心的特征点3，由于浇筑时环境温度高，混凝土水化热峰值达到57 ℃，见图7(e)。由于总体温降幅度大，故最终的总体拉应力增幅明显高于特征点1和2，应力历时曲线见图7(f)。在常规单元计算工况中，冬季时，混凝土内部拉应力超过了抗拉强度；而工况2和工况3则拉应力仍小于抗拉强度，即浇筑块内部并未开裂。

图7 3个特征点的温度历时曲线和第一主应力历时曲线

综上可见：在3个不同计算工况中，特征点1,2,3的温度历时曲线完全相同，可见是否在混凝土胶结面设置缝面单元，对温度场没有影响；但当在浇筑块下部间歇面设置缝面单元时，或上下间歇面均设置缝面单元时，对比只设置常规单元的工况，由于上下层新老混凝土之间的约束明显减小，计算得到的特征点第一主应力都明显减小。

3 结 语

(1) 通过设计新老混凝土缝面早龄期剪切强度试验，得到了缝面早龄期切向刚度随龄期变化的试验数据，并通过拟合得到切向刚度-龄期历时曲线，为缝面单元早龄期力学性能仿真计算提供了依据。

(2) 在浇筑块间歇面设置缝面单元，可以相对合理地模拟上下层新老混凝土约束效果，考虑缝面单元的早龄期切向刚度发展曲线后，温控仿真计算得到的混凝土浇筑块内部拉应力值相对较小，在冬季浇筑块内部拉应力未超过抗拉强度，与工程现场冬季未出现内部深层裂缝相符。