有限元模拟分析大体积再生混凝土的开裂风险性

王灵秀 蔡素燕 项斌峰 张利俊 邱洪华 秦宪明

（中国建材检验认证集团北京天誉有限公司，北京 100113）

1 前言

再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC），是指将废弃的建筑垃圾块体破碎、清洗与筛分后形成的再生骨料，部分或全部替代天然骨料制备成的新混凝土。再生混凝土不仅可以减少对砂石等天然资源的消耗，同时可以综合利用建筑垃圾固体废弃物和工业废渣，符合国家对于建筑垃圾资源化利用的发展方向[1]。

但是由于再生骨料的吸水率大[2]，造成再生混凝土的干缩率可达6.0×10-4-10.0×10-4，大于普通混凝土[3]，而混凝土开裂有80%以上都是由于混凝土收缩变形造成的[4]，所以较大的干缩率增加了再生混凝土的开裂风险性。另一方面，近年来随着国家城镇化的发展，大规模的土木工程建设迅速发展，需要浇筑大体积混凝土的大型建筑物也不断增加，大型建筑物的工程结构要求严格，单位体积混凝土中高标号水泥用量大，水泥水化放热导致的温度应力裂缝成为工程面对的主要问题。

针对普通大体积混凝土的裂缝控制技术[5]和机理分析[6]研究已较为完善，大体积混凝土在施工中受多因素耦合影响，当拉应力大于对应龄期的最大拉应力时会导致混凝土出现裂缝[7]。结合工程实际和研究成果，水泥水化放热造成的内外温差应力是造成裂缝的主要原因[8]，选取材料的比热容、导热系数、热膨胀系数、弹性模量、泊松比、浇筑温度、环境温度等材料参数和条件参数[9]，可通过有限元仿真分析大体积混凝土的温度应力场，预判开裂风险，还可以对控制温度应力裂缝的方案进行预判，经济且高效，可为工程实践做出指导[10]。

对于再生大体积混凝土的温度应力场计算和开裂风险预判鲜有研究。所以本文以本项目组研制的再生骨料高性能混凝土为研究对象，结合其实际工程应用实例：北京通州运河核心区市政配套工程的南环环隧隧道工程，通过实测现场大体积再生混凝土温度场随时间的变化，再生大体积混凝土的弹性模量与劈裂抗拉强度随龄期的变化，采用MIDAS GEN有限元分析软件仿真分析大体积再生混凝土模型的温度应力场，对比实际结果与仿真结果的误差，从而为开裂风险性预判和裂缝控制措施判断提供理论依据，指导工程应用实践。

2 实验

2.1 工程概况

北京通州运河核心区市政配套工程的南环环隧隧道工程位于北京通州新城东北部组团内，规划有地下交通联系通道2条，即北环环隧和南环环隧。南环环隧是一个地下车行隧道，主隧道全长为1.16公里，主隧道净宽12.25m，独立进出口通道净宽6m。主隧道结构净高5.4m，出入口匝道净高3.8m。隧道结构主要构件按永久性建筑设计，设计基准期为100年，结构安全等级一级，防水等级为二级，隧道标准段跨径12.25m，结构顶底板厚度1.2m，侧墙厚度为1m，结构总高7.8m，主隧道等所有结构采用C40补偿收缩防水混凝土，混凝土抗渗等级为W10，抗冻等级F200。

2.2 再生混凝土材料

表1 再生混凝土配合比设计

采用42.5低碱普通硅酸盐水泥、I级粉煤灰、S95矿渣粉作为胶凝材料，天然砂为天然细骨料，天然碎石为天然粗骨料，0.01-4.75mm粒径的再生细骨料和5-25mm粒径的再生粗骨料作为再生材料，以上材料与水和外加剂混合制备再生混凝土。外加剂为聚羧酸高性能减水剂与高性能混凝土膨胀剂。再生混凝土的配合比如表1所示。

2.3 试验模型与计算参数

采用MIDAS GEN对环隧隧道主体框架按实际工程概况进行三维建模，实际施工中主隧道结构框架分为底板浇筑和∏型上部框架浇筑两部分，所以确定两个模型尺寸，底板模型尺寸为24.0m×14.0m×1.2m，∏型上部框架尺寸为24.0m×16.0m×7.2m，侧墙厚1.0m，顶板厚1.2m。大体积混凝土框架的边界为底面、侧壁和上表面，底面采用50mm厚细石混凝土保护层、防水层和100mm厚C15素混凝土垫层，其下为夯实土层；外侧壁为防水层、200mm厚水泥砂浆保护层和80cm级配碎石注浆填缝和木模板围护结构；上表面采用铺塑料薄膜洒水养护方法；内侧壁为18mm厚酚醛覆膜胶合模板。计算模型计算时间为1000小时，环境温度在29℃，再生混凝土浇筑入模温度约为32℃。具体建模用材料参数及热特性参数如表2、表3和表4所示。

表2 材料参数及热特性

表3 再生大体积混凝土的弹性模量和轴心抗压强度

2.4 模型计算

首先要在MIDAS GEN软件中定义构件材料特性值，如弹性模量、泊松比、线膨胀系数、容重、比热、热传导率；然后定义时间依存材料特性，如徐变和收缩（也可不考虑）、抗压强度、抗拉强度和弹性模量；其次建立结构模型，包括构件周边条件，通过单元的建立、切割和删除实现，建立结构组和边界组，通过组的概念实现构件层次和不同材料的分类，并建立各种条件边界；再次定义水化热分析数据，包括环境温度函数、对流系数、单元对流边界、固定温度、热原函数等；对模型边界施加约束条件，将上面定义的约束条件施加到构件的相关位置，并将热源分配到整个混凝土构件；定义施工阶段，包括各施工阶段的单元、边界和荷载情况；再其次对水化热分析控制：选择施工阶段、自重等情况；最后运行结构分析，包括热传导分析和温度应力分析，计算完成后查看各时间段温度分布和温度应力。

图1 再生大体积混凝土劈裂抗拉强度

3 结果与讨论

3.1 主隧道模型仿真计算

根据实际工程中的施工顺序和工艺，将主隧道结构中的底板结构取出构建模型，包括地基土体、横向单侧面墙体，其余侧面为与空气接触的自由端。对试验模型进行建模仿真分析，底板尺寸24.0m×14.0m×1.2m，地基土体26.0m×15.0m×1.0m，侧墙15.0m×1.0m×3.0m，整体计算模型包括11427个节点，9096个单元，模型浇筑48h后达到温峰55.5℃，底板模型网格图如图2所示。

图2 底板模型网格图（包含地基和侧墙）

然后取主隧道中的∏型上部框架，取出构建模型，包括底板混凝土、横向单侧面墙体，其余侧面为与空气接触的自由端。对试验模型进行建模仿真分析，∏型框架尺寸24.0m×16.0m×7.2m，侧墙厚1.0m，顶板厚1.2m，混凝土底板尺寸26.0m×17.0m×1.2m，侧墙17.0m×1.0m×7.8m，整体计算模型包括17173个节点，11424个单元，模型浇筑48h后达到温峰67.2℃，上部框架模型网格图如图3所示。

图3 上部框架模型网格图（包含底板和侧墙）

3.2 温度场分布及特征值

图4 底板模型最高温度包络图（包含地基和侧墙）

底板内部最高温度分布与上部框架结构各龄期温度场包络图见图4和图5。主隧道底板和上部框架模型的温度呈现先升后降的趋势，最高温峰出现在中心内部，并在初期急剧上升，于底板浇筑48小时后分别达到最高温度55.5℃和67.2℃，而后急剧下降，逐渐降低，同时内部和外表面温差达到最大，分别为24.1℃和34.4℃。主体隧道的施工在2018年8月，气温较高，应注意控制高性能再生混凝土的浇筑温度，同时做好表面保温和养护，通过降低混凝土的散热率，从而减小混凝土的里表温差和温度应力，里表温差宜控制在25℃以下。以上模型模拟数据结果与实际工程现场测温相吻合，温度变化趋势接近，模拟结果较为可信。

3.3 应力场分布及特征值

主隧道底板模型的各个龄期应力分布如图6所示，上部框架结构模型的各个龄期应力分布则如图7所示。

从各龄期应力分布图可以看出：混凝土中心和表面的最大温度应力均未超过混凝土的容许应力值，混凝土的抗裂性好，理论上不会产生有害裂缝。这是因为加入粉煤灰和矿粉减小混凝土的水化放热，膨胀剂可以补偿混凝土的干缩，所以在以上两者的联合作用下，在混凝土内部引入的温度应力比较小。在升温阶段，混凝土内部和表面均处于压应力状态；在混凝土降温阶段，首先在混凝土表面产生拉应力，随着混凝土的持续降温，混凝土中心由压应力变为拉应力，在水化后期，特别是28天以后，混凝土的温度拉应力已经趋于比较稳定的状态，不再继续增长，虽然处于受拉状态，但应力值远小于混凝土的抗拉强度，混凝土不会产生有害裂缝。

3.4 高性能再生混凝土温度裂缝控制措施

本项目主隧道施工在2018年8月份，气温高，工程要求高性能的补偿收缩混凝土，需要增大水泥用量保证强度，但是水泥用量大会导致水化放热量增多，增大混凝土内部温度应力和裂缝出现的可能性，为保证裂缝控制问题，主要采用以下措施：

1）通过调整原材料，即加入粉煤灰、矿粉、膨胀剂等补偿再生混凝土的收缩，通过配合比优化设计获得水化热和干缩都比较小的混凝土配合比，可以用于控制再生混凝土的早期裂缝。

图5 上部框架结构模型各龄期温度包络图（包含地板和侧墙）

图6 底板模型各龄期应力场分布图

图7 上部框架结构模型各龄期应力场分布图

2）严格控制原材料的温度，因此来控制再生混凝土的入模温度，大体积再生混凝土的入模温度不宜超过20℃，特别是要控制水泥温度，特别是在高温季节。

3）再生混凝土的养护工作应引起足够的重视，对于大体积再生混凝土，应根据施工环境条件采取必要的温控措施，覆膜保湿是简单易行的措施。

4 结论

结合北京市通州区运河核心区市政配套工程的南环环隧隧道工程的工程实际，应用MIDAS有限元分析软件分析得到实际工程中再生混凝土工程的温度场和应力场分布，得到的结论如下：

1） 大体积再生混凝土的裂缝来源于温度应力以及自身干燥收缩，通过矿物掺合料和外加剂可以降低水泥水化热和补偿干燥收缩。

图8 再生大体积混凝土最大温度应力与容许应力时程曲线

2）通过将模型计算数据与实际工程数据对比，仿真模拟结果与实际情况吻合较好，证明MIDAS有限元分析实际工程是可行的。

3）可以根据模型计算结果提供合适的控制温度应力的措施，并验证已采用的控制裂缝方法的可行性。

4）根据模型仿真分析可以得到温度应力的分布，可以对最危险的拉应力或可能裂缝位置提前采取补救措施，是一种非常高效的预判裂缝开裂风险性的方法。