高强度大体积混凝土材料特性研究

李兆宇

渤海石油航务建筑工程有限责任公司

1 引言

混凝土是由多种材料所构成的复合型材料，其自身具有不连续性、非均质性的特征。在特殊的荷载条件之下，混凝土材料自身的力学性质和破坏机理会发生一定的变化，存在较强的离散性，同时还会面临尺寸效应的影响，而这些问题的存在均会直接影响到高强度大体积混凝土材料的使用效果和质量，同时也是学术界的所面临的主要研究难题。高强度大体积混凝土一般常用于建筑物大体积基础部位施工，具体使用时需要明确分析使用条件，做到科学使用、合理使用，从而确保工程自身的质量、安全性和经济性。为了实现这一目标，就必须强化对于高强度大体积混凝土材料的特性研究，如力学研究、变形研究、抗裂性能研究等，并深入到建筑物大体积基础的基本特征当中，分析其开裂原因和混凝土损伤机制，为建筑物大体积基础的设计、施工提供强有力的理论依据，间接达到优化设计、完善施工体系的目的。

2 高强度大体积混凝土材料概述

2.1 高强度大体积混凝土的成分分析

除了也能够组成普通混凝土水泥、砂、石和水外，还有两类比较特殊的成分高效减水剂和矿物掺和料。其一，高能减水剂，高能减水剂能够提高高强度大体积混凝土材料的性能，使得其强度和耐久性能够极大提升。高能减水剂在是构成高强度大体积混凝土材料的重要成分，其具有较高的分散能力，能够在减少用水量的基础提升混凝土强度。同时也能够提高混凝土的强度，有效避免混凝土坍落，保证施工安全和施工质量。当然，为了更好地满足高强度大体积混凝土材料的功能需要，也可以适当选择加入一些其他的添加剂，如防冻剂和防水剂等。其二，矿物掺和料，矿物掺和料主要包括粉煤灰、硅粉和磨细矿渣三种，这三种材料在高强度混凝土材料中发挥的功能和作用不一。粉煤灰是一种表面光滑得多颗粒球形的粉末，一般来源与锅炉烟气中。将粉煤灰加到高强度大体积混凝土的拌和中能够产生滚珠润滑效应，使得水泥分布更加均匀，能够有效地提升混凝土材料的各项功能，延缓水化速度，避免温度裂缝的出现。硅粉是一种表面光滑，颗粒相当微小的粉末，多来源于生产硅铁和硅钢合金生产烟气。将硅粉加入混凝土拌和中能够保证混凝土的粘聚性，保证混凝土的强度和耐久性。硅粉拌和需要大量的水，所以在进行拌和时候要综合考虑到硅粉的需水量和高能减水剂的用量，并选择性能良好的硅粉作为原料。矿渣是一种比较常见的建筑原料，主要是高炉炼铁产生的熔融矿渣，在排出后用水淬冷切的方法来对高温状态的矿渣进行冷却。但是这种原始的矿渣和其他建筑材料发生影响的速度相当的慢。将矿渣磨细能够有效提升其活性，提高其反应速度，但是这种材料的成本相对较高，性能越好价格越高。将超细矿渣加入混凝土拌和中能够延长混凝土的凝结时间，抑制碱-骨料反应，提高高强度大体积混凝土材料的各项性能。

2.2 高强度大体积混凝土的优缺点

经过试验发现，高强度大体积混凝土具有强度高、抗压能力强、减震效果明显等优势，与传统的混凝土比较有着巨大的差距。且高强度大体积混凝土材料的横截面美观舒适，而且经济价值大。高强度大体积混凝土增加了使用面积，使得混凝土变形程度小，刚度效果大，结构稳定明显。此外，因为高强度大体积混凝土的材料致密，也带来了不少好处，这使得其拥有较强的抗冻、抗冲击、防渗和抗腐蚀优点。但是高强度大体积混凝土材料并非十全十美，也存在着不足。高强度大体积混凝土施工条件较为复杂，需要的施工技术较为复杂，通常是选择用整体浇筑技术，但是在施工中需要格外注意，以避免出现工缝。高强度混凝土因为体积大，所以重量大，需要花费的养护时间较长。因为难以进行导热和不耐高温，非常容易出现裂缝。裂缝的出现不仅仅影响高强度大体积混凝土的美观和品质，更是会影响高强度大体积混凝土结构安全。如果没有及时风险裂缝并进行及时地修复，或者在施工中受到了更多影响因素的影响，那么高强度大体积混凝土的优势将不复存在，结构的稳定性会降低。如果裂缝在不断加深和加宽，高强度大体积的特性会发挥作用，整个大型建筑物将存在安全隐患，建筑物的结构将会不稳定，会影响人们的生产生活，威胁人们的生命财产安全。

3 高强度大体积混凝土材料的现存问题

3.1 裂缝问题

裂缝问题在任何混凝土结构中均无法避免。而对于高强度大体积混凝土材料而言，若想要减少或者规避裂缝的出现，就必须从混凝土材料自身的抗力特性角度出发，并强化对于施工过程的外力控制、温度变化控制以及约束力控制效果，进而达到控制混凝土内部结构变化的目的。从某种角度来看，混凝土材料的抗力特性变化是可控的，是可以人工参与干涉的，只要对各项组成材料的抗力特定进行研究分析，并通过对于用料量和材料种类的调整，即可实现最终的目的。从目前阶段各种工程对于高强度大体积混凝土材料的基本要求来看，提升混凝土材料的强度、抗渗性能、耐久性依然是主要的设计方向，而想要实现这一目标就必须从抗裂研究的角度出发，分析各项不同配合材料的物理力学性能，从而优化混凝土材料的配合比例，满足工程自身对于抗裂缝的实际需求。高强度大体积混凝土结构裂缝进行分类并归纳产生裂缝的原因，发现主要分为以下几种。

（1）温度裂缝，高强度大体积混凝土结构导热系数差和不耐热使得其内外部温度应力大，且因为高强度大体积混凝土结构体积大，重量足，在浇筑硬化，因为水泥水化产生了巨大热量，这些热量因为高强度大体积材料的特性无法从内部散发出去，从而使得高强度大体积混凝土内部温度在不断升高，而外部因为和空气接触以及早晚温度差的原因，高强度大体积混凝土表面散热容易，从而温度不高，内外部温度存在巨大差异，内外部温度应力巨大，从而导致温度变形。此外，进行浇筑时的温度也会影响高强度大体积混凝土的内外温度差，当浇筑时，外界温度过高，那么将直接导致高强度大体积内部温度过高。内部温度过高，而外部温度因为表层散热方便，直接导致内外部温度差增大，温度应力同时也随之增大，而导致温度裂缝的出现。

（2）收缩裂缝，经过试验发现，浇筑工作中的水并没有全部用于混凝土的凝结硬化，而大部分是被蒸发和挥发掉了。高强度大体积混凝土也如是，比例是1：4。水分的蒸发和挥发必然是伴随着升温的，混凝土的凝结硬化会升温，散热也会升温，这两者不仅仅会使得混凝土内外温度差增加，更是会让混凝土体积发生收缩效应，而高强度大体积混凝土因为体积大，这种收缩现象更加突出。收缩反应使得混凝土内外应变应力和抗拉应力矛盾作用，从而产生裂缝。

（3）约束裂缝和安定裂缝，浇筑施工是高强度大体积混凝土施工中的关键环节，内部会产生大量的水化热，而高强度大体积混凝土因为体积大、重量足，又使得水化热更加剧烈，这使得高强度大体积混凝土的温度变化剧烈，内部约束增大而产生变形，但是又会被外部约束所桎梏，相互作用，使得抗拉应力反复变化，从而导致裂缝的产生。此外，安定性裂缝也是高强度大体积混凝土结构常出现的一种裂缝类型，这种裂缝和前三者有所不同，其裂缝主要是以龟裂形态呈现，这种裂缝产生的原因主要是高强度大体积混凝土材料中的水泥安定性不合格。

3.2 地震对混凝土材料的变形影响

随着现代信息化技术的不断发展，在分析地震因素对于混凝土材料的影响时已经可以由计算机作出精确计算，但这种计算方式容易受到计算机设备自身精准度和仿真度的影响，故最终的计算结果往往会于实际表现之间存在偏差，但这种偏差在多数情况下均可以控制在可接受的范围之内。而对于在远场地基深部出现地震情况时，地震所形成的冲击波会在传播的过程中不断的反射、折射，且传播过程中会受到多种不均匀介质及不规则地形的影响和干扰，故地震冲击波在反馈到地面区域时往往会呈现出非均匀状的分布。在计算地震对于混凝土材料的干扰和影响时，必须在计算模型上体现出地震运行的非均匀变化，且需要关注混凝土材料在地震影响之下的强度变化和应力变化。

在以往的研究和分析当中，由于国内缺少完善的试验资料，故多数情况下需要使用国外的试验资料进行分析，并通过经验安全系数设计方式来对于混凝土材料的抗震等级进行判断。不可否认的是，国内目前对于混凝土材料的强度研究及变形研究依然落后于国外，且由于这一研究的起步和发展较晚，目前依然处于起步阶段和摸索阶段，尤其是缺少针对荷载作用下混凝土材料结构关系、断裂特性的研究。

3.3 力学与变形的仿真研究

建筑物大体积基础的结构设计拥有独立、特殊的安全系数设计方式，即建筑物大体积基础自身的应力需要低于某一特定的标准值，而这一特定的应力标准值大小则取决于混凝土构件在特殊环境下的极限强度和经验安全系数的比例。仅从安全系数的角度来看，其一般会与混凝土构件的大小、尺寸之间有着密切的关联性，即不同持续、不同形状的混凝土构件的安全系数也不尽相同。随着现代科技的进步和施工工艺的不断优化，建筑物大体积基础的设计常使用经验安全系数对强度进行判断，故针对混凝土构件的强度特性研究反而不会进行使用，其主要原因就在于混凝土构件的安全系数会受到构件自身的大小和性状影响。实践证明，这种经验安全系数研究方式无法从根本上对安全性作出准确地评估和分析，甚至还会对建筑物大体积基础的设计标准、设计水平造成一定的负面。

现阶段，在评估建筑物大体积基础的安全度时，工作人员的个人经验依然占据着主导的地位，且更加侧重于建筑物大体积基础在极限状态下的平稳条件。一般情况下，建筑物大体积基础的强度破坏问题已出现裂缝或者变形为主，其主要原因在于混凝土材料的塑性开裂或者内部存在累积性损伤的问题。而在模拟破坏过程时，材料结构和混凝土材料在失效时的极限强度确定就成了关键所在，其对于评估建筑物大体积基础安全性时起到了重要的作用。此外，建筑物大体积基础在运营过程中也难免会存在开裂的情况，当出现这种情况时就必须高度关注对于开裂位置的控制，若仅仅是建筑物大体积基础局部拉应力超标，脱离了安全标准范围之内时，并不意味着建筑物大体积基础功能的失效，因而只要做好对于裂缝处的控制，确保裂缝面积不会扩大或者深入，建筑物大体积基础依然可以正常使用。在具体分析建筑物大体积基础裂缝问题时，三维非线性有限单元法起到了决定性的作用价值，这一分析方法能够对建筑物大体积基础开裂情况作出准确判断，但这种方式由于仅仅是通过材料模型分析，故在判断混凝土材料受载状态的效果时反而无法起到较好地效果。因此，在研究混凝土材料强度和变形特性时，必须要总结各种破坏形态的基本特点，进行综合性的分析和判断。

4 高强度大体积混凝土材料的研究

4.1 配合优化研究

高强度大体积混凝土材料的配合比例将影响到混凝土材料的具体性能参数，其主要的影响因素包括原材料自身的质量、用量和组合搭配方式。在具体研究时，需要从以往的研究资料出发，高度重视混凝土材料的强度、抗变形能力和抗裂能力，综合分析之后构建数据库，试验分析不同配比的结果，并根据工程的实际需求选择最合适的配合比例。

4.2 动态强度特性研究

在研究高强度大体积混凝土材料的动态强度特性时，要重视动力荷载作用对于混凝土材料的破坏机制，调整应变速率，低周反复加载，进而获取真实的动态参数仿真试验结果。

4.3 全级配混凝土试件特性研究

在研究全级配混凝土试件时，混凝土试件的尺寸、大小、形状、成型条件均是主要的研究内容，并要在这一基础上构建完善的试验标准，开展一系列试验内容。试验方法以细观力学分析法为主，在计算机上模拟混凝土材料的宏观力学特性，进而得到混凝土材料的容许使用强度。

4.4 损伤-断裂特性研究

在对高强度混凝土损伤-断裂特性研究时，要按照系统开展的原则，并根据研究实验的数据和成果来对损伤断裂机理进行判断。明确标准，建立能够反映高强度大体积混凝土损伤断裂特性的本构关系。以损伤断裂理论标准来进行扩展，建立扩展模型，推断断裂参数，并进一步对相关机理进行研究。

5 结语

综合来看，随着高强度大体积混凝土材料的应用范围不断扩大，加强对于高强度大体积混凝土材料的综合研究分析已经成了必然趋势，相关单位及工作人员应当重视对于现有问题的研究，扩宽高强度大体积混凝土材料的使用范围，不断改革施工工艺，为建设高质量的工程项目提供理论依据。