大型地震工程模拟研究设施水下振动台基础大体积混凝土温度控制研究*

王 进，于海申，周志健，姚文山，魏 鹏

(1.中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135；2.中国建筑第八工程局有限公司华北分公司，天津 300350)

1 工程概况

国家大型地震工程模拟研究设施项目占地10万 m2，建筑面积7.6万m2，包括仿真中心和实验中心。实验中心包括大型振动台和水下振动台，地下3层，地上1层，局部2层，地下为钢筋混凝土框架结构，地上为钢结构，最大高度36.9m，最大单体跨度78m，基坑最大深度18.4m。水下振动台基础区大体积混凝土结构长91.5m、宽59.6m，厚5m，混凝土强度等级为C30，抗渗等级为P8(见图1)。

图1 水下振动台基础区域至首层区域模型

采用侧面单层胶合木模板带模养护14d，顶面覆盖双层养护膜后覆盖土工布。假定在日均气温最高的7月进行浇筑，日均最高/最低气温为26℃/33℃，空气相对湿度约74%，风速6m/s。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料设计概况

采用P·O 42.5水泥，标准稠度用水量28.9%，3，28d立方体抗压强度分别为28.8，53.0MPa，初凝和终凝时间分别为214，291min。采用I级粉煤灰，细度7.9%，烧失量2.6%，需水量比90%。矿渣微粉为S95级，活性98%，比表面积420m2/kg，流动度比为105%。粗集料采用5～25mm连续级配石灰石，针片状含量4%，含泥量1.1%，压碎值7%。细集料采用河砂，中砂、细度模数为2.6，含泥量1.9%。采用高性能聚羧酸减水剂，固含量为11%，减水率27%，净浆流动度248mm。计算区域使用C30P8的混凝土，配合比为：水泥∶矿粉∶粉煤灰∶砂∶石∶水∶减水剂掺量分别为17∶50∶120∶798∶1 070∶160∶7。

2.2 水化热试验

胶凝材料水化放热量和水化放热速率是预测混凝土早期变形的重要数据，通过恒温测量仪TAM AIR进行，测量精度为±20μW。胶凝材料称重后为11.1g，在20℃环境下，与经反渗透的纯水中进行搅拌，然后放入安瓿瓶中进行测试，通过测量试样水化过程放热时的热流，并根据参比样测试结果进行数据修正，得到试样水化放热速率随时间变化规律。

3 混凝土早期变形开裂风险计算

3.1 计算模型

通过水化模型和传热模型耦合计算水化度场与温度场，利用水化度场计算混凝土力学性能、收缩、徐变相关性能的演变，并和温度场通过力学模型计算得到应变与应力场。

本次计算使用水化度描述胶凝材料水化程度[1]，定义如下：

(1)

式中：Q为水化放热；Qpot为完全水化反应热。水化速率采用Cervera的Affinity law模型[2]：

(2)

式中：α为水化度；η为拟合参数；αmax为材料达到的最大水化度，用Shindler等提出的公式进行计算[3]：

(3)

假设混凝土中为固相传热，内部仅为热传导，遵循傅里叶定律，如下式：

(4)

式中：λ为混凝土导热系数/(W·m-1·K-1)；Cp为比热容(J·g-1·K-1)；Q为水化热(W·m-3·K-1)；ρ为混凝土密度(kg·m-3)；T为温度(K)；T为温度梯度(K·m-1)。

混凝土应变分解如下[5]：

ε=ε0+εbc+εds+εau+εT

(5)

式中：ε0为弹性应变；εbc为基本徐变应变；εds为干燥(收缩)应变；εau为自收缩应变；εT为温度应变。

其中，温度应变如下：

εT=αT(T-Tref)

(6)

式中：αT为混凝土线膨胀系数，取10-5/K；Tref为参照温度(K)。

干燥收缩和自收缩应变采用Bazant B4模型中的方法进行计算[6]，徐变采用Schutter的广义Kelvin流变模型进行计算[7]。

假设Kelvin单元中的弹性模量E1和黏度η1与水化度相关。混凝土弹性模量等性能Ψ如下[8]：

(7)

式中：Ψ28为性能发展的最终值，不同性能Ψ的取值不同，抗压强度时Ψ取值为1，弹性模量和抗拉强度时Ψ取值0.67。

采用四面体网格对计算几何进行划分，最小单元尺寸为100mm，最大单元尺寸为5 500mm，3次浇筑网格划分如图2所示。

图2 3次浇筑网格划分

传热计算中采用热流边界，垂直于边界方向通过的热流qcon计算如下：

qcon=Hi(Text-T)

(8)

式中：Hi为不同环境传热边界的等效换热系数。根据浇筑时间，环境温度设日均最高/最低气温依正弦函数Text=27+5sin[2π(x-0.25[d])]变化，如图3所示。

图3 环境气温变化

力学边界中土层底部为固接，侧面在水平方向无位移，另外在底部支撑处限制高度方向无位移，其余边界为自由边界，地基和混凝土接触边界连续，如图4所示。

图4 位移边界条件

3.2 模型参数

根据水化热试验结果对式(2)中的参数进行拟合，与绝热温升试验结果比较如图5所示。

图5 水化模型拟合结果

根据试配试验结果，28d混凝土立方体抗压强度为36.6MPa，90d抗压强度为39.6MPa，28d弹性模量计算如下：

(9)

fctm=0.3(fck)2/3

(10)

式中：fck是28d抗压强度特征值。计算所用参数如表1所示。

表1 计算所用参数

3.3 结果与讨论

为评价大体积混凝土开裂风险，认为第一主应力大于抗拉强度平均值时，混凝土将产生裂缝，所以通过第一主应力与抗拉强度平均值的比值σ1/fctm， 即开裂风险云图反映大体积混凝土整体开裂风险随时间的变化。

通过第1次浇筑第3,7,14,28d的第一主应力与抗拉强度平均值比值σ1/fctm分布图,可以看出，开裂风险较大区域集中在表层和底层。

大体积混凝土早龄期因水化放热和混凝土传热过程导致的里表温差，使表层混凝土受内部混凝土约束产生应力，进而产生开裂风险。温度梯度是此类开裂的重要控制指标，因此，通过温度控制，尤其是表里温度梯度可有效避免开裂发生。选取结构平面中心竖直方向，分析开裂风险与温度梯度间的关系(见图6)。浇筑后3～28d内温度沿数值方向变化曲线如图7所示。可以看出，表面温度随时间推移而降低，温度梯度由46℃降至26℃，中心温度由68℃降至55℃，表里温差由24℃增至29℃。为确定温度梯度控制指标，可考察开裂风险与温度梯度的相关性，并将开裂风险为0.7时的温度梯度作为控制指标，选取浇筑14d后结构平面中心点沿竖直方向温度梯度与开裂风险变化进行研究(见图8)。可以看出，开裂风险与温度梯度具有很强的相关性，开裂风险0.7对应的温度梯度约为20K/m，所以将其作为温控指标，温差过大时应及时加盖保温层。

图6 平面中心处沿竖直方向选取点

图7 平面中心处沿竖直方向温度分布

图8 温度梯度和开裂风险变化

此外，除最大第一主应力外，还应注意混凝土最高温度，若>70℃，则有可能延迟钙矾石反应导致混凝土胀裂，通常混凝土浇筑2～3d后的温度达最大值，此时浇筑块内部第一主应力将达早期最高值，因此应着重观察每次浇筑3d后温度与第一主应力分布云图。第1次浇筑3d后，温度云图中,内部最高温度为68.2℃，未达70℃。

4 温度控制措施及效果

使用数显插入式电阻测温仪测量混凝土入泵和入模温度，测量范围为-30～50℃，误差±0.2℃，显示精度0.1℃，严控入模温度≤30℃。

使用矿物掺合料优化混凝土胶凝材料组分，降低水化速率和总水化热。优化后7d的放热速率和累计放热量如图9所示。可以看出，不仅水化放热最高速率降低50%，且放热峰更平缓，降低温度梯度。此外，第3天与第7天累计放热分别降低32%，24%，降低大体积混凝土的绝热温升，避免因延迟钙矾石反应引起的开裂。

图9 水化放热速率和累计放热量

浇筑期间正处夏季，太阳辐照强烈，泵送时泵管温度>50℃，不仅影响混凝土入模温度，还可能因浆体在高温下快速硬化，造成泵管内壁粗糙，影响系统整体泵送性能。为此，采取泵管外包热反射材料的做法，降低泵管温度，进一步保证浇筑时的入模温度，确保<30℃。

为验证温控措施效果，依据实时情况调整混凝土保温层，将大体积混凝土沿竖直方向埋设温度传感器监控温度，布置点平面如图10所示。

图10 测温点平面布置

沿高度方向布置传感器，如图11所示，1～4号传感器间隔800mm，4～8号传感器间隔600mm，温度均没有超过70℃，满足避免延迟钙矾石发生的温度限值。表层因对流作用与环境换热效果较底层更明显，7，8号测点降温速率明显高于1，2号测点。

图11 沿高度方向温度监测结果

因为温度梯度在靠近顶层和底层处最大，所以观察测点1，2与测点8，7间的平均温度梯度，如图12所示，并以此作为温度控制的数据依据。可以看出，浇筑和养护过程将平均温度梯度控制在20K/m内。

图12 底层和表层平均温度梯度

对大体积混凝土顶部、中部和底部进行应变监测，如图13所示，中部收缩最大，但仍<150μm，表明大体积混凝土收缩得到良好控制。

图13 沿高度方向应变值

5 结语

1)依据多物理场耦合计算评估开裂风险，得出以温度梯度20K/m作为温度控制的主要目标。

2)通过控制入模温度、优化胶凝材料组分、泵管包裹热反射材料等方式达到温控目标。

3)温度监测结果表明最高温度符合标准要求。以表层600mm、底层800mm间距的测量结果计算平均温度应变，此结果均小于20K/m，符合温控要求。

4)应变监测结果表明收缩率均小于150μm，表层和底层28d收缩率仅为50μm，减缩效果明显。