摘 要：大体积混凝土抗裂技术是个系统工程，涉及到原材料、配比设计、施工养管等一系列过程，利用数学仿真，进行了温度场的计算、应力场的模拟计算，采用冷却水管技术，配合施工养护的全套措施，有效解决了抗裂问题。
关键词：大体积混凝土 温度场 应力场 数学模型 水管 仿真
1工程概况
某项目工程基础采用C50高性能海工混凝土承台和钢管桩基础，承台上部采用锚栓过渡段与风机塔筒相连。封底混凝土采用强度等级为C50的混凝土。其配合比如表1所列。
表1 C50混凝土配合比
项目
胶材
总量
水泥
掺和料1
掺和料2
砂子
碎石
水
外加剂
单方用量(kg/m3)
500
225
75
200
727
1025
145
6.00
基础承台一次性浇筑。承台为大体积混凝土结构，由于水泥水化热温升将引起复杂的温度应力，不采取适宜的防裂技术措施，可能会导致结构开裂，影响结构的整体性和耐久性。
2 计算参数的选择及有限元模型的建立
2.1 材料热特性值
根据混凝土配合比的水泥、掺和料1和掺和料2的用量，胶疑材料水化热折减系数取0.8，折算后水泥用量当量值为400kg。
水泥采用PO42.5水泥，水泥水化热按经验值取，3d： 201kJ/kg，7d：224 kJ/kg。
本工程所使用的材料以及热特性值如表2所示。
表2计算参数的取值
构件位置
物理特性
承台
封底混凝土
比热(kcal/kg℃)
0.25
0.25
比重(kgf/m3)
2403
2403
热传导率(kcal/m hr)
2.3
2.3
对流系数(kcal/m2 hr)
10
－
大气温度(℃)
32
32
浇筑温度(℃)
30
-
7d抗压强度(kgf/cm2)
476
200
强度进展系数
a=4.5b=0.95
-
28d弹性模量(kgf/cm2)
3.35×105
2.2×105
热膨胀系数
1.0×10-5
1.0×10-5
泊松比
0.2
0.18
单位体积水泥含量(当量，kgf/m3)
400
-
放热系数函数
K＝55.076
a= 1.9034
-
2.2有限元仿真分析模型的建立
根据承台的实际断面尺寸建立有限元模型如图1所示。
图1 承台有限元模型
3 温度场和温度应力仿真分析结果
3.1 承台温度场仿真分析结果
承台仿真分析时长为40d，温度场计算结果如图所示。
图2 承台表面点温度随时间变化图
图3 承台中心点温度随时间变化图
承台表面在浇筑完成后第24h时温度达到最高值48.5℃；内部在第72h时温度达到最高为81.2℃。
3.2 承台温度应力仿真分析结果
⑴ 承台墩身一层应力场仿真计算结果
图4 承台表面应力最大点应力随时间变化图
图5 承台表面应力最大点拉应力比
图6 承台中心应力最大点应力随时间变化图
图7 承台中心应力最大点拉应力比
由上述仿真计算结果简要分析如下：
⑴由图可知，承台表面点在浇筑完成后第22h左右拉应力大于容许拉应力；在第22h拉应力比开始小于1，由此可见承台表面会产生表面有害裂缝，承台浇筑完成后内部拉应力始终小于容许拉应力，拉应力比始终大于2，由此可见承台不会产生内部裂缝。
4 防裂技术措施
为了减少或避免结构产生裂缝，主要从减小内外温差、和提高混凝土本身抗裂性能这两方面综合考虑。
4.1 减小混凝土结构内外温差的技术措施
1、降低混凝土的入模温度
混凝土入模温度在条件允许的情况下应尽可能的降低，建议混凝土入模温度最高不要高于28℃。降低混凝土入模温度，可采用下列方法：
①降低混凝土的出机温度。混凝土的出机温度可由下式计算得到：
（1）
式中，
—砂，石的含水量，以%计；
—每立方混凝土中砂，石，水泥和水的重量；
—砂，石，水泥和水的温度。
p—加冰率(实际加水量的%)；
η—加冰的有效系数，在进入拌和机以前，有一部分冰屑在运输途中融化，通常η=0.75～0.85。根据表1的所列的配合比由上式可得到：
（2）
由式4-2可以看出各种原材料对混凝土出机温度影响：石子温度影响最大，砂和水的温度次之，水泥的温度影响相对较小。因此，降低混凝土出机温度的最有效的办法是降低石子和砂子的温度，石子和砂子的温度每降下1℃，可分别使混凝土温度降低出机温度约可降低0.44℃和0.31℃。如不加冰，单纯降低拌和水温度1℃，可使混凝土温度降低0.1℃。
设加冰的有效系数η=0.8，加冰的降温效果如表2所列。
表2 冷却水加冰降温效果
加冰率%
20
40
60
80
100
降温（℃）
2.58
5.18
7.76
10.35
10.35
实际工程中，加冰率很少达到100%，通常不超过80%。
砂石料应加遮阳棚或覆盖苫布来避免阳光直射而骨料升温过高。测得配合比中各种材料的温度和加冰率即可由式1和表1来估算混凝土的出机温度。另外要特别注意水泥温度，尤其是散装水泥应先测其温度，如超过50℃可采取风冷却或水冷却的方法。
②降低混凝土输送途中的温升。在混凝土输送管道上缠绕保温材料，减少混凝土温升。
③加快浇筑速度、减少暴露时间。浇筑过程中温度回升很快，为了减少浇筑过程中的温度回升，应加快混凝土浇筑速度，在最短时间内覆盖新混凝土。
④采用台阶式浇筑法，把混凝土浇筑方式从全仓面平浇改为台阶式浇筑，或称鱼鳞式浇筑，混凝土层面暴露时间可大大缩短，但应加强施工管理。
⑤仓面隔热。夏季浇筑常态混凝土时可采用边浇筑边覆盖保温被的方法隔热，混凝土振捣完毕，立即覆盖保温被，到铺筑新混凝土时再揭开。
⑥夜间或早晨浇筑。盛夏气温很高而温控手段有限时，可选择在夜间或阴天浇筑混凝土。
2、布置冷却水管
冷却水管布置方案此处略。
3、混凝土的保温
刚浇筑的混凝土强度低、抵抗变形能力小，如遇到不利的温湿度条件，其表面容易发生有害的冷缩和干缩裂缝。
保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土温度梯度，防止表面裂缝的发生。设置保温层，可以对混凝土表面因受大气温度变化或雨水袭击的温度影响起到缓冲作用。拆模后可在结构表面覆盖无纺布等保温材料来降低内外温差。
4、加入缓凝剂
建议考虑将配合比中羧酸高性能减水剂换成高效缓凝型减水剂。缓凝剂的加入可以减缓水泥水化放热速率，从而达到降低混凝土内部最高温度、减小内外温差的目的。
5、改善边界约束
配置的构造钢筋应尽可能采用小直径、小间距，例如配置直径6～14mm、间距控制在100～150mm。按全截面对称配筋是最合理的，这样可大大提高抵抗贯穿性开裂的能力。若进行全截面对称配筋，配筋率应控制在0.3%～0.5%之间。
4.2 提高混凝土抗裂性能技术措施
4.2.1原材料选择
①优选水泥
大体积混凝土结构在选用水泥品种时，应综合考虑水化热、强度、坍落度等因素。某些水泥的水化热虽然低，但强度也低，在配制混凝土时，需用较多的水泥，结果混凝土的发热量可能比采用水化热较大、强度较高的水泥时还要大。
②减少水泥用量
实验数据表明，水化热与水泥用量成正比，每立方米的混凝土中水泥用量每增减l0kg，水泥水化热使混凝土的温度相应升降1℃。因此，可通过采取适当的措施减少水泥用量来控制混凝土的温升，降低温度应力，减少混凝土开裂的可能性。
③减少用水量
混凝土的单位用水量越多，干缩率越大，一般用水量每增加1%，干缩率可增大2%～3%。在便于施工操作并保证振捣密实的前提下，混凝土应尽可能取较小的坍落度，减少用水量，并把离析、泌水现象降到最低程度。
4.2.2混凝土的浇筑与二次振捣
改进混凝土的搅拌工艺对改善混凝土的配合比、减少水化热、提高极限拉伸有着重要的意义。采用二次投料的砂浆裹石或净浆裹石搅拌新工艺，可以有效地防止水分向石子与水泥砂浆界面的集中，使硬化后的界面过渡层的结构致密，粘结加强，从而使混凝土强度提高10%左右，也提高了混凝土的抗拉强度和极限拉伸值。
混凝土二次振捣有严格的时间标准，二次振捣的恰当时间是指混凝土振捣后尚能恢复到塑性状态的时间，这是二次振捣的关键，又称为振动界限。
4.2.3养护措施
潮湿养护的时间越长越好，但考虑到工期因素，一般不少于半个月，重要结构不少于一个月。混凝土浇筑后数月内，即使养护完毕，也不宜长期直接暴露在风吹日晒的条件下。
由上述仿真计算并对比系列图可以看到，经过一系列的防裂措施后拉应力明显下降，出现裂缝的可能性已经大大降低。但承台表面拉应力在26h左右仍然接近容许抗拉强度，此时拉应力比仅为1.04，因此承台仍有产生裂缝的可能性，必需引起足够注意。
5 结语
大体积混凝土抗裂技术是个系统工程，涉及到原材料、配比设计、施工养管等一系列过程，利用数学仿真，进行了温度场的计算、应力场的模拟计算，采用冷却水管技术，配合施工养护的全套措施，有效解决了抗裂问题。
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