在大体积混凝土施工过程中, 由于水泥水化热作用, 混凝土浇筑后需经历升温、降温、稳定期3个阶段, 且大体积混凝土水化热不易散去, 内外温差大, 极易产生裂缝^[1]。混凝土内部温度场和外部约束是影响混凝土浇筑质量的主要因素^[2,3], 因此, 采取合理的工程措施控制大体积混凝土因水化热引起的温升、内外温差、降温速度^[4], 控制外部约束产生的拉应力低于混凝土的抗拉强度^[5], 从而避免大体积混凝土出现垂直于拉应力的竖直裂缝是施工过程的关键所在。

目前工程领域常利用有限元软件的热分析模块及耦合单元进行温度应力的仿真模拟^[6]。本文针对以色列Ashdod港项目TRS码头胸墙浇筑过程采用MIDAS/FEA软件进行温控仿真计算, 结合实测温控数据对比分析, 确认导致大体积混凝土出现裂缝的主要影响因素, 最终制定合理科学的温控标准, 指导TRS码头胸墙在后续实际施工中避免有害混凝土裂缝的出现。

Ashdod港项目所在地为典型地中海气候, 夏季 (4—10月) 漫长、炎热、少雨且昼夜温差大, 白天日照强烈, 冬季 (11月—次年3月) 较为短暂凉爽多雨。1月是全年最冷的月份, 平均气温为6~15℃;7, 8月是最热的月份, 平均气温为22~33℃。TRS码头胸墙混凝土设计类型为B-40, 水泥采用低水化热的42.5矿渣水泥 (CEMⅢ/B 42.5N) , 混凝土配合比如表1所示。

混凝土浇筑温度与各原材料初始温度、比热及配合比有关, 同时受运输条件和当地气候变化影响。参考项目混凝土温度实测统计数据, 在不采取冷却措施的情况下, 混凝土年平均浇筑温度为26.0℃, 且随着季节在14.9~33.3℃变化。从近期 (2016-10—2017-2) 已完成的胸墙监测结果看, 当浇筑温度在20℃左右时, 最高温度可达50℃, 且温峰出现时间一般在混凝土水化开始后36h前后, 内表温差在12~29℃变化, 平均内表温差为19.6℃。

TRS胸墙混凝土第1层底面部分与钢板桩接触, 假设钢板桩底部恒温且与平均水温接近。混凝土顶面、侧面及底面暴露部分与大气环境接触, 计算散热时可当作第3类边界条件^[7]。施工现场平均风速为3m/s, 根据朱伯芳^[8]的论述可得到TRS胸墙在空气中的表面放热系数。图1为浇筑成型的TRS胸墙, 表2为根据工程实际确定的TRS胸墙温控模型计算参数。

TRS码头胸墙基础为钢板桩, 宽2.3m, 总高2.9m, 每段浇筑长度为30m。浇筑有两层浇筑 (1.5m+1.4m) 和全断面一次性浇筑 (2.9m) 2种方案;浇筑混凝土采用商品混凝土, 混凝土罐车需30~60min从搅拌站抵达现场;浇筑方式为泵送混凝土浇筑。计算过程针对两层浇筑的低温季节和高温季节、保温和不保温以及高温季节的一次性浇筑5种工况, 分别计算胸墙混凝土施工期温度场及应力场分布, 判断混凝土结构抗裂安全性, 以确定恰当的温控标准指导TRS胸墙施工。具体计算工况如表3所示。

采用MIDAS/FEA软件进行仿真分析。胸墙底面是部分钢板桩和模板, 钢板桩部分采用固结约束, 模板部分与混凝土无黏结, 用z向约束替代。混凝土浇筑完成后, 不同阶段TRS胸墙内部温度计算特征值如表4所示。

根据表4所示温控计算结果, 5种工况下温峰出现时间均发生在浇筑后1.5~2d内, 且TRS胸墙低温季节内部最高温度约52.3℃, 高温季节内部最高温度约58.4℃, 一次性浇筑高温季节内部最高温度约62.7℃;同时, 当浇筑温度较低时, 胸墙内部可达到的最高温度也相对较低。

根据工程经验, 前4种工况下工况4开裂风险最大。不同工况下TRS胸墙温度应力计算结果及对应安全系数如表5所示。

根据计算结果, 混凝土浇筑后, 各层表面拉应力均增长较快, 在温峰到来时, 内表温差达到最大, 表面拉应力也达到峰值, 之后表面拉应力逐渐减小;后期, 随着混凝土芯部温度下降, 内部收缩受到约束, 中心部位逐渐出现拉应力。当胸墙没有外部约束时, 后期温度应力较小, 控制的重难点在于早期内表温差。此外, 若第2层混凝土和第1层混凝土浇筑间隔时间过长, 则第1层混凝土对第2层混凝土具有明显的底部约束作用, 约束作用对第2层混凝土浇筑质量的影响程度需进一步研究。

表5中计算结果的安全系数为抗拉强度与拉应力的比值。根据以往研究成果, 当安全系数>1.4时, 混凝土开裂概率<15%。根据表5中的计算结果, 当浇筑温度<28℃、内外温差<25℃时, 安全系数均>1.4;且低温季节早期安全系数较小, 需重视早龄期保温;高温季节后期安全系数相对较小, 需注意最高温控制。工况5计算结果表明, 一次性浇筑时温度收缩应力略大于分层浇筑, 这与国内某码头胸墙混凝土裂缝的计算结果吻合^[9], 同时一次性浇筑安全系数也满足要求, 且避免间隔控制和底部约束问题, 因此在模板刚度允许条件下, 可考虑一次性浇筑方案。

温度对TRS胸墙浇筑质量的影响主要指混凝土浇筑温度及浇筑完成后胸墙内部混凝土水化过程所能达到的最高温度和内表最大温差对胸墙质量的影响。表6为TRS胸墙最近5次温度实测及拆模后检查结果。图2为第3次和第4次实测温度及温差随时间变化关系, 其中AIR为TRS胸墙附近实测空气温度, UP为TRS胸墙浇筑末端角点附近距离胸墙上表面和外表面均为10cm处测点温度, CL为实测胸墙中心温度。

由图2a、图2b可知, 混凝土浇筑完成后, 胸墙内部温度由于水化作用随时间先升高, 达到温度峰值时缓慢降低, 且胸墙中心温度明显高于表面;温度峰值均在浇筑后24~48h内出现, 这与模型计算结果吻合。图2c温差随时间变化趋势和温度与时间关系类似, 也是随时间先升高达到最大温差值后逐渐降低, 且最大温差出现在温度峰值附近。根据表6实测数据得到的胸墙5次浇筑的温度特征值如图3所示。由图3可知, 浇筑温度与最高温度和最大温差基本成正比关系, 最高温度和最大温差均与浇筑温度密切相关。对比表6中裂缝检查结果, 第4次和第5次浇筑胸墙均出现裂缝, 但第4次裂缝较多, 结合图3, 第4次和第5次浇筑温度、最高温度和最大温差均较高, 且第4次的温度特征值明显高于第5次, 说明混凝土浇筑质量与浇筑温度、最高温度和最大温差正相关。

表7为TRS胸墙第1~5段的混凝土浇筑情况。第2段第2层混凝土出现4条裂缝, 主要是因为上、下2层混凝土浇筑时间间隔太久, 第2层浇筑过程第1层对第2层底部约束应力较大, 第2层在混凝土水化过程温度应力大于约束应力导致出现裂缝。第3段第2层出现了14条裂缝, 第4段未出现混凝土裂缝, 且第3段上、下2层浇筑时间间隔小于第4段浇筑时间间隔, 对比分析可知第3段出现裂缝主要是浇筑温度过高导致, 结合表5中工况4温度应力计算结果, 进一步印证浇筑温度过高增大了混凝土出现裂缝的风险。第5段出现第2层4条裂缝, 与第4段未出现裂缝对比分析可知, 第5段裂缝出现是浇筑温度和浇筑时间间隔综合作用的结果。第1段和第4段浇筑温度均≤25℃, 浇筑时间间隔均≤15d, 2段胸墙均未出现裂缝, 进一步说明了浇筑温度过高、浇筑时间间隔过长不利于混凝土浇筑质量^[10]。5段胸墙中混凝土出现裂缝均发生在浇筑部位第2层, 说明混凝土第1层在第2层混凝土浇筑过程具有明显约束作用。

1) 根据计算结果和实测数据分析制定温控施工标准:混凝土入模浇筑温度应≤28℃, 混凝土内部水化热最高温度应≤60℃, 监测最大温差应≤18℃;两层浇筑时为减少边界约束对第2层混凝土浇筑质量影响, 2层浇筑时间间隔应≤15d。

2) 温峰最大时, 内表温差和表面拉应力也达到最大值, 之后逐渐减小, 胸墙无外部约束时可采取适当措施控制早期内表温差保证浇筑质量。

3) 低温季节胸墙养护重点在于早龄期保温, 高温季节可采取加冰屑等措施控制最高温度, 同时1d当中选择恰当的浇筑时段控制浇筑温度。

4) 为避免边界约束对浇筑质量的影响, 可将胸墙两层浇筑改为全断面一次性浇筑。