摘 要:通过一超长地下构筑物的设计实例,说明了补偿收缩混凝土在混凝土结构中对降低温度应力、减少结构伸缩缝设置的作用,以推广使用该技术,达到更好解决混凝土收缩裂缝问题的效果。
关键词:补偿收缩混凝土,超长地下构筑物,伸缩缝
引言
在工业与民用建筑结构中,一般现浇的连续墙式结构、地下构筑物及设备基础等是容易由温度收缩应力引起裂缝的结构,这类结构均以永久伸缩缝或施工缝来释放温度应力。我国现行GB5001022002 混凝土结构设计规范规定:现浇钢筋混凝土地下连续式结构,处于室内或土中条件下的伸缩缝间距为30 m ,露天条件下为20 m。为避免永久式伸缩缝带来的缺点,在一些工程中采用临时性的伸缩缝即后浇带的办法控制裂缝。而伸缩缝较多的结构要求设置止水带,这样就增加了特殊材料的用量,施工麻烦,不易做好,容易渗漏。特别是当混凝土施工工艺由半机械化转到现代化泵送工艺后,由于水灰比大,含砂率高,水泥用量多,浇灌速度快,工程裂缝的险情增加了,裂缝控制难度也随之而增大。
补偿收缩混凝土技术很好地解决了混凝土收缩裂缝问题,并且得到了广泛应用[ 125 ] 。
1 工程概况
某用于化工管道运输的地下管涵,总长330 m ,顶板面距地面1. 2 m,管涵截面净空尺寸为4. 0 m(宽) ×3. 5 m(高) ,底板厚350 mm,侧壁及顶板厚300 mm。施工开始时间为6 月。
对于地下管涵等结构,其特点为:1) 常采用现浇钢筋混凝土超静定结构,温差和收缩变化复杂,约束作用较大,容易引起开裂;2) 混凝土强度等级较高,水泥用量较大,壁厚较小,收缩变形较大;3) 水化热温升较高,降温散热较快。因此,对于此类结构,收缩与温差的共同作用是引起混凝土裂缝的主要因素。计算地下管涵结构时,一般采用“地基上长墙”模型。通过对此类结构的裂缝调查分析,得出如下一些规律:1) 一般情况下,裂缝经常垂直于较长方向;2) 收缩及温差越大或变化速度越快,越容易开裂;3)结构材料越薄(温差梯度越大,承受均匀温度收缩的层厚越小) 越容易开裂;4) 结构的地基对结构的约束作用越大,越容易开裂。
2 补偿收缩混凝土原理
补偿收缩混凝土通过在混凝土中掺入适当比例的微膨胀剂,不但可以补偿混凝土自身的硬化收缩,更重要的是通过膨胀产生当量负温,以降低混凝土的温差从而达到减小温度应力的作用。最终提高混凝土结构自身的抗裂能力,同时微膨胀剂水化后产生钙矾石填充于混凝土内部的毛细孔隙中,降低了混凝土的孔隙率,增加了其密实性,也提高了混凝土结构的抗渗能力。
另外,补偿收缩混凝土在养护期间的限制膨胀率ε2 = (2～4)×10 - 4 ,而普通混凝土不具有膨胀性能,其总收缩S m = (4～6) ×10 - 4 。混凝土的极限拉伸值εp = (1～2) ×10 - 4 , 当S m >εp 时,即开裂。对于补偿收缩混凝土来说,其抗裂条件为ε2 - S m >εp 。
可见,补偿收缩混凝土通过膨胀来补偿混凝土的收缩,以抵消钢筋混凝土结构在收缩过程中产生的全部或大部分拉应力,从而不裂或控制在无害裂缝。为防止较长的连续结构由于混凝土收缩和温度应力引起开裂,必须每隔一定的距离设置伸缩缝。王铁梦推导了伸缩缝间距的计算公式
(1)
式中: L ——伸缩缝间距;
Cx ——地基水平阻力系数;
E ——C25 混凝土弹性模量, E = 2. 8 ×104 N/ mm2 ;
H ——板或墙的计算厚度, H = 1 m;
T ——综合温差, ℃;
α——混凝土的线膨胀系数,α= 1 ×10 - 5 ℃- 1 ;
εp ——混凝土极限拉应变。
由式(1) 可以看出,在影响伸缩缝间距的因素中,地基水平阻力系数反映了地基刚度对结构的约束作用;综合温差反映了温度应力对结构的影响。一般情况下,地基刚度多为天然地基自身特有的系数,因此,如能使得结构中的温差减小,即可增加伸缩缝设置的间距,减少伸缩缝的数量。
3 补偿收缩混凝土结构的计算
因本工程地处长江漫滩边,地下水位较高,因此较多的伸缩缝将会引起漏水隐患的增多,同时增加施工难度及工程造价。因此,设计人员经方案比较后决定通过使用补偿收缩混凝土来降低结构中的温度应力,以达到尽量少设伸缩缝的目的。根据气象资料,南京地区6 月份的日平均气温为24 ℃,地下1. 5 m 处,最冷月份土壤平均温度按5 ℃考虑。连续式钢筋混凝土结构的温度缝间距按式(1) 计算。参数计算如下。
1) Cx :按软粘土,承载力80kN/ m2～150 kN/ m2 ,基础埋深小于5 m 时Cx 取(1～3) ×10 - 2 N/ m3 ,偏安全取3 ×10 - 2 N/ m2 。
2) T1 :混凝土结构物水化热温升值T′取5 ℃(壁厚按300 m计) ,入模温度以6 月份计24 ℃,则
(2)
式中: K1 ——425 号水泥,取1. 0 ;
K2 ——普通硅酸盐水泥,取1. 2 ;
K3 ——水泥用量修正系数, K3 = W/ 275 , W 取400 kg ,即
K3 = 400/ 275 = 1. 455 ;
K4 ——钢模板,取1. 0 。
代入式(2) 得:
℃,
T1 = 24 + 8. 8 = 32. 8 ℃。
3) 收缩当量温差计算:
(3)
其中,
为标准状态下的极限收缩, = 3. 24 ×10 - 4 。其中水灰比取为0. 6 ,配筋率为0. 5 %。M4 = 1. 42 , M10 = 0. 9 , 其余取1. 0 , t 为30 d。分别代入式(3) 和式(4) 得:
℃,
4) 膨胀当量温差计算:采用掺入膨胀剂的混凝土,配筋率P= 0. 79 %时,限制膨胀率为0. 02 %。配筋率P = 0. 54 %时,限制膨胀率为0. 03 %。T2 =ε2/α,偏安全计ε2 取0. 02 % ,则T2=ε2/α= 2 ×10 - 4/ (1 ×10 - 5) = 20 ℃。
5) 综合温差T 计算:
T = T1 + Ty ( t) - T2 = 32. 8 + 10. 7 - 20 - 5 = 18. 5 ℃。
6) 极限拉应变εp 计算:
εp = 0. 5 Rt (1 + p/ d) ×10 - 4 = 1. 19 ×10 - 4 。
考虑混凝土徐变影响(应力松弛) 偏安全只考虑50 % ,则:
εp = 1. 5 ×1. 19 ×10 - 4 = 1. 78 ×10 - 4 。
故伸缩缝平均间距计算为:
若采用普通混凝土,综合温差T = 38. 5 ℃,则L = 25. 2 ×0. 665 = 16. 7 m ,即16. 7 m 应设一道伸缩缝。
若土壤平均温度为10 ℃时,综合温差T = 13. 5 ℃,
数学上无解,物理上可无限长不设缝。根据以上计算,并考虑到实际的工程情况,最终采用三道伸缩缝将其分为4 段,每段约长85 m。现已投入使用数年,经设计者现场查看,未出现混凝土结构自身的开裂与渗漏。
4 结语
在工程允许的情况下,采用掺入膨胀剂的补偿收缩混凝土,利用其膨胀后可产生当量负温的原理来降低结构中的温度应力,以及通过膨胀来补偿混凝土的收缩抵消钢筋混凝土结构在收缩
过程中产生的全部或大部分拉应力,以提高混凝土结构的抗裂防渗能力来满足某些工程在设计施工中的特殊要求是可行的。但同时对施工中掺膨胀剂的部位、种类、比例以及施工期间的养护应特别引起重视,才能保证工程的质量。
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