摘要大体积混凝土施工时, 由于水泥水化过程中释放大量的水化热, 使混凝土结构的温度梯度过大, 从而导致混凝土结构出现温度裂缝。因此, 计算并控制混凝土硬化过程中的温度, 进而采取相应的技术措施, 是保证大体积混凝土结构质量的重要措施。
关键词混凝土温度裂缝控制措施
中图分类号TU755 文献标识码B
1 概述
大体积混凝土是指最小断面尺寸大于1m 以上的混凝土结构。与普通钢筋混凝土相比, 具有结构厚, 体形大、混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高的特点。
大体积混凝土在硬化期间, 一方面由于水泥水化过程中将释放出大量的水化热, 使结构件具有“热涨”的特性; 另一方面混凝土硬化时又具有“收缩”的特性, 两者相互作用的结果将直接破坏混凝土结构, 导致结构出现裂缝。因而在混凝土硬化过程中,必须采用相应的技术措施, 以控制混凝土硬化时的温度, 保持混凝土内部与外部的合理温差, 使温度应力可控, 避免混凝土出现结构性裂缝。
2 大体积混凝土裂缝产生的原因
大体积混凝土墩台身或基础等结构裂缝的发生是由多种因素引起的。各类裂缝产生的主要影响因素如下:
( 1) 收缩裂缝。混凝土的收缩引起收缩裂缝。收缩的主要影响因素是混凝土中的用水量和水泥用量, 用水量和水泥用量越高, 混凝土的收缩就越大。选用的水泥品种不同, 其干缩、收缩的量也不同。
( 2) 温差裂缝。混凝土内外部温差过大会产生裂缝。主要影响因素是水泥水化热引起的混凝土内部和混凝土表面的温差过大。特别是大体积混凝土更易发生此类裂缝。
大体积混凝土结构一般要求一次性整体浇筑。浇筑后, 水泥因水化引起水化热,由于混凝土体积大, 聚集在内部的水泥水化热不易散发, 混凝土内部温度将显著升高, 而其表面则散热较快, 形成了较大的温度差, 使混凝土内部产生压应力, 表面产生拉应力。此时, 混凝龄期短, 抗拉强度很低。当温差产生的表面抗拉应力超过混凝土极限抗拉强度, 则会在混凝土表面产生裂缝。
( 3) 材料裂缝。材料裂缝表现为龟裂,主要是因水泥安定性不合格或骨料中含泥量过多而引起的。
3 大体积混凝土裂缝控制的理论计算
工程实例: 武汉市中环线南段××标段××号桥墩直径为1.2m, 混凝土及其原材料各种原始数据及参数为:
一是C30 混凝土采用P.S32.5 矿渣硅酸盐水泥, 其配合比为: 水: 水泥: 砂: 石子:粉煤灰( 单位kg) =158: 298: 707: 1204: 68( 每立方米混凝土质量比) , 砂、石含水率分别为3%、0%, 混凝土容重为2 440kg/m3。
二是各种材料的温度及环境气温: 水18℃, 砂、石子23℃, 水泥25℃, 粉煤灰25℃, 环境气温20℃。
3.1 混凝土温度计算
( 1) 混凝土拌和温度计算: 公式T0=ΣTimiCi/ΣmiCi 可转换为:T0=[0.9 (mcTc+msTs+mgTg+mfTf) +4.2Tw(mw - Psms - Pgmg) +C1 ( PsmsTs +PgmgTg) - C2( Psms+Pgmg) ]÷[4.2mw+0.9(mc+ms+mg+mf) ]
式中: T0 为混凝土拌和温度; mw、mc、ms、mg、mf—水、水泥、砂、石子、粉煤灰单位用量( kg) ; Tw、Tc、Ts、Tg、Tf—水、水泥、砂、石子、煤灰的温度( ℃) ; Ps、Pg—砂、石含水率(%) ; C1、C2—水的比热容(KJ/Kg·K) 及溶解热(KJ/Kg) 。
当骨料温度>0℃时, C1=4.2, C2=0; 反之C1=2.1, C2=335。
本实例中的混凝土拌和温度为:T0=[0.9 ( 298×25+707 ×23+1204 ×23+68×25) +4.2×18 ( 158- 707×3%) +4.2×3%×707×23]÷[4.2×158+0.9( 298+707+1204+68) ]=21.02℃。
( 2) 混凝土出机温度计算: 按公式T1=T0- 0.16( T0- Ti)式中: T1—混凝土出机温度( ℃) ; T0—混凝土拌和温度( ℃) ; Ti—混凝土搅拌棚内温度( ℃) 。
本例中, T1=21.02- 0.16×( 21.02- 25) =21.7℃。
( 3) 混凝土浇筑温度计算: 按公式TJ=T1- ( α·τn+0.032n)·( T1- TQ)
式中: TJ—混凝土浇筑温度( ℃) ; T1—混凝土出机温度( ℃) ; TQ—混凝土运送、浇筑时环境气温( ℃) ;τn—混凝土自开始运输至浇筑完成时间( h) ; n—混凝土运转次数。
α—温度损失系数( /h)本例中, 若τn取1/3, n 取1, α取0.25,则:
TJ=21.7- ( 0.25×1/3+0.032×1) ×( 21.7-25) =22.1℃( 低于30℃)
3.2 混凝土的绝热温升计算
Th=W0·Q0/(C·ρ)
式中:W0—每立方米混凝土中的水泥用量( kg/m3) ; Q0—每公斤水泥的累积最终热量(KJ/kg) ; C—混凝土的比热容取0.97(KJ/kg·k) ; ρ—混凝土的质量密度( kg/m3)
Th=( 298×334) /( 0.97×2440) =42.1℃3.3 混凝土内部实际温度计算
Tm=TJ+ξ·Th
式中: Tj—混凝土浇筑温度; Th—混凝土最终绝热温升; ξ—温降系数查建筑施工手册, 若混凝土浇筑厚度3.4m。则:ξ3取0.704,ξ7取0.685,ξ14 取0.527,ξ21 取0.328。
本例中: Tm(3)=22.1+0.704×42.1=51.7℃;Tm (7)=22.1+0.685×42.1=50.9℃; Tm (14)=22.1+0.527×42.1=44.3℃; Tm(21)=22.1+0.328×42.1=35.9℃。
3.4 混凝土表面温度计算
Tb(τ)=Tq+4h’(H- h’) ΔT(τ)/H2式中: Tb(τ)—龄期τ时混凝土表面温度( ℃) ; Tq—龄期τ时的大气温度( ℃) ; H—混凝土结构的计算厚度(m) 。
按公式H=h+2h’计算, h—混凝土结构的实际厚度(m); h’—混凝土结构的虚厚度(m): h’=K·λ/βK—计算折减系统取0.666,λ—混凝土导热系数取2.33W/m·K。
β—模板及保温层传热系数(W/m2·K):
β值按公式β=1/( Σδi/λi+1/βg) 计算,δi—模板及各种保温材料厚度(m) ;λi—模板及各种保温材料的导热系数(W/m·K) ;βg—空气层传热系数可取23W/m2·K。
ΔT(τ)—龄期τ时,混凝土中心温度与外界气温之差(℃):
ΔT(τ)=Tm(τ)- Tq,
若保护层厚度取0.04m, 混凝土灌注高度为7m, 则:
β=1/(0.003/58+0.04/0.06+1/23)=1.41h’=K·λ/β=0.666×2.33/1.41=1.1H=h+2h’=7.0+2×1.1=9.2(m)若Tq 取20℃, 则:
ΔT(3)=51.7- 20=31.7℃
ΔT(7)=50.9- 20=30.9℃
ΔT(14)=44.3- 20=24.3℃
ΔT(21)=35.9- 20=15.9℃
则: Tb(3)=20+4×1.1(9.2- 1.1)×31.7/9.22=33.3℃
Tb (7)=20+4×1.1 ( 9.2- 1.1) ×30.9/9.22=33.0℃
Tb (14)=20+4×1.1 ( 9.2- 1.1) ×24.3/9.22=30.2℃
Tb (21)=20+4×1.1 ( 9.2- 1.1) ×15.9/9.22=26.7℃
3.5 混凝土内部与混凝土表面温差计算
ΔT(τ)s=Tm(τ)- Tb(τ)
本工程实例中:
ΔT(3)s=51.7- 33.3=18.4( ℃)
ΔT(7)s=50.9- 33.0=17.9( ℃)
ΔT(14)s=44.3- 30.2=14.1( ℃)
ΔT(21)s=35.9- 26.7=9.3( ℃)
若不掺加粉煤灰, 其它条件不变, 为保证混凝土强度相同, 则该配合比设计为:水: 水泥: 砂: 石子( 单位kg) =158: 351:707: 1204, 按上述步骤计算, 各龄期混凝土内表温差为: ΔT(3), s=22.1℃, ΔT(7), s=21.5℃,ΔT(14), s=16.0℃, ΔT(21), s=11.2℃。
4 大体积混凝土施工技术措施
由于温差的作用, 裂缝的产生是不可避免的。根据计算可以看出, 可以采用掺加粉煤灰等有效方法, 以降低混凝土硬化过程中混凝土内表的温差。因而, 在施工中采取适宜的措施, 能够避免有害裂缝的出现。
( 1) 降低水泥水化热。包括: 混凝土的热量主要来自水泥水化热, 因而选用低水化热的矿渣硅酸盐水泥配制混凝土较好;精心设计混凝土配合比, 采用掺加粉煤灰和减水剂的“双掺”技术, 减少每立方米混凝土中的水泥用量, 以达到降低水化热的目的; 选用适宜的骨料, 施工中根据现场条件尽量选用粒径较大, 级配良好的粗骨料;选用中粗砂, 改善混凝土的和易性, 并充分利用混凝土的后期强度, 减少用水量; 严格控制混凝土的塌落度。在现场设专人进行塌落度的测量, 将混凝土的塌落度始终控制在设计范围内, 一般以7～9cm 为最佳;夏季施工时, 在混凝土内部预埋冷却水管,通循环冷却水, 强制降低混凝土水化热温度。冬季施工时, 采用保温措施进行养护;如技术条件允许, 可在混凝土结构中掺加10%~15%的大石块, 减少混凝土的用量,以达到节省水泥和降低水化热的目的。
( 2) 降低混凝土入模温度。包括: 浇筑大体积混凝土时应选择较适宜的气温, 尽量避开炎热天气浇筑。夏季可采用温度较低的地下水搅拌混凝土, 或在混凝土拌和水中加入冰块, 同时对骨料进行遮阳、洒水降温, 在运输及浇筑过程中也采用遮阳保护、洒水降温等措施, 以降低混凝土拌和物的入模温度; 掺加相应的缓凝型减水剂; 在混凝土入模时, 还可以采取强制通风措施,加速模内热量的散发。
( 3) 加强施工中的温度控制。包括: 在混凝土浇筑之后, 做好混凝土的保温保湿养护, 以使混凝土缓缓降温, 充分发挥其徐变特性, 减低温度应力。夏季应坚决避免曝晒, 注意保湿; 冬季应采取措施保温覆盖,以免发生急剧的温度梯度变化; 采取长时间的养护, 确定合理的拆模时间, 以延缓降温速度, 延长降温时间, 充分发挥混凝土的“应力松弛效应”; 加强测温和温度监测。可采用热敏温度计监测或专人多点监测, 以随时掌握与控制混凝土内的温度变化。混凝土内外温差应控制在25℃以内, 基面温差和基底面温差均控制在20℃以内, 并及时调整保温及养护措施, 使混凝土的温度梯度和湿度不致过大, 以有效控制有害裂缝的出现; 合理安排施工程序, 混凝土在浇筑过程中应均匀上升, 避免混凝土堆积高差过大。在结构完成后及时回填土, 避免其侧面长期暴露。
( 4) 改善约束条件, 削减温度应力。在大体积混凝土基础与垫层之间可设置滑动层, 如技术条件许可, 施工时宜采用刷热沥青作为滑动层, 以消除嵌固作用, 释放约束应力。
( 5) 提高混凝土的抗拉强度。包括: 控制集料含泥量。砂、石含泥量过大, 不仅增加混凝土的收缩, 而且降低混凝土的抗拉强度, 对混凝土的抗裂十分不利。因此在混凝土拌制时必须严格控制砂、石的含泥量,将石子含泥量控制在1%以下, 中砂含泥量控制在2%以下, 减少因砂、石含泥量过大对混凝土抗裂的不利影响; 改善混凝土施工工艺。可采用二次投料法、二次振捣法、浇筑后及时排除表面积水和最上层泥浆等方法; 加强早期养护, 提高混凝土早期及相应龄期的抗拉强度和弹性模量; 在大体积混凝土基础表面及内部设置必要的温度配筋, 以改善应力分布, 防止裂缝的出现。
5 结语
在大体积混凝土施工时, 准确计算混凝土拌和温度、混凝土出机温度、混凝土绝热温升、混凝土内部实际温度、混凝土表面温度及混凝土内部与表面温差, 有利于选取适宜的施工工艺、采取相应的降温与养护措施, 从而避免出现混凝土温度裂缝, 以保证混凝土结构的工程质量。
