摘要大體積混凝土施工時(shí), 由于水泥水化過程中釋放大量的水化熱, 使混凝土結(jié)構(gòu)的溫度梯度過大, 從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫。因此, 計(jì)算并控制混凝土硬化過程中的溫度, 進(jìn)而采取相應(yīng)的技術(shù)措施, 是保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的重要措施。
關(guān)鍵詞混凝土溫度裂縫控制措施
中圖分類號TU755 文獻(xiàn)標(biāo)識碼B
1 概述
大體積混凝土是指最小斷面尺寸大于1m 以上的混凝土結(jié)構(gòu)。與普通鋼筋混凝土相比, 具有結(jié)構(gòu)厚, 體形大、混凝土數(shù)量多、工程條件復(fù)雜和施工技術(shù)要求高的特點(diǎn)。
大體積混凝土在硬化期間, 一方面由于水泥水化過程中將釋放出大量的水化熱, 使結(jié)構(gòu)件具有“熱漲”的特性; 另一方面混凝土硬化時(shí)又具有“收縮”的特性, 兩者相互作用的結(jié)果將直接破壞混凝土結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。因而在混凝土硬化過程中,必須采用相應(yīng)的技術(shù)措施, 以控制混凝土硬化時(shí)的溫度, 保持混凝土內(nèi)部與外部的合理溫差, 使溫度應(yīng)力可控, 避免混凝土出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。
2 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因
大體積混凝土墩臺身或基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生是由多種因素引起的。各類裂縫產(chǎn)生的主要影響因素如下:
( 1) 收縮裂縫?；炷恋氖湛s引起收縮裂縫。收縮的主要影響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, 混凝土的收縮就越大。選用的水泥品種不同, 其干縮、收縮的量也不同。
( 2) 溫差裂縫?；炷羶?nèi)外部溫差過大會產(chǎn)生裂縫。主要影響因素是水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)部和混凝土表面的溫差過大。特別是大體積混凝土更易發(fā)生此類裂縫。
大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般要求一次性整體澆筑。澆筑后, 水泥因水化引起水化熱,由于混凝土體積大, 聚集在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā), 混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高, 而其表面則散熱較快, 形成了較大的溫度差, 使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力, 表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。此時(shí), 混凝齡期短, 抗拉強(qiáng)度很低。當(dāng)溫差產(chǎn)生的表面抗拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度, 則會在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。
( 3) 材料裂縫。材料裂縫表現(xiàn)為龜裂,主要是因水泥安定性不合格或骨料中含泥量過多而引起的。
3 大體積混凝土裂縫控制的理論計(jì)算
工程實(shí)例: 武漢市中環(huán)線南段××標(biāo)段××號橋墩直徑為1.2m, 混凝土及其原材料各種原始數(shù)據(jù)及參數(shù)為:
一是C30 混凝土采用P.S32.5 礦渣硅酸鹽水泥, 其配合比為: 水: 水泥: 砂: 石子:粉煤灰( 單位kg) =158: 298: 707: 1204: 68( 每立方米混凝土質(zhì)量比) , 砂、石含水率分別為3%、0%, 混凝土容重為2 440kg/m3。
二是各種材料的溫度及環(huán)境氣溫: 水18℃, 砂、石子23℃, 水泥25℃, 粉煤灰25℃, 環(huán)境氣溫20℃。
3.1 混凝土溫度計(jì)算
( 1) 混凝土拌和溫度計(jì)算: 公式T0=ΣTimiCi/ΣmiCi 可轉(zhuǎn)換為: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 為混凝土拌和溫度; mw、mc、ms、mg、mf—水、水泥、砂、石子、粉煤灰單位用量( kg) ; Tw、Tc、Ts、Tg、Tf—水、水泥、砂、石子、煤灰的溫度( ℃) ; Ps、Pg—砂、石含水率(%) ; C1、C2—水的比熱容(KJ/Kg·K) 及溶解熱(KJ/Kg) 。
當(dāng)骨料溫度>0℃時(shí), C1=4.2, C2=0; 反之C1=2.1, C2=335。
本實(shí)例中的混凝土拌和溫度為: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) 混凝土出機(jī)溫度計(jì)算: 按公式T1=T0- 0.16( T0- Ti)式中: T1—混凝土出機(jī)溫度( ℃) ; T0—混凝土拌和溫度( ℃) ; Ti—混凝土攪拌棚內(nèi)溫度( ℃) 。
本例中, T1=21.02- 0.16×( 21.02- 25) =21.7℃。
( 3) 混凝土澆筑溫度計(jì)算: 按公式TJ=T1- ( α·τn+0.032n)·( T1- TQ)
式中: TJ—混凝土澆筑溫度( ℃) ; T1—混凝土出機(jī)溫度( ℃) ; TQ—混凝土運(yùn)送、澆筑時(shí)環(huán)境氣溫( ℃) ;τn—混凝土自開始運(yùn)輸至澆筑完成時(shí)間( h) ; n—混凝土運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)。
α—溫度損失系數(shù)( /h)本例中, 若τn取1/3, n 取1, α取0.25,則:
TJ=21.7- ( 0.25×1/3+0.032×1) ×( 21.7-25) =22.1℃( 低于30℃)
3.2 混凝土的絕熱溫升計(jì)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—每公斤水泥的累積最終熱量(KJ/kg) ; C—混凝土的比熱容取0.97(KJ/kg·k) ; ρ—混凝土的質(zhì)量密度( kg/m3)
Th=( 298×334) /( 0.97×2440) =42.1℃3.3 混凝土內(nèi)部實(shí)際溫度計(jì)算
Tm=TJ+ξ·Th
式中: Tj—混凝土澆筑溫度; Th—混凝土最終絕熱溫升; ξ—溫降系數(shù)查建筑施工手冊, 若混凝土澆筑厚度3.4m。則: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 混凝土表面溫度計(jì)算
Tb(τ)=Tq+4h’(H- h’) ΔT(τ)/H2式中: Tb(τ)—齡期τ時(shí)混凝土表面溫度( ℃) ; Tq—齡期τ時(shí)的大氣溫度( ℃) ; H—混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算厚度(m) 。
按公式H=h+2h’計(jì)算, h—混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際厚度(m); h’—混凝土結(jié)構(gòu)的虛厚度(m): h’=K·λ/βK—計(jì)算折減系統(tǒng)取0.666,λ—混凝土導(dǎo)熱系數(shù)取2.33W/m·K。
β—模板及保溫層傳熱系數(shù)(W/m2·K):
β值按公式β=1/( Σδi/λi+1/βg) 計(jì)算,δi—模板及各種保溫材料厚度(m) ;λi—模板及各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m·K) ;βg—空氣層傳熱系數(shù)可取23W/m2·K。
ΔT(τ)—齡期τ時(shí),混凝土中心溫度與外界氣溫之差(℃):
ΔT(τ)=Tm(τ)- Tq,
若保護(hù)層厚度取0.04m, 混凝土灌注高度為7m, 則:
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℃, 則:
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℃
則: 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 混凝土內(nèi)部與混凝土表面溫差計(jì)算
ΔT(τ)s=Tm(τ)- Tb(τ)
本工程實(shí)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( ℃)
若不摻加粉煤灰, 其它條件不變, 為保證混凝土強(qiáng)度相同, 則該配合比設(shè)計(jì)為:水: 水泥: 砂: 石子( 單位kg) =158: 351:707: 1204, 按上述步驟計(jì)算, 各齡期混凝土內(nèi)表溫差為: ΔT(3), s=22.1℃, ΔT(7), s=21.5℃,ΔT(14), s=16.0℃, ΔT(21), s=11.2℃。
4 大體積混凝土施工技術(shù)措施
由于溫差的作用, 裂縫的產(chǎn)生是不可避免的。根據(jù)計(jì)算可以看出, 可以采用摻加粉煤灰等有效方法, 以降低混凝土硬化過程中混凝土內(nèi)表的溫差。因而, 在施工中采取適宜的措施, 能夠避免有害裂縫的出現(xiàn)。
( 1) 降低水泥水化熱。包括: 混凝土的熱量主要來自水泥水化熱, 因而選用低水化熱的礦渣硅酸鹽水泥配制混凝土較好;精心設(shè)計(jì)混凝土配合比, 采用摻加粉煤灰和減水劑的“雙摻”技術(shù), 減少每立方米混凝土中的水泥用量, 以達(dá)到降低水化熱的目的; 選用適宜的骨料, 施工中根據(jù)現(xiàn)場條件盡量選用粒徑較大, 級配良好的粗骨料;選用中粗砂, 改善混凝土的和易性, 并充分利用混凝土的后期強(qiáng)度, 減少用水量; 嚴(yán)格控制混凝土的塌落度。在現(xiàn)場設(shè)專人進(jìn)行塌落度的測量, 將混凝土的塌落度始終控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi), 一般以7～9cm 為最佳;夏季施工時(shí), 在混凝土內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管,通循環(huán)冷卻水, 強(qiáng)制降低混凝土水化熱溫度。冬季施工時(shí), 采用保溫措施進(jìn)行養(yǎng)護(hù);如技術(shù)條件允許, 可在混凝土結(jié)構(gòu)中摻加10%~15%的大石塊, 減少混凝土的用量,以達(dá)到節(jié)省水泥和降低水化熱的目的。
( 2) 降低混凝土入模溫度。包括: 澆筑大體積混凝土?xí)r應(yīng)選擇較適宜的氣溫, 盡量避開炎熱天氣澆筑。夏季可采用溫度較低的地下水?dāng)嚢杌炷? 或在混凝土拌和水中加入冰塊, 同時(shí)對骨料進(jìn)行遮陽、灑水降溫, 在運(yùn)輸及澆筑過程中也采用遮陽保護(hù)、灑水降溫等措施, 以降低混凝土拌和物的入模溫度; 摻加相應(yīng)的緩凝型減水劑; 在混凝土入模時(shí), 還可以采取強(qiáng)制通風(fēng)措施,加速模內(nèi)熱量的散發(fā)。
( 3) 加強(qiáng)施工中的溫度控制。包括: 在混凝土澆筑之后, 做好混凝土的保溫保濕養(yǎng)護(hù), 以使混凝土緩緩降溫, 充分發(fā)揮其徐變特性, 減低溫度應(yīng)力。夏季應(yīng)堅(jiān)決避免曝曬, 注意保濕; 冬季應(yīng)采取措施保溫覆蓋,以免發(fā)生急劇的溫度梯度變化; 采取長時(shí)間的養(yǎng)護(hù), 確定合理的拆模時(shí)間, 以延緩降溫速度, 延長降溫時(shí)間, 充分發(fā)揮混凝土的“應(yīng)力松弛效應(yīng)”; 加強(qiáng)測溫和溫度監(jiān)測?？刹捎脽崦魷囟扔?jì)監(jiān)測或?qū)Ｈ硕帱c(diǎn)監(jiān)測, 以隨時(shí)掌握與控制混凝土內(nèi)的溫度變化?；炷羶?nèi)外溫差應(yīng)控制在25℃以內(nèi), 基面溫差和基底面溫差均控制在20℃以內(nèi), 并及時(shí)調(diào)整保溫及養(yǎng)護(hù)措施, 使混凝土的溫度梯度和濕度不致過大, 以有效控制有害裂縫的出現(xiàn); 合理安排施工程序, 混凝土在澆筑過程中應(yīng)均勻上升, 避免混凝土堆積高差過大。在結(jié)構(gòu)完成后及時(shí)回填土, 避免其側(cè)面長期暴露。
( 4) 改善約束條件, 削減溫度應(yīng)力。在大體積混凝土基礎(chǔ)與墊層之間可設(shè)置滑動(dòng)層, 如技術(shù)條件許可, 施工時(shí)宜采用刷熱瀝青作為滑動(dòng)層, 以消除嵌固作用, 釋放約束應(yīng)力。
( 5) 提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。包括: 控制集料含泥量。砂、石含泥量過大, 不僅增加混凝土的收縮, 而且降低混凝土的抗拉強(qiáng)度, 對混凝土的抗裂十分不利。因此在混凝土拌制時(shí)必須嚴(yán)格控制砂、石的含泥量,將石子含泥量控制在1%以下, 中砂含泥量控制在2%以下, 減少因砂、石含泥量過大對混凝土抗裂的不利影響; 改善混凝土施工工藝。可采用二次投料法、二次振搗法、澆筑后及時(shí)排除表面積水和最上層泥漿等方法; 加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù), 提高混凝土早期及相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度和彈性模量; 在大體積混凝土基礎(chǔ)表面及內(nèi)部設(shè)置必要的溫度配筋, 以改善應(yīng)力分布, 防止裂縫的出現(xiàn)。
5 結(jié)語
在大體積混凝土施工時(shí), 準(zhǔn)確計(jì)算混凝土拌和溫度、混凝土出機(jī)溫度、混凝土絕熱溫升、混凝土內(nèi)部實(shí)際溫度、混凝土表面溫度及混凝土內(nèi)部與表面溫差, 有利于選取適宜的施工工藝、采取相應(yīng)的降溫與養(yǎng)護(hù)措施, 從而避免出現(xiàn)混凝土溫度裂縫, 以保證混凝土結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量。
