王金生
(甘肅省路橋建設集團有限公司,蘭州730000)
混凝土水化熱在水庫大壩、泵站、橋梁及大型設備基礎等大體積混凝土施工中較為常見。由于混凝土凝結、硬化過程中,水泥的水化反應,產生大量的水化熱,水化熱積聚在內部不易散發(fā),使內部溫度上升到50℃~70℃以上。內外溫差引起巨大的內應力和溫度變形,使混凝土產生裂縫、變形,甚至破壞,因此,水化熱對大體積混凝土工程是十分不利的[1]。
關于大體積混凝土,我國目前尚未有一個確切的定義。日本建筑學(JASS5)規(guī)定:“結構斷面最小厚度在80 cm以上,同時水化熱引起混凝土內部的最高溫度與外界氣溫差超過25℃的混凝土,稱為大體積混凝土?!泵绹炷翆W會(ACI)規(guī)定:“任何就地澆筑的大體積混凝土,其尺寸之大,必須要求采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題,以最大限度減少開裂?!?/p>
防治水化熱的危害,一直是工程技術人員研究的課題。大量文獻顯示,造成大體積混凝土裂縫、變形的因素與水泥的品種和用量、內外約束條件、外界氣溫變化、混凝土收縮變形及混凝土勻質性等有關。
防治水化熱危害最有效的方法是優(yōu)選原材料與控制配合比,可從以下幾方面著手:
1)選用水化熱低、水化速度較慢的水泥?;炷翜囟壬咧饕怯捎谒嗨^程中釋放大量熱量所致,在絕熱條件下混凝土的溫度上升速度為[1]
式中,θ為絕熱溫升;t為時間;W為水泥用量;q為單位質量水泥在單位時間內放出的水化熱;c為質量熱容;ρ為密度;Q為單位時間內單位體積中發(fā)出的熱量。
由式(1)可見,混凝土溫度的升高不僅與水泥用量有關,還與水泥品種有關。所以,在水泥用量相同的條件下,選用水化熱低、凝結時間長的水泥,能夠有效降低水化熱。普通硅酸鹽水泥水化熱較大,不宜采用;礦渣硅酸鹽水泥與火山灰水泥水化反應慢,水化熱低,后期強度高,大體積混凝土中廣泛采用[2]。
2)摻加粉煤灰。由式(1)可知,水泥用量大的混凝土產生的水化熱也大,特別對于高強度混凝土,相應單方水泥用量較多,水化熱引起的混凝土內部溫升較普通混凝土要大。所以,在不影響混凝土強度和坍落度等使用性能的前提下,在混凝土中摻入粉煤灰,來取代部分水泥,可達到降低水化熱的目的。文獻[3]中的試驗表明,摻入30% ~60%粉煤灰可使水泥7 d水化熱降低約10%~50%。
3)加入緩凝劑。為了減少水化熱,降低混凝土溫度,往往希望混凝土緩凝,即延長混凝土初凝時間。試驗表明,加入緩凝劑后,水泥的初凝時間可分別延長1~4 h不等,從而推遲混凝土放熱峰值出現的時間。由于混凝土的強度會隨齡期的增長而增大,所以等放熱峰值出現時,混凝土強度也增大了,從而減小溫度裂縫出現的機率。
大體積混凝土內部的溫度是一個隨時間和位置而變化的瞬態(tài)溫度場,它的初期變化近似于拋物線分布,隨齡期增加逐漸趨于平緩,最后與外界氣溫趨于平衡。影響其變化的因素較多也較復雜。實際的溫度控制中,一般考慮混凝土內部的溫度峰值與內外溫差變化情況?;炷羶炔康臏囟确逯抵饕芑炷劣昧霞芭浜媳?、散熱邊界條件、外部環(huán)境等影響,可以分為澆筑溫度、水泥水化熱溫升和混凝土散熱溫度三部分組成,相應的溫度控制方法也主要針對這幾個部分。
盡可能避免在高溫天氣下澆筑大體積混凝土,對水泥骨料采取預冷措施,混凝土的拌合、運輸、澆筑過程應盡量銜接緊密,以保持混凝土良好的和易性,澆筑完后及時做好養(yǎng)護工作。
在澆筑塊體厚度較大的情況下盡可能采用循環(huán)冷卻水降低內部溫度(見圖1),外面加強保溫措施,如用麻袋和塑料薄膜進行保溫和保濕。須控制混凝土中心與外表面最大溫差不高于25℃ ~30℃,以防止混凝土表面出現干縮裂縫。
圖1 承臺冷卻水管埋設示意(單位:m)
分層澆筑混凝土,層間混凝土的間隔時間應不大于混凝土的初凝時間,澆注上層混凝土前應對老混凝土表面進行清理并充分濕潤。
在加強混凝土體內降溫措施的同時,在邊界上采用適當的保溫措施,如在結構外露的混凝土表面以及模板外側覆蓋保溫材料(如草袋、鋸末、溫砂等),控制外部混凝土與內部混凝土之間的最大溫差不超過25 ℃ ~30 ℃[4],以防止出現裂紋。
根據工程的實際情況,盡量延緩拆模時間,這樣混凝土具有一定的強度,可以抵抗可能產生的溫度應力[5]。特別是當橋梁承臺在冬季施工時,為防止拆模后外界溫度陡降引起溫度應力,拆模后應立即回土覆蓋,控制內外溫差。
1)設置后澆縫,當大體積混凝土平面尺寸過大時,可以適當地設置后澆縫,以減少外約束力和溫度應力,同時也有利于散熱,降低混凝土的內部溫度。
2)通過結構設計驗算,在滿足功能、強度、耐久性的前提下,改變結構設計,增大混凝土的散熱面積和散熱通道,如圖2所示。
圖2 混凝土體內預留孔道示意
在混凝土中埋置導管(鋼管、夾布膠管、鋼絲網膠管及波紋管等),降低混凝土體內水化熱。
1)在混凝土中梅花形埋置φ50 mm的鋼管,待混凝土凝固具有一定強度后,拔出鋼管,用高強度等級細石混凝土將管孔灌實。注意,在混凝土開始硬化后,每隔1 h將鋼管轉動一周,否則,混凝土凝固后,鋼管將拔不出來。
2)在混凝土中埋置夾布膠管或鋼絲網膠管,管內充水或充氣,使管徑增大,待混凝土初凝后,放出水或空氣,抽出膠管,形成排氣通道?;炷劣不螅酶邚姸鹊燃壖毷炷凉鄬?。
3)將鋼波紋管埋置于混凝土內形成排氣孔道,排除體熱,待水化反應基本結束后,用高強度等級砂漿灌實,鋼波形管不需要拔出。
本文對大體積混凝土水化熱的防治方法及施工控制措施進行了分析,指出了預先控制水化熱危害的途徑,具有很強的可操作性與現實意義。大體積混凝土只要經過認真的施工組織設計、選擇合理的施工方法和合適的材料,就能有效地降低水化熱帶來的危害。上述三種方法和七種措施,在具體運用中,要注意實際操作的可行性,具體工程具體對待,既考慮工程質量,又要考慮工程經濟。
[1]吳葉瑩.大體積混凝土施工期溫度裂縫計算分析[J].鐵道建筑,2007(9):105-107.
[2]楊秋玲,馬可栓.大體積混凝土水化熱溫度場三維有限元分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報(自然科學版),2004,36(2):261-263.
[3]俞海勇,徐強.粉煤灰膠凝體系水化溫升及其抗裂性能的關系[J].混凝土,2000(11):21-23.
[4]蔡炎標,馮炳生.崖門大橋主墩承臺大體積混凝土水化熱試驗分析[J].國外橋梁,2001(3):66-68.
[5]齊有章.大體積混凝土結構裂縫控制探討[J].鐵道建筑,2006(3):97-98.