趙正玉

(馬鋼利民建安責(zé)任有限公司 安徽馬鞍山 243000)

大體積混凝土裂縫控制研究

趙正玉

(馬鋼利民建安責(zé)任有限公司 安徽馬鞍山 243000)

隨著建筑技術(shù)不斷的提高，幾乎所有的現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)都離不開大體積的混凝土構(gòu)件。如何使得這些構(gòu)件在固化時(shí)，不會(huì)因?yàn)獒尫潘療崃考皽囟茸兓鴮?dǎo)致這些建筑產(chǎn)生裂縫是土建科研工作者面臨的重要課題。溫度應(yīng)力理論為基礎(chǔ)，結(jié)合工程實(shí)例，并應(yīng)用Midas/Gen軟件對(duì)上述問題進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，掌握應(yīng)力峰值分布情況，對(duì)大體積混凝土裂縫控制研究有重要借鑒作用。

大體積混凝土；裂縫；應(yīng)力峰值；水化熱

在建筑工程中，大體積混凝土是指構(gòu)件厚度大于1m的混凝土結(jié)構(gòu)[1]或混凝土澆筑后，由于水泥水化熱引起結(jié)構(gòu)體內(nèi)外溫差大于25℃的建筑構(gòu)件。隨著建筑技術(shù)不斷的不斷進(jìn)步，由這種溫度差導(dǎo)致的建筑構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的狀況逐漸引起設(shè)計(jì)和施工人員的關(guān)注[2]。究其原因是多方面因素造成的，有施工的外部環(huán)境因素，氣候條件等因素，更主要的還是大體積混凝土構(gòu)件的內(nèi)部因素造成，如水泥的水化熱釋放導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)外溫度差異使得混凝土結(jié)構(gòu)收縮變形而出現(xiàn)裂縫。

施工初期，大型建筑構(gòu)件在硬化過程中，水泥水化的同時(shí)釋放出較多熱量，而混凝土與周圍環(huán)境的熱交換較慢，所以混凝土內(nèi)部的熱量不斷增加，使其內(nèi)部溫度不斷升高，混凝土的體積膨脹變大。經(jīng)過一段時(shí)間的水化熱量釋放，混凝土中的熱交換過程逐漸減弱，溫度較低。在一熱一冷的溫差變化影響下，混凝土構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生收縮而引起變形的發(fā)生。

1 工程實(shí)例

本工程為大型筏板基礎(chǔ)，厚度尺寸為1.5m-2 m不等，屬于大體積混凝土。整個(gè)一塊筏板基礎(chǔ)由若干條后澆帶分隔開來。取圖1中左上角一小塊筏板基礎(chǔ)作為研究對(duì)象，尺寸為長(zhǎng)度為30m，寬度為22 m，厚度為2 m，局部厚度為1.5m。

圖1 筏板基礎(chǔ)大體積混凝土測(cè)溫點(diǎn)位布置圖

2 大體積混凝土內(nèi)外溫度應(yīng)力的推算

2.1 關(guān)于溫度應(yīng)力及其產(chǎn)生的根源

2.1.1 溫度應(yīng)力的基本概念

正如自然界任何物質(zhì)都有熱脹冷縮的現(xiàn)象一樣，混凝土構(gòu)件遇到內(nèi)外部溫度升降的影響時(shí)也會(huì)發(fā)生變形。在若構(gòu)件兩端受到約束條件下，構(gòu)件可以自由伸縮。此時(shí)，由于溫度變化而導(dǎo)致的形變不會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。相反，在構(gòu)件兩端固定條件下，溫度升高時(shí)，混凝土構(gòu)件膨脹無法實(shí)現(xiàn)，則在其內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。同理，溫度降低時(shí)，混凝土構(gòu)件收縮也無法實(shí)現(xiàn)也會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種應(yīng)力在土建工程中稱為溫度應(yīng)力。

2.1.2 探究溫度應(yīng)力產(chǎn)生的根源

水泥作為現(xiàn)代所有大型建筑混凝土的最重要基本材料，在與水混合時(shí)會(huì)釋放出大量的熱量，這正是導(dǎo)致建筑構(gòu)件溫度發(fā)生變化的主要原因。相關(guān)文獻(xiàn)資料表明，水化放熱熱量大致為200kJ/kg-400kJ/kg，這些熱量足以使得隔熱狀態(tài)下的建筑構(gòu)件升溫30℃-40℃，若疊加上構(gòu)件本身的溫度，就會(huì)使得構(gòu)件內(nèi)部溫度升得更高。但是，這種水化熱釋放的周期較長(zhǎng)，一般要幾個(gè)月的時(shí)間，而且熱量釋放呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。當(dāng)建筑構(gòu)件規(guī)模較小時(shí)，其內(nèi)部的熱量比較容易傳導(dǎo)到空氣等介質(zhì)中去，所以這種水化熱造成的危害性就比較小[3]。

對(duì)于大型的混凝土構(gòu)件，由于混凝土自身的散熱能力較弱加上體積較大，熱傳導(dǎo)比較緩慢，集聚在構(gòu)件體內(nèi)的熱量一時(shí)難以完全釋放出來。在構(gòu)件完工的初始階段(一般10天左右)，構(gòu)件內(nèi)部溫度不斷升高導(dǎo)致其體積膨脹，隨著釋放熱量的減少，溫度升高變緩。大約過幾個(gè)月后，大型的混凝土構(gòu)件由于持續(xù)散熱而導(dǎo)致其內(nèi)部溫度下降，從而引起收縮。由于這些大型建筑構(gòu)件在溫度升降的過程中會(huì)受到地基等因素的制約，在其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力。

2.2 溫度應(yīng)力的測(cè)算方法

一般來說，混凝土構(gòu)件內(nèi)部熱量的釋放速度與構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和體積大小相關(guān)。體積越大、越厚，散熱的速度就越慢[4-6]。在建筑構(gòu)件的厚度大于5m的情況下，它的溫度升高幾乎接近于絕緣狀態(tài)下的升溫。

而本工程筏板基礎(chǔ)最厚處為2 m。則采用如下算法：

2.2.1 混凝土的中心溫度計(jì)算：

Tmax=Tj+Thξ

(2-1)

式中：

Tj—混凝土的澆筑溫度(℃)；

Th—混凝土最終絕熱溫升(℃)；

(2-2)

ξ—不同澆筑厚度的溫降系數(shù)；

Q—水泥水化熱(kJ/kg)；

mc—每立方米混凝土中水泥用量(kg/m3)；

c—混凝土比熱，c=0.96kJ/h·K；

ρ—混凝土重度，ρ=2400kg/m3。

2.2.2混凝土的表面溫度計(jì)算

H=h+2h′

(2-3)

式中：

（b）You should look up the words the meanings of which are unclear.

H—混凝土計(jì)算厚度(m)；

h—混凝土實(shí)際厚度；

(2-4)

K—折減系數(shù)，K=0.666；

λc—混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，取λc=2.33 kN/(m·k)；

β—保溫材料傳熱系數(shù)[W/(m2·k)]，

(2-5)

δi—第i種保溫層厚度(m)；

λi—第i種保溫導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·k)]；

βq—空氣傳熱系數(shù)，βq=23 W/(m·k)。

齡期τ時(shí)，計(jì)算厚度為x處時(shí)的混凝土溫度Tx(τ)之間的關(guān)系，從而推導(dǎo)出式：

(2-6)

其中：Tx(τ)，Tq，ΔT(τ)意義分別為：在齡期為τ時(shí)，待求的建筑構(gòu)件在厚度為x溫度(℃)，構(gòu)件所處的外部環(huán)境溫度(℃)和建筑構(gòu)件中心溫度與外環(huán)境的溫度差(℃)。

顯然，當(dāng)x=h′，即可求得混凝土的表面溫度，按下式計(jì)算，

(2-7)

式中：

Tb(τ)——齡期τ時(shí)，建筑構(gòu)件體表溫度(℃)。

2.2.3大型建筑構(gòu)件的溫度應(yīng)力計(jì)算公式

基于構(gòu)件的混凝土彈性模量、溫度、干縮形變、徐變等是隨混凝土齡期而變化的，所以，混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算只能采用增量法，把時(shí)間τ分成若干段Δτi，計(jì)算各段產(chǎn)生溫度應(yīng)力增量，然后疊加，如下式：

經(jīng)計(jì)算得：該工程混凝土應(yīng)力∑Δσ(τ)=0.5MPa

3 溫度應(yīng)力數(shù)值模擬

依據(jù)筏板基礎(chǔ)實(shí)際結(jié)構(gòu)情況，地基：48 m×34m×2.0m，筏板基礎(chǔ)：30m×22 m×2.0m。選取一工程實(shí)物模型為某大型商場(chǎng)的建筑筏板基礎(chǔ)，具體尺寸為：厚度2.0m，長(zhǎng)度48 m，寬度34m，混凝土的初始凝固時(shí)間為5h。選用材料標(biāo)準(zhǔn)為：普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度為C3，水泥初始凝固時(shí)間為5h。模擬分析計(jì)算結(jié)果如下：

3.1 溫度變化分析結(jié)果

圖2 應(yīng)力隨溫度變化圖

3.2 控制點(diǎn)的溫度應(yīng)力及溫度變化曲線

圖3 最高(低)溫度應(yīng)力及抗拉強(qiáng)度變化范圍曲線

圖4 溫度變化曲線圖

4 結(jié)論

通過對(duì)上述筏板基礎(chǔ)施工過程的數(shù)值模擬和理論分析，以及建筑構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力變化及溫度變化曲線，可以看出在水化反應(yīng)過程中應(yīng)力變化的規(guī)律：

在澆筑大型建筑混凝土構(gòu)件過程中，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，構(gòu)件內(nèi)部釋放大量熱量，導(dǎo)致在混凝土中心的溫度應(yīng)力逐漸增大。從上述結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，溫度應(yīng)力的最大值在第48 h出現(xiàn)，大約為3.50MPa。此時(shí)，構(gòu)件內(nèi)部的溫度值約66.73 ℃左右。

大型建筑構(gòu)件在釋放水化熱及自身內(nèi)部升溫的同時(shí)，由于存在較大溫度差的原因，使得混凝土構(gòu)件的地基溫度有一定的上升，影響地基深度大約為1.8 m?；炷镣獗砻鏈囟葹?7.54℃，混凝土外表面與外界大氣的溫差約為20.54℃。

溫度升至峰值溫度后，開始緩慢下降，但不同深度的混凝土溫度的上升和下降速度也不一樣，上表面層升降溫較快，中心降溫較慢?；炷羶?nèi)的水化熱釋放過程中，由于受到構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、厚度及外界的氣候、環(huán)境等因素的影響而產(chǎn)生一些波動(dòng)，但是溫度變化的趨勢(shì)是不會(huì)改變的。

混凝土內(nèi)部的溫度分布狀況是沿厚度方向的中間最高，向上向下逐漸降低，上表面層的溫度與保溫覆蓋和澆水養(yǎng)護(hù)有關(guān)，同時(shí)也影響表面層的溫度高低和升降溫的快慢。

[1] 林一,王凱,高榮雄.大體積混凝土裂縫控制研究[J].土木工程與管理學(xué)報(bào),2011.3

[2] 賴新亮,李濤.大體積混凝土裂縫控制研究[J].工程技術(shù),2007.18

[3] 鄭汗枝.對(duì)超長(zhǎng)、超寬地下室底板大體積混凝土裂縫控制研究[J].四川建材,2009.5

[4] 徐國(guó)強(qiáng).上海虹橋機(jī)場(chǎng)地鐵東站大體積混凝土裂縫控制研究[J].建筑施工,2009.8

[5] 方先梅.大體積混凝土裂縫的分析及防治[J].中國(guó)西部科技,2011.10

[6] 龔劍,李宏偉.大體積混凝土施工中的裂縫控制[J].施工技術(shù),2012.6

Study of Controling The Crack of The Mass Concrete

ZHAO Zheng-yu

with constant enhancement of construction technology, mass concrete structures are also increasingly used in modern construction； however, a lot of hydration heat will be released in the solidification process of mass concrete, resulting in a major temperature and shrinkage change. Therefore, cracking in mass concrete will occur and affect durability of the structures. This paper is based on the theory of temperature stress in mass concrete, illustrated with some engineering examples. By the application of SoftwareMidas/Gen, we have stimulated temperature stress and hydration heat of mass concrete and summed up the stress peak distribution of mass concrete, serving as a reference for cracking control study on mass concrete.

the mass concrete；crack； stress peak； heat of hydration

2014-05-18

趙正玉(1962—)，男，馬鋼利民建安責(zé)任有限公司，工程技術(shù)人員。

安徽省教育廳人文社科基金(SK2012B579)。

TU375.6

B

1672-9994(2014)03-0029-04