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        大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場與溫度應(yīng)力計算研究

        2015-12-20 12:06:51盧清洲
        商品混凝土 2015年9期
        關(guān)鍵詞:文昌濰坊市濰坊

        盧清洲

        (1.濰坊市市政工程股份有限公司,山東 濰坊 261031;2.青島理工大學(xué),山東 青島 266033)

        大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場與溫度應(yīng)力計算研究

        盧清洲1,2

        (1.濰坊市市政工程股份有限公司,山東 濰坊 261031;2.青島理工大學(xué),山東 青島 266033)

        本文通過一些大體積混凝土溫度計算的基本理論公式,對混凝土溫度裂縫的控制進(jìn)行了分析,并應(yīng)用到文昌橋工程2# 墩柱承臺大體積混凝土實踐工程中。分析了混凝土最大絕熱溫升、混凝土內(nèi)部最高溫度、混凝土表面溫度和混凝土內(nèi)表面最大溫差,并進(jìn)行了大體積混凝土溫度理論計算和控制溫度裂縫的計算分析研究。

        大體積混凝土;溫度應(yīng)力計算;溫度裂縫;控制

        0 前言

        近年來隨著我國經(jīng)濟的飛躍式發(fā)展,施工科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,我國工程設(shè)施建設(shè)一日千里,各種各樣的大體積混凝土結(jié)構(gòu)物如雨后春筍般涌現(xiàn)。與此同時,在施工過程中,由于大體積混凝土自身結(jié)構(gòu)尺寸較大,混凝土用量較多,造成混凝土內(nèi)部水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱且不易向外界散發(fā),引起混凝土內(nèi)部溫度的升高,與外界環(huán)境溫度產(chǎn)生溫差,導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度收縮應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。裂縫的產(chǎn)生將給結(jié)構(gòu)帶來一系列的不良影響,必須采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?,否則將影響結(jié)構(gòu)物的正常使用。因此,裂縫成因分析及控制研究一直以來是大體積混凝土結(jié)構(gòu)研究的重要課題,迄今為止人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作,也積累了很多寶貴的經(jīng)驗,但是理論研究仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于工程實踐,對大體積混凝土溫度和裂縫產(chǎn)生的規(guī)律性還缺乏系統(tǒng)的理論研究。通過合理的計算方法和施工措施,可以有效地控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)因水泥水化引起的絕熱溫升、澆筑溫度、降溫散熱條件、內(nèi)外溫差以及升降溫速度等,減少混凝土結(jié)構(gòu)裂縫尤其是早期裂縫,對保證混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有十分重要的意義。

        本文以濰坊市濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)文昌橋工程 2# 柱墩承臺2520m3混凝土澆筑為例進(jìn)行混凝土溫度及應(yīng)力計算。濰坊市濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)文昌橋工程是濰坊市實施加快濱海新城戰(zhàn)略建設(shè)的一項重要工程,是濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)跨越文昌景觀湖的一座大型混凝土單跨預(yù)制拱橋,屬濰坊市重點交通工程。橋梁全長 220m,橋?qū)?36m。文昌橋承臺為大體積鋼筋混凝土承臺,2# 柱墩承臺尺寸為 42m×10m×6m,總澆筑 C45 混凝土方量為 2520m3,共分兩層澆筑,分別于 2013 年 10 月 12日, 10 月 21 日澆筑完成。通過分析該項工程的專項施工方案以及結(jié)合以往大體積混凝土施工過程中最常出現(xiàn)的質(zhì)量問題,得出本承臺首要任務(wù)是控制混凝土表面裂縫,因此需要對 2# 墩柱承臺混凝土的內(nèi)外溫度隨時進(jìn)行計算和檢測,提出具體可行的施工保護措施。本次溫度及溫度應(yīng)力測試從 2013年 10 月 2 日開始安裝布置現(xiàn)場測試點,到 2013 年 11 月 26日順利完成,期間檢測工作主要委托濰坊新興建筑科學(xué)設(shè)計院承擔(dān)。

        1 混凝土最大絕熱溫升值的計算

        混凝土的最大絕熱溫升值是指在絕熱條件下,混凝土中水泥水化產(chǎn)生的熱量使混凝土內(nèi)部的溫度逐漸上升并最終達(dá)到的穩(wěn)定值,水泥用量不同,水泥品種不同,混凝土的絕熱溫升值也就不同。大體積混凝土在施工過程中出現(xiàn)的內(nèi)部最高溫度是混凝土溫控設(shè)計中的重要參數(shù),對大體積混凝土的早期防裂具有重要的指導(dǎo)意義?;炷恋淖畲蠼^熱溫升值可按計算公式(1)計算[1]:

        其中:

        Tk——1m3混凝土的最大絕熱溫升值,℃;

        mc——1m3混凝土中的水泥用量,kg;

        C——混凝土比熱容,一般為 0.92~1.00[kJ/(kg·℃)],這里取 0.97[kJ/(kg·℃)];

        ρ——混凝土的密度,一般為 2400~2500kg/m3,這里取2450kg/m3;

        Q——28d 齡期時的水泥水化熱,kJ/kg,見《建筑施工手冊》第 653 頁表 11-8[1]

        e——取 2.718;

        t——齡期,d;

        m——與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù),見《建筑施工手冊》第 653 頁表 11-9[1]。

        濰坊市濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)文昌橋工程 2# 柱墩承臺采用 C45混凝土,其原材料分別為:(1)水泥:濰坊山水水泥有限公司生產(chǎn)的礦渣硅酸鹽水泥 P·S·A32.5,每方用量為 336kg;(2)砂:產(chǎn)地濰坊安丘,平均細(xì)度模數(shù) 2.8,含泥量小于1%,每方用量 710kg;(3)石子:產(chǎn)地濰坊昌樂,粒徑為16~31.5mm 的連續(xù)級配石灰?guī)r,含泥量小于 1%,每方用量 1106kg;(4)礦粉:濰坊山水水泥有限公司生產(chǎn)的 S75礦粉,比表面積 327m2/kg,每方用量 50kg;(5)粉煤灰:濰坊電廠產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰,燒失量 6.1%,每方用量 50kg;(6)外加劑:濰坊大元混凝土外加劑廠生產(chǎn)的HSC聚羧酸高性能減水劑,摻量為每方 10.1kg。C45 混凝土配合比和試驗結(jié)果詳見表 1。

        表1 C45 混凝土配合比

        現(xiàn)場檢測澆筑溫度為 29.7℃,故 m 取 0.406,查閱《建筑施工手冊》第 653 頁表 11~8 得知 Q 取 335kJ/kg,根據(jù)以上已知條件,將數(shù)據(jù)代入公式(1):

        由以上計算可知,濰坊市濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)文昌橋工程 2#墩柱承臺 C45 混凝土配合比符合“混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于 50℃”的基本規(guī)定[2],此混凝土配合比為有效配合比。

        2 混凝土內(nèi)部溫度的計算

        現(xiàn)場施工時,混凝土并不是完全處于與外界環(huán)境絕熱的理想狀態(tài)中,一方面由于混凝土中水泥水化產(chǎn)生的水化熱使混凝土內(nèi)部溫度逐步升高;另一方面由于施工過程的開放性,混凝土自身的熱量又不斷地散發(fā)到周圍介質(zhì)中去。所以,在現(xiàn)實施工條件下,混凝土的內(nèi)部溫度實際上就是經(jīng)歷了溫度從低到高的升溫和由高到低的降溫過程的溫度不斷交替,進(jìn)行使內(nèi)外溫度逐漸趨于穩(wěn)定。

        因此,混凝土的內(nèi)部溫度可按照下式(2)近似計算[1]:

        式中:

        Tm(t)——齡期時混凝土的內(nèi)部實際溫度,℃;

        Tj——混凝土澆筑溫度,可取澆筑日期當(dāng)?shù)厝掌骄鶜鉁?,℃?/p>

        其中:

        Tj=22℃(施工時當(dāng)?shù)厝掌骄鶜鉁貫?22℃)

        Tk=47.2℃ 取值參考表 11-12 中齡期為 3d 且澆筑層厚度為 3.00m 時的數(shù)值 0.68,則混凝土的中心計算溫度為:

        從圖 1 中可以看出,混凝土澆筑層厚度與水化熱溫升階段時間長短成反比,當(dāng)澆筑層越厚時,水化熱溫升階段越長,最高溫度峰值出現(xiàn)越晚,持續(xù)時間長,降溫趨勢亦較晚,且降溫趨勢較慢;當(dāng)澆筑層越薄時,水化熱溫升階段越短,最高溫度峰值出現(xiàn)越早,降溫趨勢亦較早,且降溫速度較快[3]。此外,混凝土內(nèi)部的水化熱溫升還與外界環(huán)境溫度有較大關(guān)系。根據(jù)溫度傳遞原則,溫度只能從溫度較高的一端傳向溫度較低的一端,且溫差越大傳遞速度越快。所以,當(dāng)外界環(huán)境溫度越高時,混凝土內(nèi)部越不容易向周圍環(huán)境介質(zhì)散熱,水化熱溫升階段越短,最高溫度的峰值出現(xiàn)時間更早,并且持續(xù)了更長的時間[4]。

        圖1 不同齡期不同厚度混凝土的降溫系數(shù)

        3 混凝土表面溫度的計算

        混凝土的表面溫度一般是指混凝土表面以下 50~100mm處的溫度,表面溫度與混凝土的結(jié)構(gòu)厚度、外界環(huán)境溫度、混凝土自身特性以及養(yǎng)護方法等諸多原因息息相關(guān)??捎靡韵鹿酱蟾庞嬎鉡1]:

        式中:

        Tb(t)——t 齡期時混凝土的表面溫度,℃;

        Tq——t 齡期時大氣的環(huán)境溫度,可取施工日大氣的平均氣溫,℃;

        H——混凝土結(jié)構(gòu)計算厚度,m,當(dāng)混凝土雙面散熱時按公式(4)計算[1]:

        式中:

        h——混凝土結(jié)構(gòu)的實際厚度,m;

        h'——混凝土結(jié)構(gòu)的虛厚度,m。

        公式(3)中的混凝土結(jié)構(gòu)虛厚度可按公式(5)計算[1]:

        式中:

        k——折減系數(shù),根據(jù)試驗資料可取 2/3;

        λ——混凝土的導(dǎo)熱系數(shù),一般取 2.33[W/(m·K)];

        β——混凝土保溫層及表面模板的傳熱系數(shù)[W/(m2·K)]。 值可按公式(6)計算[1]:

        式中:

        i

        δ——模板及各種保溫材料的厚度(m);

        i

        λ——模板及各種保溫材料的熱導(dǎo)率[W/(m·K)]見《建筑施工手冊》第 672 頁表 11-19[1];

        q

        β——空氣層的傳熱系數(shù),可取 23[W/(m2·K)];

        其中:

        現(xiàn)場澆筑完成后,若混凝土結(jié)構(gòu)未采取任何保溫措施進(jìn)行保溫養(yǎng)生,混凝土表面僅有一層 0.02m 厚的木模板,將木模板的厚度及熱導(dǎo)率代入式(6)得:

        則:

        4 混凝土內(nèi)部與表面最大溫差的計算

        大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般在澆筑完成第 3~4 天時內(nèi)部與表面的溫差達(dá)到最大,即△T = Tm(3)-Tb(3)=57.1-26.0=31.1(℃)>25 ℃

        由以上計算可知,混凝土的內(nèi)外溫差為 31.1℃,超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的允許范圍(≤25℃)[2]。因此,濰坊市濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)文昌橋工程 2# 墩柱承臺大體積混凝土出現(xiàn)溫度裂縫的概率非常大,必須在施工過程中采取防止溫度裂縫產(chǎn)生的控制措施,具體控制措施本文不作詳細(xì)介紹。

        5 結(jié)論

        (1)濰坊市濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)文昌橋工程 2# 墩柱承臺C45 混凝土配合比為有效配合比,符合“混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于 50℃[2]”的基本規(guī)定,可用于實際工程施工。

        (2)混凝土澆筑層厚度與水化熱溫升階段時間長短成反比,當(dāng)澆筑層越厚時,水化熱溫升階段越長,最高溫度峰值出現(xiàn)越晚,持續(xù)時間長,降溫趨勢亦較晚,且降溫趨勢較慢;當(dāng)澆筑層越薄時,水化熱溫升階段越短,最高溫度峰值出現(xiàn)越早,降溫趨勢亦較早,且降溫速度較快。

        (3)濰坊市濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)文昌橋工程 2#墩柱承臺大體積混凝土的內(nèi)外溫差為 31.1℃,超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的允許范圍,出現(xiàn)溫度裂縫的概率非常大,在施工過程必須采取防止溫度裂縫產(chǎn)生的控制措施。

        [1] 建筑施工手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社,2003.

        [2] GB 50496-2009 大體積混凝土施工規(guī)范[M].北京:中國計劃出版社,2009.

        [3] 孫少軍.大體積混凝土施工的溫控措施[J].西部探礦工程, 2005(3):196.

        [4] 李精漢,陸家駒,蘇生.發(fā)電廠大體積混凝土施工與裂縫[J].電力建設(shè),1991(3):38-39.

        [通訊地址] 山東省濰坊市市政工程股份有限公司(261031)

        盧清洲,男,工程師。

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