大體積混凝土溫度裂縫控制的工程應(yīng)用研究

武世地，張紅亞

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230601)

摘要：通過實地監(jiān)測了某醫(yī)院直線加速器機房工程的大體積混凝土溫度變化，簡要分析了大體積混凝土溫度應(yīng)力裂縫的形成機理，闡述了控制混凝土內(nèi)部溫差的因素和具體實施措施，可有效的提高大體積混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，并將控制方法應(yīng)用到工程實例中。說明了控制措施的可行性和有效性，可為大體積混凝土施工中裂縫控制提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；溫度應(yīng)力；溫差；裂縫控制

收稿日期：2014-09-02

基金項目：安徽省教育廳自然科學(xué)基金重點項目(KJ2012A054)。

作者簡介：武世地(1988-)，男，碩士研究生，研究方向：工程結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代施工技術(shù)。

中圖分類號：TU755

Research and Engineering Application of Temperature Crack

Control in Mass Concrete Structure

WU Shi-di，ZHANG Hong-ya

(School of Civil Engineering ,Anhui Jian Zhu University , Hefei Anhui ,230601)

Abstract:Through monitoring of the temperature of large volume concrete changes a hospital linear accelerator room engineering, analysis of the formation mechanism of temperature stress crack in mass concrete, describing the factors of temperature difference control within the concrete and specific implementation measures. These measures can improve the durability of mass concrete structure effectively and also can be applied to the engineering example. These control measures have been proved to be feasible and effective, which can provide technical reference for crack control of large volume concrete construction expansion.

Key words:mass concrete；temperature stress；temperature difference；crack control

0引言

隨著我國國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展,土木工程技術(shù)水平的不斷提高,大體積混凝土結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用,但大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度控制措施和大模板支撐體系是施工的難題。與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比,大體積混凝土結(jié)構(gòu)的特點是:結(jié)構(gòu)寬、體積大、鋼筋稠密、耐久性要求高、混凝土澆筑體內(nèi)部水泥等水化熱不易擴散開。大體積混凝土除了斷面和內(nèi)外溫度有一定的規(guī)定外,對平面尺寸也有一定限制,致使工程施工條件難度大。在實際施工過程中,因為水泥水化熱導(dǎo)致混凝土澆筑體內(nèi)部溫度變化較大,且缺乏成熟的溫度監(jiān)控和質(zhì)量控制等有效措施,從而導(dǎo)致大體積混凝土工程施工中經(jīng)常出現(xiàn)有害裂縫的質(zhì)量事故(圖1)。因此,如何有效的預(yù)防大體積混凝土在施工中出現(xiàn)有害裂縫是施工中的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。所以在大體積混凝土工程施工過程中應(yīng)加強施工部署、混凝土的配置和施工、混凝土的溫度監(jiān)測和質(zhì)量控制、混凝土養(yǎng)護等各項工作。

1大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫產(chǎn)生的主要原因

對于大體積混凝土來說,由于水泥和水等在硬化初期水化時放熱的作用,且大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面又比較大,水化熱量聚在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失,混凝土內(nèi)部處于急劇升溫狀態(tài),水化熱可導(dǎo)致內(nèi)部溫度達(dá)到40℃-60℃左右。外層混凝土因比內(nèi)部混凝土溫度低,相對產(chǎn)生了受冷收縮,這種收縮受到內(nèi)部高溫混凝土膨脹作用而導(dǎo)致產(chǎn)生溫度裂縫。當(dāng)約束力影響此收縮時,混凝土內(nèi)部就產(chǎn)生拉應(yīng)力(主溫度應(yīng)力),當(dāng)混凝土的抗拉強度不足以抵抗這種拉應(yīng)力時,那么混凝土內(nèi)部就產(chǎn)生了裂縫。此外,混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)相對比較小。其內(nèi)部的熱量不易散失,而表面熱量易與周邊環(huán)境進(jìn)行交換而減少,從而溫度降低,就形成混凝土內(nèi)外的溫差。如果溫差較大,溫度應(yīng)力也會隨之變大,混凝土表里收縮不一致,也會使混凝土開裂。

2工程實例與分析

2.1工程概況

合肥市某醫(yī)院直線加速器機房工程,單層,建筑面積164.4m2,長13.90m,寬12m, (圖2)建筑物檐高7.60m(圖4)。結(jié)構(gòu)形式為全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu),筏板式基礎(chǔ)。丙類建筑,耐火等級為一級,建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級,地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級,抗震設(shè)防分類為丙類,抗震設(shè)防烈度為7度。該工程混凝土強度等級:基礎(chǔ)墊層C15,筏板基礎(chǔ)C30,梁,板,墻:C30。該直線加速器機房的筏板厚度:600 mm,筏板基礎(chǔ)頂標(biāo)高-0.30m,墻板厚:800 mm,1200 mm, 1300mm,1500 mm,2500 mm(圖3)。頂板厚:1200 mm,2500 mm,頂板頂標(biāo)高6.50m。(圖4)門洞上梁斷面有:600 mm×4100 mm,1200 mm×2000 mm,1000 mm×3200 mm。由于國家住建部和質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局于2009年頒布GB50496-2009,《大體積混凝土施工規(guī)范》中,第2.1.1條規(guī)定:“大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸不小于1m的大體量混凝土,或預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土”[1]。該工程頂板和墻板均屬于大體積混凝土,根據(jù)規(guī)范規(guī)定,必須采取相關(guān)措施,控制大體積混凝土中膠凝材料(水泥等)水化熱引起的溫度變化以及混凝土收縮而導(dǎo)致的有害裂縫的產(chǎn)生。

2.2現(xiàn)場監(jiān)測方案

根據(jù)裂縫控制要求:(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計中宜采用混凝土強度等級在C20-C40的中低強度的混凝土,盡量避免高強混凝土;科學(xué)的設(shè)置分布構(gòu)造鋼筋:即最好采用間距小和直徑小的鋼筋作為分布筋。(2) 混凝土的材料選擇中應(yīng)該選用低水化熱水泥和連續(xù)級配的碎石粗骨料,細(xì)骨料宜選用中粗砂和嚴(yán)格限制含泥量等[2-3]。(3) 施工中混凝土采用分層循環(huán)澆筑,并且加強監(jiān)測混凝土出機溫度和澆筑入模溫度[4],嚴(yán)格控制內(nèi)外溫差,具體施工中的相關(guān)控制措施:

2.2.1測溫點的布置

(1) 該工程頂板近似正方形,因此,在平面上的溫差測點布置為對角線及對稱軸。

(2) 測溫點根據(jù)典型截面方式并結(jié)合實際平面位置布置。

(3) 墻板的測溫點距離約為5米;頂板測溫點的距離約為8米。

(4) 由于該工程頂板和墻板混凝土最高溫度大多出現(xiàn)在厚度中部位置,因此沿厚度方向上按厚度中部、混凝土表面(-0.05米處)兩根測溫線,感溫頭不得與鋼筋接觸(用絕熱體把鋼筋和感溫頭分隔開)。

(5) 為了避免施工中澆筑混凝土?xí)r振動棒破壞測溫線和混凝土澆筑后其它物體砸斷測溫線而無法彌補,在混凝土澆筑前埋設(shè)PVC管如圖6所示。

監(jiān)測時間控制

混凝土澆筑后(初凝后開始測溫):

第1天至第5天 每4-6h測溫一次

第6天至第12天 每8h測溫一次

第13天至第18天 每12h測溫一次

第19天至第28天 每24h測溫一次

2.2.2監(jiān)測程序

(1) 檢查測溫線及北京市建筑工程研究所研制的JDC-2型便攜式建筑電子測溫儀(測溫線的誤差為±0.3℃,電子測溫儀的測溫誤差為±0.5℃。)等相關(guān)設(shè)備(圖5);

(2) 做好埋設(shè)測溫線等相關(guān)工作,如圖7所示;

(3) 在澆筑的過程中檢查測溫線的位置及情況,并且記錄數(shù)據(jù),進(jìn)行監(jiān)控。在22℃左右預(yù)設(shè)報警值,一旦達(dá)到報警值則及時增加蓄水覆蓋保溫層厚度等措施,保證內(nèi)外溫差不超過規(guī)范要求數(shù)值。

(4) 監(jiān)測數(shù)據(jù)整理記錄,如表1,表2。

表1　各點區(qū)峰值溫度(℃)(墻板點位:1-6#,頂板點位:7-11#)

表2　各點區(qū)瞬時最大溫差值(℃)(墻板點位:1-6#，頂板點位:7-11#)

2.3大體積混凝土溫度應(yīng)力的理論計算和驗證

由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的有害裂縫,主要是由于溫差和收縮致使應(yīng)力過大而導(dǎo)致的,并且不同齡期的混凝土的徐變、彈性模量、溫度、干縮形變等因素是不斷變化的,因此,混凝土外約束引起的溫度(包括收縮)應(yīng)力(二維時),其應(yīng)力計算可以采用增量法[5],如式(1):

(1)

(1)式中:σmax為混凝土的最大應(yīng)力;E(τ)為混凝土的彈性模量(N/mm2);α為混凝土的熱膨脹系數(shù)(1/℃);ΔT混為凝土截面中心與表面之間的溫差(℃),ν為混凝土材料泊松比。 經(jīng)過計算,該工程混凝土溫度應(yīng)力∑Δσ(τ)=0.58 MPa

2.4工程的分析結(jié)果

(1) 混凝土澆筑體進(jìn)入模板后開始慢慢的升溫,每小時升0.2～0.6℃左右,歷時1～3晝夜左右,達(dá)到最高溫度?；炷了療岬淖罡邷囟燃俺霈F(xiàn)時間,是隨著混凝土內(nèi)部位置的不同而有所變化。

(2) 澆筑體混凝土的溫度先升后降,但在不同深度時,其溫度的上升和下降的速度不一致,升降溫較快的混凝土在上表面層,而中心部位混凝土降溫較慢。在施工中降溫也受到外界環(huán)境影響,但溫度變化的總體趨勢保持不變。

(3) 在混凝土內(nèi)部,沿厚度方向的溫度最高區(qū)域在中間部位,向上或向下都慢慢變小,上表面層的溫度與施工中覆蓋濕水養(yǎng)護等措施相關(guān),并且混凝土外表面的溫度大小和升降溫速度的快慢也受到一定影響。

(4) 各點間的溫度差值是直接影響混凝土質(zhì)量的因素,混凝土內(nèi)部與表面的最大溫差不得超過25℃,混凝土外表面與外界環(huán)境溫差最大不得超過20℃[10]。這是大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的危險極限。根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)整理后,本工程最大溫差等符合規(guī)范要求,所以墻板和頂板混凝土從實際監(jiān)測上混凝土外表面不會產(chǎn)生溫度裂縫。

(5)根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果,考慮利用混凝土的60天強度作為評定工程交工驗收的依據(jù)。

3結(jié)束語

本文通過對實際工程大體積混凝土施工的溫度監(jiān)控措施,對大體積混凝土抗裂性能與施工技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。為了消除內(nèi)外溫差等因素的影響,常用的控制開裂的措施有:(1)對于長度較大的大體積混凝土工程施工可以每隔規(guī)定的長度留設(shè)永久性變形縫,后澆帶施工,跳倉法施工等[6]。(2)在混凝土中添加微膨脹劑UEA,使用補償收縮混凝土。(3)降低混凝土水化熱量,采用水化熱較小的水泥,如礦渣水泥等,以改善混凝土的和易性,可泵性和粘聚性等性能[7-8]。(4)降溫法: 如采用冷卻水拌制混凝土等,從而降低混凝土的入模溫度。(5)分塊分層往返循環(huán)澆筑混凝土。(6)改進(jìn)混凝土澆筑時的施工工藝?；炷翝仓r,采用薄層澆筑(每層厚度在20cm～40cm為宜),并在前層混凝土初凝之前將次層混凝土澆筑完畢,宜采用二次振搗工藝,以提高混凝土密實度和抗拉強度,澆筑后及時清除上層積水,二次抹面,有效避免早期裂縫出現(xiàn)[9]。(7)保證混凝土表面保溫和保濕。(8)溫度監(jiān)測過程中,適量增加測溫點的布置,縮減測量時差,即時掌握混凝土溫度變化情況,確保混凝土溫度變化在允許的范圍內(nèi),如果超出溫度控制范圍,馬上采取必要措施。(9)在混凝土保護層中增設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)片,以抵抗混凝土的收縮和溫度變化對現(xiàn)澆墻板內(nèi)引起的約束應(yīng)力[10-11]。(10)確保混凝土振搗密實,控制好振搗時間、移動距離和振動棒插入深度,避免漏振和過振[12]。(11)搭蓋保溫棚、表面蓄水、噴灑養(yǎng)護液或灑水等方式,加強對混凝土保溫保濕[13]。(12)具體設(shè)計中適當(dāng)加密墻板混凝土鋼筋,且宜在混凝土變截面處采取合適的鋼筋配置以加強構(gòu)造措施等。

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