佛山市路橋建設有限公司 528000
摘要:通過總結(jié)承臺大體積砼施工過程中的經(jīng)驗及專家意見,闡述了工程中大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因、加冰技術對混凝土溫度的影響等問題的探討。
關鍵詞:大體積砼;溫度;裂縫;控制;加冰水
1、概述
佛山市龍灣大橋主橋承臺尺寸為44.6×17.6×5.5,總體積為4325.8m3,混凝土強度等級為C30,采用泵送施工,要求砼的坍落度為12-16cm??紤]承臺體積大,承臺內(nèi)部散熱不良引起升溫,容易出現(xiàn)結(jié)構性裂縫,經(jīng)專家討論分析,結(jié)合已有經(jīng)驗,應控制砼早期強度不能發(fā)展太快,入模溫度不超過32℃,相應出廠溫度不超過30℃,控制砼的內(nèi)外溫差在25℃以內(nèi)。
2、產(chǎn)生裂縫的原因
在大體積混凝土中,對溫度應力及溫度控制具有重要意義。在砼凝固初期,由于各種原因,砼常常出現(xiàn)溫度裂縫,影響結(jié)構的整體受力和耐久性。砼產(chǎn)生裂縫有多種原因,主要是溫度和濕度的變化、混凝土的脆性和不均勻性、設計結(jié)構的不合理、原材料不合格(如堿骨料反應)、模板變形、基礎不均勻沉降等。本文主要介紹、分析溫度變化引起的裂縫及處理措施。
砼硬化期間水泥放出大量水化熱,內(nèi)部溫度不斷上升,在砼表面引起拉應力,在后期降溫過程中,由于受到基礎或連接部位砼的約束,在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應力;氣溫降低也會在混凝土表面產(chǎn)生拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時在砼表面出現(xiàn)裂縫。砼的內(nèi)部濕度變化較慢,但表面濕度因砼養(yǎng)護不周、時干時濕等原因變化較大,表面干縮形變受到內(nèi)部砼的約束,也往往產(chǎn)生裂縫。砼是一種脆性材料,抗拉強度是抗壓強度的1/10左右,短期加荷時的極限拉伸變形只有(0.6~1.0)×104,長期加荷時的極限位伸變形也只有(1.2~2.0)×104。由于原材料不均勻,水灰比不穩(wěn)定,運輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象,在同一部位砼中其抗拉強度又是不均勻的,存在著許多抗拉能力較低,易出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋砼中,拉應力主要是由鋼筋承擔,砼只承受壓應力,在素砼內(nèi)或鋼筋砼邊緣部位,出現(xiàn)了拉應力則由混凝土自身承擔。在施工中砼由最高溫度冷卻到穩(wěn)定時期的常溫,往往在混凝土內(nèi)部引起較大的拉應力,有時溫度應力可超過其它外荷載所引起的應力,必須引起足夠的重視。
3、溫度應力的分析
溫度應力的形成分為三個階段:
3.1早期:自澆筑砼開始至水泥放熱基本結(jié)束,一般約30天。這個階段的兩個特征,一是水泥放出大量的水化熱,二是混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化,這一時期在混凝土內(nèi)形成殘余應力。
3.2中期:水泥水化熱結(jié)束時起至混凝土冷卻到常溫,溫度應力主要是由于砼的冷卻及外界氣溫變化所引起,這應力與早期形成的殘余應力相疊加,在此期間混凝上的彈性模量變化不大。
3.3晚期:混凝土完全冷卻后的穩(wěn)定期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起,這些應力與前兩種的殘余應力相疊加。
根據(jù)溫度引起的應力可分為兩類:
(1)自身應力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構,由于內(nèi)部溫度是非線性分布的,結(jié)構本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應力。例如,橋梁墩身結(jié)構尺寸相對較大,砼冷卻時表面溫度低,內(nèi)部溫度高,在砼表面出現(xiàn)拉應力,在中間出現(xiàn)壓應力。
(2)約束應力:結(jié)構的全部或部分邊界受到外界的約束,不能自由變形而引起的應力,如箱梁頂板鋼筋砼和護欄鋼筋砼。
這兩種溫度應力往往和砼的干縮所引起的應力共同作用。
4、溫度的控制和防止裂縫的措施
為了防止裂縫,減輕溫度應力,可以從控制溫度和改善約束條件這兩個方面控制。本文主要介紹溫度控制,重點介紹加冰技術的應用??刂茰囟鹊拇胧┤缦拢?/p>
4.1采用改善骨料級配、降低水灰比、摻加混合料、摻加外加劑等方法減少水泥用量。本承臺采用添加粉煤灰、外加劑的方法減少水泥用量。其配合比及試驗結(jié)果見表1、表2。
表1
設計材料用量(Kg/m3)
CFSGWOCSP-2SL(mm)
420100608103415812.50160
表2
和易性凝結(jié)時間(h)抗壓強度結(jié)果(Mpa)
良好初凝終凝1d3d5d7d14d28d
微粘13:2715:5714.317.821.925.628.734.5
4.2混凝土用料及拌和站采用遮陰防曬、砂石料灑水降溫、拌合砼時在拌和水中加冰水作為拌和水的一部分(具體在4.3中介紹)。經(jīng)過這些措施,較好地降低了砼出廠溫度。計算方法如下:
砼出機溫度計算:
T0=∑TiGiCi-80ηGc+Q/∑GiCi (1)
式中:
T0 —砼出機溫度,℃;
Ti-第i種材料的平均進料溫度,℃;
Gi-第i種材料的重量,Kg,見表3;
Ci-第i種材料的比熱,kcal/Kg.℃,見表3;
Gc-每m3砼加冰水,Kg;
η-冰的冷量利用率,一般取0.9;
80-冰的融化潛熱,kcal/Kg;
Q-每m3砼拌制過程中的附加熱(包括機械熱和環(huán)境交換熱),Kcal/ m3;
表3
材料水泥粉煤灰砂5-10石10-25石外加劑水冰
比熱kcal/kg.℃0.1840.1840.2290.2290.229110.5
最低溫度7035181717185-3
最高溫度90503331313131-3
由式(1)可以看出影響砼出機溫度的主要材料除加冰量G外,還與各種材料的用量、比熱有關。
關于Q值的確定,其包含了攪拌機械和環(huán)境交換熱,由于攪拌機非絕熱環(huán)境,必然有熱交換,所以孤立的攪拌機械熱和環(huán)境交換熱定量測定是困難的,通過綜合考慮附加熱則可將進、出物料溫度代入(1)式求出。試驗表明,Q值隨環(huán)境溫度影響較大。表4列出了8、9、10月份對Q值的抽測結(jié)果。
承臺在8~10月份施工,佛山地區(qū)正處于高溫天氣,大部分時間氣溫高達35℃以上(見表4),砂、石的含水率分別取5%和1.5%,Q取2000kcal/ m3代入(1)式得需加碎冰75.51Kg/ m3。根據(jù)經(jīng)驗,加冰量一般不宜大于60 Kg/ m3,否則由于攪拌用水量太少,砼出機坍落度將難以保證,如采用添加碎冰的方法,必須采用粒徑小碎冰和延長攪拌時間,使冰全部攪拌變?yōu)樗?,這將影響生產(chǎn)速度,無法滿足泵送施工的需要;另一方面,加冰量太大,碎冰的制備、存儲、添加及計量都增加許多設備,增加施工成本。
根據(jù)理論計算及實際經(jīng)驗,如果較好的控制原材料的溫度,則只需使用冰水系統(tǒng)就可以達到控制砼溫度的目的。如材料的平均進料溫度,水泥90℃,粉煤灰40℃,砂、石、外加劑20℃,砂、石含水率分別取5%和1.5%,