周學(xué)磊

(西安交通工程學(xué)院,西安 710000)

隨著高層、超高層建筑的不斷出現(xiàn),工程結(jié)構(gòu)形式越發(fā)復(fù)雜,這無疑加大了施工難度。而結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于基礎(chǔ)的強度穩(wěn)定,大型建筑由于體量大、自重大,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)向著大體積方向發(fā)展。大體積混凝土通常采用筏板基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)等形式,這些基礎(chǔ)形式體積較大,厚度較厚,施工時會在短時間內(nèi)產(chǎn)生較大的水化熱,造成混凝土內(nèi)外表面溫差過大,從而產(chǎn)生溫度裂縫,甚至是危害結(jié)構(gòu)安全的貫穿裂縫,這些裂縫不僅會帶來嚴(yán)重的外觀影響,還會極大縮短建筑使用壽命,如不加以控制,勢必會對結(jié)構(gòu)造成不可挽回的損失。

1 混凝土溫度裂縫的防控措施

1.1 優(yōu)化混凝土原材料

混凝土原材料的選擇是影響混凝土絕對溫升值的重要因素。混凝土由水泥、粗骨料、細(xì)骨料、水等攪拌而成,要選擇水化熱小的高強水泥,選擇礦渣、粉煤灰等來減少水泥用量。粗骨料占混凝土體積的70%～80%,如出現(xiàn)質(zhì)量問題會使混凝土產(chǎn)生較大的收縮溫度裂縫,為防止混凝土在凝固過程中產(chǎn)生溫度裂縫,需采用級配良好的石子,控制水灰比,控制粗骨料體積在75%左右為宜。

1.2 優(yōu)化澆搗及養(yǎng)護(hù)方法

在澆筑振搗混凝土?xí)r,應(yīng)根據(jù)周圍環(huán)境及溫度變化選取不同的振搗與養(yǎng)護(hù)方法,盡量采取分層澆筑、分層振搗的方式,層厚為250～350 mm,采取邊澆筑邊振搗的施工方法,避免因混凝土顆粒分布不均勻?qū)е聝?nèi)部開裂。對于混凝土養(yǎng)護(hù)方式,要根據(jù)氣候條件加以控制,施工時提前與氣象部門做好溝通,掌握天氣變化情況,如冬季施工可采取蒸汽養(yǎng)護(hù)的方式,澆筑盡量選取上午9點以后;夏季施工時則盡量采取薄膜養(yǎng)護(hù),及時灑水濕潤,避免外表面過于干燥造成干裂及起皮。

1.3 降低最高溫升

溫度裂縫的產(chǎn)生主要是因為混凝土在澆筑時未做好溫度控制,在高溫季節(jié)施工時,應(yīng)盡量將模板溫度控制在低于30 ℃,低溫施工時,模板溫度高于5 ℃。大體積混凝土溫度最高點在其中心,由于表面及周邊限制,澆筑后溫度不能及時擴(kuò)散,造成內(nèi)部溫度積累,引發(fā)結(jié)構(gòu)漲裂,可通過降級入模溫度來降低混凝土中心部分的最高溫度,從根本上解決混凝土中心與表面溫差過大的問題,避免溫度應(yīng)力的產(chǎn)生[1]。

混凝土表面溫度要根據(jù)中心溫度的大小加以控制,避免內(nèi)外溫差過大造成熱脹冷縮。如果混凝土表面長時間暴露在寒冷天氣中,會造成表面受凍,骨料脫落,混凝土因環(huán)境溫度突然下降而產(chǎn)生顯著的溫度應(yīng)力,因此混凝土澆筑完成后,應(yīng)及時對其進(jìn)行處理,在土壤表面覆蓋薄膜或草簾,達(dá)到保溫的目的。

2 混凝土溫度計算理論

2.1 溫度應(yīng)力類型

根據(jù)熱應(yīng)力產(chǎn)生的原因,大體積混凝土的熱應(yīng)力可分為自應(yīng)力與約束應(yīng)力兩種。自應(yīng)力是大體積混凝土結(jié)構(gòu)表面開裂的原因,在自應(yīng)力作用下,當(dāng)結(jié)構(gòu)中的溫度分布呈非線性時,混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要由各部分結(jié)構(gòu)的約束引起。如混凝土冷卻時內(nèi)部溫度較高,表面溫度較低,在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,在中心產(chǎn)生壓應(yīng)力。約束應(yīng)力是混凝土結(jié)構(gòu)中貫通裂縫與深裂縫形成的主要原因,當(dāng)新混凝土的外部邊界被完全或部分約束時,混凝土約束所引起的應(yīng)力將導(dǎo)致其溫度及體積變形。

2.2 混凝土溫度計算方法

2.2.1 拌和溫度計算

混凝土混合料溫度簡化計算的基本原理是:假設(shè)混凝土混合料的總熱量由其原材料提供,攪拌前后沒有熱量損失,根據(jù)等熱量原理[2]預(yù)測拌和溫度公式如下:

式中,Tc、Tw、Ts、Tg分別表示水泥、水、粗骨料、細(xì)骨料的拌和溫度(℃)。mc、ms、mg分別表示水泥、粗骨料、細(xì)骨料去水后凈重(kg)。mw、ws、wg分別表示水泥、粗骨料、細(xì)骨料中游離水含量(kg)。Cs、Cg、Cc、Cw分別表示水泥、水、粗骨料、細(xì)骨料的比熱容[kJ/(kg·K)]。

2.2.2 澆筑溫度計算

外界環(huán)境對澆注溫度有直接影響。熱損失通常與混凝土輸送方式及輸送時長有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗及實驗,混凝土澆筑溫度按以下公式計算:

Tp=T0+(Tα-T0)(θ1+θ2+θ3+…θn)

式中,θ1、θ2、θ3…θn按照規(guī)范取值溫度損失系數(shù);Tα為運輸、澆筑時混凝土室外溫度(℃);Tp為混凝土本身澆筑時的材料溫度(℃)。

2.2.3 水化熱絕熱溫升值的計算

大體積混凝土由于尺寸大、傳熱路徑長,混凝土中心積聚的熱量消散非常緩慢,水化熱在混凝土內(nèi)部緩慢積聚,導(dǎo)致混凝土中心溫度較高。在實際計算過程中,一般假定混凝土結(jié)構(gòu)沒有散熱損失,水泥水化過程中產(chǎn)生的水化熱在溫度升高后全部轉(zhuǎn)化為溫度值,不考慮散熱損失及外部傳熱[3],在這種情況下,水化熱的絕熱溫升公式可表示為:

混凝土絕熱溫升值計算:

最大水化熱溫升值:

式中,C為水泥用量;Q為每千克水泥發(fā)熱量(J/kg);c為凝土比熱容;ρ為混凝土密度;e為常數(shù),取2.718;m為與水泥品種、澆筑時溫度有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù),一般為0.2～0.4。

3 案例分析

3.1 工程概況

某北方工程包含29棟高層住宅樓、2棟商業(yè)樓,其中8#住宅樓配置為1#兩戶,6個連續(xù)單元。為確保建筑整體的穩(wěn)定性,結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式采用大筏板基礎(chǔ),基礎(chǔ)埋深為11 m,筏板基礎(chǔ)厚度為3.5 m,單棟基礎(chǔ)混凝土澆筑量預(yù)計為2150 m3,屬于標(biāo)準(zhǔn)的大體積混凝土基礎(chǔ)工程。為確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量,減少溫度裂縫的產(chǎn)生,從入模、澆筑、養(yǎng)護(hù)等全過程進(jìn)行混凝土溫升控制。

3.2 混凝土溫度及溫度應(yīng)力計算

3.2.1 配合比設(shè)計

根據(jù)試生產(chǎn),水泥采用水化熱小的礦渣水泥,粗骨料選擇5～8 mm的石子,細(xì)骨料選擇優(yōu)質(zhì)砂。為進(jìn)一步減少水化熱的產(chǎn)生,配合比設(shè)計摻加一定量的粉煤灰代替水泥,大體積混凝土凝結(jié)速度不易太快,故決定加入抗裂劑、緩凝劑及減水劑來減少水化熱,避免內(nèi)外溫差過大[4]。混凝土配合比如下:水170 kg,水泥300 kg,優(yōu)質(zhì)砂760 kg,粗骨料石子1070 kg,粉煤灰70 kg,抗裂劑31 kg,減水及緩凝劑共5.7 kg。

3.2.2 混凝土熱工計算

利用上述公式計算出混凝土澆筑前后的絕熱溫升及混凝土內(nèi)部中心溫度,結(jié)合基礎(chǔ)混凝土的物理參數(shù)性質(zhì),得到筏板基礎(chǔ)的混凝土熱工計算結(jié)果,如表1所示。

表1 混凝土熱工計算結(jié)果

續(xù)表1

為了簡化計算,將混凝土齡期分為三個階段。通過表1計算得出,混凝土內(nèi)外最大溫差為24.7 ℃,澆筑后第3 d,混凝土內(nèi)中心溫度達(dá)到最高值。從第9 d開始,混凝土內(nèi)外溫差值開始減少,第21 d時產(chǎn)生的抗烈度值為0.529<0.7,因此不會產(chǎn)生貫穿裂縫。

3.2.3 大體積混凝土溫度監(jiān)測

混凝土溫度監(jiān)測的目的是驗證溫度控制的有效性,從而改進(jìn)溫度控制措施。通過設(shè)置水冷管道,將基礎(chǔ)內(nèi)部的熱量排出,水冷管采用無縫鋼管,安裝過程中嚴(yán)格控制接頭質(zhì)量,防止水冷系統(tǒng)泄漏。設(shè)計流量為30 L/min的水冷系統(tǒng),分別設(shè)置各層冷卻管的進(jìn)出口[5]。水冷系統(tǒng)運行時間為10～12 d,在水冷過程中,管道流量、進(jìn)出水溫度、基礎(chǔ)內(nèi)混凝土溫度以每小時1～2次的頻率進(jìn)行測量及記錄,根據(jù)監(jiān)測及評價數(shù)據(jù)控制溫度,動態(tài)調(diào)整冷卻系統(tǒng)的水流量。圖1為冷卻水管及測溫點布置,共布置45個測溫點,按照表面、中部、底部區(qū)分為各15個測溫點,監(jiān)測周期預(yù)定為21 d,監(jiān)測頻率預(yù)定為1次/h。

圖1 冷卻水管及測溫點布置Fig.1 Cooling water pipe and temperature measuring point arrangement

根據(jù)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)得到加熱階段的溫度規(guī)律:對于下層、中層及上層,中層溫度較高,上層溫度較低。冷卻規(guī)律如下:上層和中層的平均冷卻速率基本相同,下層的冷卻速率較小。對中下層溫差分析表明,由于上層溫度容易受到外界環(huán)境的影響,中上層溫差波動較大,上層和下層之間的溫差控制在10 ℃以內(nèi),中間層之間的溫差控制在15 ℃以內(nèi)。通過混凝土內(nèi)部應(yīng)變響應(yīng)發(fā)現(xiàn),混凝土中沒有過大或跳躍應(yīng)變,表面沒有有害裂縫,表明基礎(chǔ)裂縫得到了很好的控制,溫度監(jiān)測取得了良好的效果。選取基礎(chǔ)中心、軸心點及大應(yīng)變區(qū)的溫度控制點,可以實時反映基礎(chǔ)混凝土的整體溫度狀態(tài)。

表2 主要測溫點的溫度變化情況

4 結(jié)論

對于普通混凝土結(jié)構(gòu),通過優(yōu)化施工措施,可以有效避免施工裂縫的產(chǎn)生。但大體積混凝土往往由于混凝土澆筑量大,溫度裂縫成為了影響結(jié)構(gòu)安全的重要因素。以某小區(qū)筏板大體積混凝土底板為研究對象,采取優(yōu)化混凝土原材料、振搗方法、冷卻水管溫度控制等措施,對工程表面無有害裂縫進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)工程溫度裂縫得到了很好的控制?；炷羶?nèi)外溫差從第9 d開始逐漸減小,第21 d的抗裂度值低于標(biāo)準(zhǔn)值,避免了滲透裂縫的發(fā)生。上下層溫差控制在10 ℃以內(nèi),中間層溫差控制在15 ℃以內(nèi),說明溫度裂縫得到很好的控制,可為類似工程提供參考。