| 大體積混凝土的溫度控制研究 |
| 日期：2017-2-16 14:23:12 來源：本站原創 瀏覽數： |
0 引言
大體積混凝土在現代工程建設中占有重要的地位。我國橋梁建設向大跨徑方向發展，跨越大江(河)、海峽(灣)的長大橋梁也相繼由中國建設，大跨徑橋梁的建設會伴隨著一系列的技術問題，其中基礎承臺是大體積混凝土，混凝土硬化會放出大量水化熱，混凝土溫度不斷升高。由于表面散熱較好，混凝土表面溫升較小，體積膨脹相對于內部也較小，內外膨脹差異使混凝土表面出現裂縫。當水化熱釋放完畢，溫度下降，混凝土體積收縮，在約束條件下形成溫度拉應力，就會出現內部裂縫，這些裂縫影響到結構的整體性和耐久性，直接影響整個工程建設的質量。本文對大體積混凝土的溫度場進行理論分析，為承臺大體積混凝土施工方案和溫控措施的制定提供理論依據。 1· 概述 1.1 大體積混凝土定義及特點 大體積混凝土是指一般為一次澆筑量大于1000m3 或混凝土結構實體最小尺寸等于或大于2m，且混凝土澆筑需研究溫度控制措施的混凝土。大體積混凝土結構具有以下重要特點： (1)混凝土是脆性材料，抗拉強度只有抗壓強度的1/20～1/10；拉伸變形能力很小，短期加載時的極限拉伸變形約相當于溫度降低6~l0℃的變形。 (2) 大體積混凝土結構斷面尺寸比較大，混凝土澆筑以后，由于水化熱的發生，內部溫度急劇上升。此時混凝土的彈性模量很小，徐變較大，升溫引起的壓應力并不大。但在日后溫度逐漸降低時，彈性模量比較大，徐變較小，在一定的約束條件下會產生相當大的拉應力。 (3)大體積混凝土通常是暴露在外面的，表面與空氣或水接觸，一年四季中氣溫和水溫的變化在大體積混凝土結構中會引起相當大的拉應力。 (4)大體積混凝土結構通常是不配鋼筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量的鋼筋，與結構的巨大斷面相比，含鋼率是極低的，一旦出現了拉應力，就要依靠混凝土本身來承受。基于以上的特點，在大體積混凝土結構的設計中，通常要求不出現拉應力(如重力壩的設計)或者只出現很小的拉應力。 1.2 溫度應力對大體積混凝土的重要意義 大體積混凝土除了最小斷面和內外溫度有一定的規定外，對平面尺寸也有一定限制。因為平面尺寸過大，約束作用所產生的溫度力也愈大，如采取控制溫度措施不當，溫度應力超過混凝土所能承受的拉力極限值時，則易產生裂縫。大體積混凝土的裂縫通常可以分為：①外部荷載作用下產生的剪切和扭轉裂縫；②干縮裂縫；③收縮裂縫；④溫度裂縫，裂縫的出現會降低混凝土結構的承載力、影響設計效果，對結構的安全性和耐久性也有較大影響。 隨著溫度問題的大量出現，人們越來越意識到因溫度開裂給工程帶來的嚴重影響。近年來國內外學者對溫度問題作了大量的實驗、理論和數值分析研究。1985 年舉行的第十五屆國際大壩會議將混凝土的裂縫問題列為會議的四大議題之一；1992 年在美國加利福尼亞州圣地亞哥市第三次碾壓混凝土會議上P•K•Barrett 等創造性地把Bazant 的SmearedCrack 開裂模型引入大壩溫度應力的分析中。大體積混凝土裂縫控制的一個重要方面是溫度控制，而膠凝材料水化放熱引起的混凝土內部溫度升高是產生裂縫的根本原因。因此，大體積混凝土內部溫度場和溫度控制的理論和試驗研究就顯得十分必要。 1.3 溫度作用是大體積混凝土的主要荷載之一 大體積混凝土通常承受兩種不同性質的荷載：包括水壓、泥沙壓、地震、滲壓、風浪、冰凌以及結構自重與設備重量等；另一類是混凝土本身的體積變化所引發的荷載，包括溫變、徐變、干濕變化、混凝土自生體積變形等所引發的荷載。對于前一類荷載，要保證結構不產生或只產生很小的拉應力并不困難。但在施工和運行期間，要把后一類荷載所產生的拉應力控制在允許范圍內則是一件很不容易的事情。正是由于后一類荷載(其中主要是溫變)的作用，在大體積混凝土結構中會由于產生過大的拉應力而出現裂縫。實踐證明溫度應力是不可忽略的因素，否則將帶來嚴重的不良后果。因此溫度應力場的分析對大體積混凝土的有著重要意義。溫度變化對大體積混凝土的影響主要有：引起結構內力的變化，導致混凝土裂縫；對結構的應力狀態引起應力重分布，不能按照設計時確定的應力狀態發展。溫度變化引起的應力甚至超過其它荷載應力，尤其是在結構溫度急劇變化時，將產生很大的拉應力，而混凝土為脆性材料，其抗拉強度非常低，常因溫度應力導致混凝土結構受拉力破壞。實際工程中，大量的大體積混凝土結構大橋橋墩、大體積混凝土壩、建筑物基礎等都受到裂縫問題的困擾。因此，如何實現對大體積混凝土結構溫度應力場的定量分析，對于工程溫度變形問題有著極其重要的意義。 2· 大體積混凝土的溫控措施 為了確保大體積混凝土施工質量，防止大體積水化熱溫度裂縫，從控制水化熱溫度，減少內外溫差，增強混凝土品質，提高施工質量等方面，采取相應的措施。 2.1 選擇合理的混凝土配合比 為使大體積混凝土具有良好的抗侵蝕性、體積穩定性和抗裂性能，混凝土配制應遵循如下原則： (1）選用低水化熱和含堿性量低的水泥，避免使用早強水泥和高C3A 含量的水泥； （2）降低單方混凝土中膠凝材料及硅酸鹽水泥的用量； （3）選用堅固耐久、級配合格、粒形良好的潔凈骨料； （4）盡量降低拌和水用量，使用性能優良的高效減水劑； （5）有抗滲要求的鋼筋混凝土應采用較大摻量礦物摻和料的低水膠比混凝土。單摻粉煤灰的摻量不宜小于25％，單摻磨細礦渣的摻量不宜小于50％，且宜使用粉煤灰加硅灰、粉煤灰加礦渣或兩種以上的礦物摻和料。 2.2 控制混凝土入模溫度 水泥根據施工安排提前一個月進倉降溫，杜絕使用剛出廠的水泥。如果施工期間正值夏季高溫季節，粗細骨料應避免日光暴曬，粗骨料拌和前用水沖涼，在混凝土拌和用水中摻入一定量的冰塊，把水溫降到10℃以內，同時在泵送過程中，水平輸送管上加蓋草包噴水。混凝土澆注安排在19∶00～5∶00 之間的日低溫時段，以利溫度控制。入模溫度控制在20℃左右，每2h 測量一次。 2.3 混凝土分層澆筑 如果主墩承臺厚度5m，為了減少每次混凝土澆筑方量，經設計、監理同意，主墩承臺豎向分兩層施工，每層混凝土厚度分別為2.5m，每次澆筑的時間間隔為7d，在底層混凝土溫度應力峰值過后才允許澆筑上層混凝土。 2.4 埋置水平冷卻管 在大體積混凝土施工中，目前國內外廣泛采用冷卻水管以控制溫度、減少溫度應力。起冷卻作用的不僅有冷卻水管，同時還有澆筑層面的散熱，由于數字處理上的困難，施工期間水管冷卻與澆筑層面散熱的聯合作用問題一直未能得到很好的解決。水管冷卻問題實質上是空間溫度場問題。冷卻水管大多采用直徑2.5cm 的鋼管或鋁管，在混凝土澆筑過程埋入混凝土內，水管通常設在澆筑層的水平施工縫上。 2.4.1 管徑及管內流量 通過有關文獻，冷卻水管管徑增加9 倍而冷卻速度增長不足1 倍，而管徑的增加使管材消耗很大，所以增加管徑來降低早期水化熱不可行。另外，因水管流量增加而獲得的冷卻效果是有限度的，最多不超過考慮水溫沿途增加的結果。所以增加管內流量來降低早期水化熱一般不可取。 2.4.2 管圈長度 管圈長度的增加將使管圈數量及供水流量減少，并可減少干管尺寸、水泵流量，但由于水管的摩擦損失增加，流速降低和冷卻水管沿途水溫的升高使冷卻效果稍有降低。因此，冷卻水管管圈長度不宜過長。 2.4.3 管距 管距是影響冷卻效果的最重要因素。當管距減少時，管材的耗量急劇增加。管距減少一倍，冷卻速度增加4 倍，同時冷卻單位混凝土索取所需的管材也增加4 倍。另外，在施工組織方面，水管間距和混凝土澆筑層高度互相影響。因此，水管間距的選擇應綜合考慮，各部位根據冷卻的要求不同采取不同的間距。 2.5 混凝土養護措施 為了防止混凝土內外溫差過大，對于混凝土表面，在終凝后1h 內即進行蓄水養護，蓄水深度在30cm 以上，水源采用循環水，即將冷卻管出來的溫水直接注入承臺表面。由于承臺基坑圍護是封閉結構，具有保溫作用。因此，一方面通過冷卻水管通水降低混凝土內部溫度，另一方面冷卻水管出來的溫水在承臺表面蓄水保溫，由兩方面共同達到降低內外溫差的目的，防止混凝土表面開裂。 2.6 施工控制 混凝土澆筑采用平面分層澆筑，每層厚度不超過0.5m，同時兩次振搗以加快混凝土熱量散發，使溫度分布均勻。混凝土澆筑完畢后將表面收平，初凝前二次收漿壓抹1～2 遍，以消除混凝土收縮引起的裂縫。 2.7 現場監測 混凝土溫度測控的目的是為了驗證溫度控制措施所取得的效果及施工過程中質量控制，對大體積混凝土的質量作出判斷。根據《公路橋涵施工技術規范》（JTJ041- 2000）的有關規定，大體積混凝土55℃；進水溫度與混凝土內部最高溫差不超過25℃。 測溫時可選用便攜式電子測溫儀。于大體積混凝土澆筑完畢后的第1~4d 隔2h 測溫一次，第5~7d 隔4h 測溫一次，同時認真做好測溫原始記錄和溫控記錄分析，調整水溫或流量，防止溫度裂縫的發生。 |
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