大体积混凝土温度裂缝控制的工程应用研究

大体积混凝土温度裂缝控制的工程应用研究

武世地，张红亚

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230601)

摘要：通过实地监测了某医院直线加速器机房工程的大体积混凝土温度变化，简要分析了大体积混凝土温度应力裂缝的形成机理，阐述了控制混凝土内部温差的因素和具体实施措施，可有效的提高大体积混凝土结构的耐久性，并将控制方法应用到工程实例中。说明了控制措施的可行性和有效性，可为大体积混凝土施工中裂缝控制提供技术参考。

关键词：大体积混凝土；温度应力；温差；裂缝控制

收稿日期：2014-09-02

基金项目：安徽省教育厅自然科学基金重点项目(KJ2012A054)。

作者简介：武世地(1988-)，男，硕士研究生，研究方向：工程结构的现代施工技术。

中图分类号：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

随着我国国民经济的不断发展,土木工程技术水平的不断提高,大体积混凝土结构得到了广泛的应用,但大体积混凝土结构的温度控制措施和大模板支撑体系是施工的难题。与普通混凝土结构相比,大体积混凝土结构的特点是:结构宽、体积大、钢筋稠密、耐久性要求高、混凝土浇筑体内部水泥等水化热不易扩散开。大体积混凝土除了断面和内外温度有一定的规定外,对平面尺寸也有一定限制,致使工程施工条件难度大。在实际施工过程中,因为水泥水化热导致混凝土浇筑体内部温度变化较大,且缺乏成熟的温度监控和质量控制等有效措施,从而导致大体积混凝土工程施工中经常出现有害裂缝的质量事故(图1)。因此,如何有效的预防大体积混凝土在施工中出现有害裂缝是施工中的关键技术问题之一。所以在大体积混凝土工程施工过程中应加强施工部署、混凝土的配置和施工、混凝土的温度监测和质量控制、混凝土养护等各项工作。

1大体积混凝土结构温度裂缝产生的主要原因

对于大体积混凝土来说,由于水泥和水等在硬化初期水化时放热的作用,且大体积混凝土结构断面又比较大,水化热量聚在结构内部不易散失,混凝土内部处于急剧升温状态,水化热可导致内部温度达到40℃-60℃左右。外层混凝土因比内部混凝土温度低,相对产生了受冷收缩,这种收缩受到内部高温混凝土膨胀作用而导致产生温度裂缝。当约束力影响此收缩时,混凝土内部就产生拉应力(主温度应力),当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,那么混凝土内部就产生了裂缝。此外,混凝土的导热系数相对比较小。其内部的热量不易散失,而表面热量易与周边环境进行交换而减少,从而温度降低,就形成混凝土内外的温差。如果温差较大,温度应力也会随之变大,混凝土表里收缩不一致,也会使混凝土开裂。

2工程实例与分析

2.1工程概况

合肥市某医院直线加速器机房工程,单层,建筑面积164.4m2,长13.90m,宽12m, (图2)建筑物檐高7.60m(图4)。结构形式为全现浇剪力墙结构,筏板式基础。丙类建筑,耐火等级为一级,建筑结构安全等级为二级,地基基础设计等级为丙级,抗震设防分类为丙类,抗震设防烈度为7度。该工程混凝土强度等级:基础垫层C15,筏板基础C30,梁,板,墙:C30。该直线加速器机房的筏板厚度:600 mm,筏板基础顶标高-0.30m,墙板厚:800 mm,1200 mm, 1300mm,1500 mm,2500 mm(图3)。顶板厚:1200 mm,2500 mm,顶板顶标高6.50m。(图4)门洞上梁断面有:600 mm×4100 mm,1200 mm×2000 mm,1000 mm×3200 mm。由于国家住建部和质量监督检验检疫总局于2009年颁布GB50496-2009,《大体积混凝土施工规范》中,第2.1.1条规定:“大体积混凝土是指混凝土结构物实体最小尺寸不小于1m的大体量混凝土,或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土”[1]。该工程顶板和墙板均属于大体积混凝土,根据规范规定,必须采取相关措施,控制大体积混凝土中胶凝材料(水泥等)水化热引起的温度变化以及混凝土收缩而导致的有害裂缝的产生。

2.2现场监测方案

根据裂缝控制要求:(1) 结构设计中宜采用混凝土强度等级在C20-C40的中低强度的混凝土,尽量避免高强混凝土;科学的设置分布构造钢筋:即最好采用间距小和直径小的钢筋作为分布筋。(2) 混凝土的材料选择中应该选用低水化热水泥和连续级配的碎石粗骨料,细骨料宜选用中粗砂和严格限制含泥量等[2-3]。(3) 施工中混凝土采用分层循环浇筑,并且加强监测混凝土出机温度和浇筑入模温度[4],严格控制内外温差,具体施工中的相关控制措施:

2.2.1测温点的布置

(1) 该工程顶板近似正方形,因此,在平面上的温差测点布置为对角线及对称轴。

(2) 测温点根据典型截面方式并结合实际平面位置布置。

(3) 墙板的测温点距离约为5米;顶板测温点的距离约为8米。

(4) 由于该工程顶板和墙板混凝土最高温度大多出现在厚度中部位置,因此沿厚度方向上按厚度中部、混凝土表面(-0.05米处)两根测温线,感温头不得与钢筋接触(用绝热体把钢筋和感温头分隔开)。

(5) 为了避免施工中浇筑混凝土时振动棒破坏测温线和混凝土浇筑后其它物体砸断测温线而无法弥补,在混凝土浇筑前埋设PVC管如图6所示。

监测时间控制

混凝土浇筑后(初凝后开始测温):

第1天至第5天 每4-6h测温一次

第6天至第12天 每8h测温一次

第13天至第18天 每12h测温一次

第19天至第28天 每24h测温一次

2.2.2监测程序

(1) 检查测温线及北京市建筑工程研究所研制的JDC-2型便携式建筑电子测温仪(测温线的误差为±0.3℃,电子测温仪的测温误差为±0.5℃。)等相关设备(图5);

(2) 做好埋设测温线等相关工作,如图7所示;

(3) 在浇筑的过程中检查测温线的位置及情况,并且记录数据,进行监控。在22℃左右预设报警值,一旦达到报警值则及时增加蓄水覆盖保温层厚度等措施,保证内外温差不超过规范要求数值。

(4) 监测数据整理记录,如表1,表2。

表1　各点区峰值温度(℃)(墙板点位:1-6#,顶板点位:7-11#)

表2　各点区瞬时最大温差值(℃)(墙板点位:1-6#，顶板点位:7-11#)

2.3大体积混凝土温度应力的理论计算和验证

由于大体积混凝土结构产生的有害裂缝,主要是由于温差和收缩致使应力过大而导致的,并且不同龄期的混凝土的徐变、弹性模量、温度、干缩形变等因素是不断变化的,因此,混凝土外约束引起的温度(包括收缩)应力(二维时),其应力计算可以采用增量法[5],如式(1):

(1)

(1)式中:σmax为混凝土的最大应力;E(τ)为混凝土的弹性模量(N/mm2);α为混凝土的热膨胀系数(1/℃);ΔT混为凝土截面中心与表面之间的温差(℃),ν为混凝土材料泊松比。 经过计算,该工程混凝土温度应力∑Δσ(τ)=0.58 MPa

2.4工程的分析结果

(1) 混凝土浇筑体进入模板后开始慢慢的升温,每小时升0.2～0.6℃左右,历时1～3昼夜左右,达到最高温度。混凝土水化热的最高温度及出现时间,是随着混凝土内部位置的不同而有所变化。

(2) 浇筑体混凝土的温度先升后降,但在不同深度时,其温度的上升和下降的速度不一致,升降温较快的混凝土在上表面层,而中心部位混凝土降温较慢。在施工中降温也受到外界环境影响,但温度变化的总体趋势保持不变。

(3) 在混凝土内部,沿厚度方向的温度最高区域在中间部位,向上或向下都慢慢变小,上表面层的温度与施工中覆盖湿水养护等措施相关,并且混凝土外表面的温度大小和升降温速度的快慢也受到一定影响。

(4) 各点间的温度差值是直接影响混凝土质量的因素,混凝土内部与表面的最大温差不得超过25℃,混凝土外表面与外界环境温差最大不得超过20℃[10]。这是大体积混凝土产生温度裂缝的危险极限。根据实际监测数据整理后,本工程最大温差等符合规范要求,所以墙板和顶板混凝土从实际监测上混凝土外表面不会产生温度裂缝。

(5)根据实际监测结果,考虑利用混凝土的60天强度作为评定工程交工验收的依据。

3结束语

本文通过对实际工程大体积混凝土施工的温度监控措施,对大体积混凝土抗裂性能与施工技术进行了相关研究。为了消除内外温差等因素的影响,常用的控制开裂的措施有:(1)对于长度较大的大体积混凝土工程施工可以每隔规定的长度留设永久性变形缝,后浇带施工,跳仓法施工等[6]。(2)在混凝土中添加微膨胀剂UEA,使用补偿收缩混凝土。(3)降低混凝土水化热量,采用水化热较小的水泥,如矿渣水泥等,以改善混凝土的和易性,可泵性和粘聚性等性能[7-8]。(4)降温法: 如采用冷却水拌制混凝土等,从而降低混凝土的入模温度。(5)分块分层往返循环浇筑混凝土。(6)改进混凝土浇筑时的施工工艺。混凝土浇筑时,采用薄层浇筑(每层厚度在20cm～40cm为宜),并在前层混凝土初凝之前将次层混凝土浇筑完毕,宜采用二次振捣工艺,以提高混凝土密实度和抗拉强度,浇筑后及时清除上层积水,二次抹面,有效避免早期裂缝出现[9]。(7)保证混凝土表面保温和保湿。(8)温度监测过程中,适量增加测温点的布置,缩减测量时差,即时掌握混凝土温度变化情况,确保混凝土温度变化在允许的范围内,如果超出温度控制范围,马上采取必要措施。(9)在混凝土保护层中增设防裂钢筋网片,以抵抗混凝土的收缩和温度变化对现浇墙板内引起的约束应力[10-11]。(10)确保混凝土振捣密实,控制好振捣时间、移动距离和振动棒插入深度,避免漏振和过振[12]。(11)搭盖保温棚、表面蓄水、喷洒养护液或洒水等方式,加强对混凝土保温保湿[13]。(12)具体设计中适当加密墙板混凝土钢筋,且宜在混凝土变截面处采取合适的钢筋配置以加强构造措施等。

参考文献

1GB 50496-2009,大体积混凝土施工规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2009.

2GB 50164-2009,混凝土质量控制标准[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2009.

3GB 50204-2002,混凝土结构工程施工及验收规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2009.

4JGJ/T10-95,混凝土泵送施工技术规程[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2009.

5李斌，贾玉生等.大体积混凝土裂缝控制研究[J]. 合肥学院学报(自然科学版),2014,18(3):43-48.

6薛峰.超长结构裂缝控制及跳仓法施工原理概述[J]. 科协论坛报,2012,12(1):12-15.

7陈培忠.大体积混凝土裂缝控制方法浅析[J]. 价值工程报,2011,30(1):8-11.

8朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1999.

9迟培云等. 现代混凝土技术[M]. 上海:同济大学出版社，1999.

10吴中伟，廉慧珍. 高性能混凝土[M]. 北京:中国铁道出版社，1999.

11陈肇元等. 高强混凝土及其应用[M]. 北京:清华大学出版社，2001.

12冯乃谦. 实用混凝土大全[M]. 北京:科学技术出版社，2001.

13邢锋.混凝土结构耐久性设计与应用[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.