某承臺大體積混凝土施工裂縫控制技術研究

摘 要:大體積混凝土施工是現(xiàn)代大型土木工程中的特種技術,工程技術人員必須從理論上認清制約大體積施工質(zhì)量的基本原因。以工程實踐為例分析了大體積混凝土溫度應力形成機理,進行了大體積混凝土裂縫控制的施工詳細計算,提出了切實可行的裂縫控制施工技術措施,對類似工程有一定借鑒作用。

關鍵詞:承臺;大體積混凝土;溫度應力估算;裂縫控制技術

1　工程概況

某特大橋全長1 433 m,主橋為(130 + 230 + 130)m預應力混凝土連續(xù)剛構,單箱單室,下部結構為16根24m長Ф230 cm的群樁基礎,上接大體積分離式承臺。單幅承臺結構尺寸為18. 7m ×10. 2m ×5m,單幅承臺混凝土方量為953. 7 m3 ,一次澆注完成。
 

2　承臺混凝土溫度應力簡要分析

大體積混凝土在硬化期間,水泥水化后釋放大量的熱量,使混凝土中心區(qū)域溫度升高,而混凝土表面和邊界由于受氣溫影響溫度較低,從而在斷面上形成較大的溫差,使混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生壓應力,表面產(chǎn)生拉應力(稱為內(nèi)部約束應力) 。

當混凝土的水化熱發(fā)展到3～7 d達到溫度最高點,由于散熱逐漸產(chǎn)生降溫產(chǎn)生收縮,且由于水分的散失,使收縮加劇,這種收縮在受到基巖等約束后產(chǎn)生拉應力(稱為外部約束應力) [ 1 ] 。

由于所研究的承臺支撐在16根小直徑的群樁上,樁的橫向剛度不大,所以承臺受到的外約束并不大,所以只需考慮內(nèi)部約束應力[ 2 ] 。溫度應力在承臺混凝土內(nèi)的分布如圖1所示。溫度應力在承臺

綜上所述,在承臺大體積混凝土施工前,必須進行混凝土的溫度變化,應力變化的估算,以確定養(yǎng)護措施、分層厚度、澆筑溫度等施工措施,并以此來指導施工。

3　承臺大體積混凝土裂縫控制的施工計算

3. 1　相關施工資料

(1)配合比。水泥:粉煤灰∶砂子∶碎石∶水∶NNO2Ⅱ減水劑= 1∶0. 136∶1. 84∶3. 11∶0. 48∶

0．01。

(2)材料。水泥:騰輝F032. 5級水泥;碎石:連續(xù)級配碎石(5～31. 5 mm) ;混合中砂:機制砂40%;河細砂60%;粉煤灰: Ⅱ級粉煤灰;外加劑:NNO2Ⅱ型緩凝減水劑。

(3)氣象資料。相對濕度80%～82%;年平均氣溫17. 5～17. 6 ℃,最高氣溫40. 5 ℃,夏熱期(5～9月份)平均氣溫20 ℃。

(4)采用自動配料機送料,裝載機加料,拌和站集中拌和,混凝土泵輸送混凝土至模內(nèi)。

3. 2　混凝土最高水化熱溫度及不同齡期絕熱溫度計算

C = 369 kg/m3 ;粉煤灰32. 5水泥:水化熱Q7d = 257 J /kg, Q28d = 222 J /kg(騰輝水泥廠提供的數(shù)據(jù)) ;

c = 0. 96 J /kg·k; ρ = 2 400 kg/m3。

(1)混凝土最高水化熱絕熱溫升Tmax = CQ / cρ = (366 ×257) / (0. 96 ×2 400) = 40. 83 ℃。

(2) 3 d的絕熱溫升T(3) = Tmax (1 - e- 0. 3 t ) = 40. 83 ×(1 - e- 0. 3 ×3 ) = 24. 23 ℃,ΔT(3) = 24. 23 - 0 =24. 23 ℃。

(3) 7 d的絕熱溫升T(7) = 40. 83 ×(1 - e- 0. 3 ×7 ) = 35. 83 ℃,ΔT(7) = 35. 83 - 24. 23 = 11. 6 ℃。

(4) 15 d的絕熱溫升T( 15) = 40. 83 ×(1 - e- 0. 3 ×15 ) = 40. 38 ℃,ΔT(15) = 40. 38 - 35. 83 = 4. 55 ℃。

3. 3　混凝土各齡期收縮變形值計算

變形值計算公式為εy ( t) =ε0y (1 - e- 0. 01 t )M1M2 M10 。查表得: M1 = 1. 10,M2 = 1. 0,M3 = 1. 0,

M4 =1. 21,M5 = 1. 2,M6 = 1. 11 (1 d) , 1. 09 (3 d) , 1. 0 (7 d) , 0. 93 (15 d) ,M7 = 0. 7,M8 = 1. 4,M9 = 1. 0,M10 = 0. 895 。則有M1M2M3M4M5M7M8M9M10 = 1. 401 。

(1) 3 d收縮變形值εy (3) =ε0y (1 - e- 0. 03 ) ×1. 401 ×M6 = 3. 24 ×10- 4 ×(1 - e- 0. 03 ) ×1. 401 ×1. 09 =0. 146 ×10- 4 。

(2) 7 d收縮變形值εy (7) =ε0y (1 - e- 0. 07 ) ×1. 401 ×M6 = 3. 24 ×10- 4 ×(1 - e- 0. 07 ) ×1. 401 ×1. 0 =01307 ×10- 4 。

(4) 15 d收縮變形值εy (15) =ε0y (1 - e- 0. 15 ) ×1. 401 ×M6 = 3. 24 ×10- 4 ×(1 - e- 0. 15 ) ×1. 401 ×0193 =01588 ×10- 4 。

3. 4　混凝土收縮變形換算成當量溫差

(1) 3 d齡期T( y) (3) = -εy ( 3) / a = ( - 0. 146 ×10- 4 ) / (1. 0 ×10- 5 ) = - 1. 46 ℃。

(2) 7 d齡期T( y) (7) = ( - 0. 307 ×10- 4 ) / (1. 0 ×10- 5 ) = - 3. 07 ℃。

(3) 15 d齡期T( y) (15) = ( - 0. 588 ×10- 4 ) / (1. 0 ×10- 5 ) = - 5. 88 ℃。

3. 5　各齡期混凝土模量計算

計算公式為E( t) = Ec (1 - e- 0. 09 t ) 。

(1) 3 d齡期E( 3) = 3. 0 ×104 (1 - e- 0. 09 ×3 ) = 7. 1 ×103 N /mm2。

(2) 7 d齡期E( 7) = 3. 0 ×104 (1 - e- 0. 09 ×7 ) = 1. 40 ×104 N /mm2。

(3) 15 d齡期E(15) = 3. 0 ×104 (1 - e- 0. 09 ×15 ) = 2. 22 ×103 N /mm2。

3. 6　混凝土的溫度收縮應力計算

混凝土強度換算公式為f( n) = f(28) lg n / lg28 ,混凝土抗拉強度計算公式為ft = 0. 23f2 /3

cu 。對于C30混凝土, f( 28) = 15 N /mm2。3 d齡期f(3) = f(28) lg3 / lg28 = 15 ×lg3 / lg28 = 4. 95N /mm2 , ft = 0. 23f2 /3

( 3) = 0. 23 ×4. 952 /3 = 0. 668

N /mm2。7d齡期f(7) = f( 28) lg7 / lg28 = 15 ×lg7 / lg28 = 8. 76N /mm2 , ft = 0. 23f2 /3

( 7) = 0. 23 ×8. 762 /3 = 0.98N /mm2。

由于在七月份澆注承臺混凝土,氣溫較高,假設入模溫度To = 30 ℃, Th = 25 ℃。

(1) 3 d齡期H( t) = 0. 57, R = 0. 35, V = 0. 15。ΔT = T0 +23T( t) + Ty ( t) - Th = 30 +23×24. 23 +1146 - 25 = 22. 61 ℃, σ = - ( E( t) aΔTH( t) R ) / (1 - V ) = (7. 1 ×103 ×10 ×10- 6 ×22. 61 ×0. 57 ×0.35) / (1 – 0.15) = 0. 377 N /mm2 < (0. 668 /1. 15) = 0. 581 N /mm2。

(2) 7 d齡期H( t) = 0. 502, R = 0. 35, V = 0. 15。ΔT = 30 +23×35. 38 + 3. 07 - 25 = 31. 96 ℃,

σ = (1. 4 ×104 ×10 ×10- 6 ×31. 96 ×0. 502 ×0. 35) / (1 - 0. 15) = 0. 93N /mm2 < (0. 98 /1. 15) = 0. 852N /mm2。

抗裂安全系數(shù)K = 0. 98 /0. 93 = 1. 05 < 1. 15。

4　裂縫控制的施工技術措施

通過以上分析可知,承臺基礎在露天養(yǎng)護期間, 7 d齡期時,抗裂安全系數(shù)K值稍小于1. 15,此時混凝土有可能出現(xiàn)裂縫,因此,在設計配合比、混凝土施工過程及養(yǎng)護期間應采取一定措施,以減小混凝土表面與內(nèi)部溫差值,使得混凝土表面與混凝土內(nèi)部溫差小于25 ℃, σ/ (1. 15) < ft ,則可控制裂縫的不出現(xiàn)。采取如下措施:

(1)采用雙摻技術。摻入粉煤灰和NNO2II型緩凝減水劑,粉煤灰摻入采用超量代換法,減水劑的緩凝時間15 h (通過實驗室測定結果表明) ,延緩混凝土的初凝時間,延緩混凝土水化熱峰值的出現(xiàn)。(2)通過技術性能比較,石灰?guī)r碎石的線膨脹系數(shù)較小,彈模低,極限拉伸值大,據(jù)相關資料表明,在相同溫差下,溫度應力可減小50% ,能提高混凝土的抗拉強度,因此,選用石灰?guī)r碎石作為粗骨料;控制骨料(砂、石)的含泥量,以減小混凝土的收縮,提高極限拉伸[ 3 ] 。

(3)嚴格控制混凝土的入模溫度在30 ℃左右。選擇在傍晚開始澆注承臺混凝土,對粗骨料進行噴水和護蓋;施工現(xiàn)場設置遮陽設施,搭設彩條布棚,避免陽光直曬;在水箱中加入冰塊,降低拌和水的溫度;在基坑內(nèi)設一大功率的鼓風機進行通風散熱。

(4)埋設6層冷卻管,每層冷卻管配一潛水泵,在第一批開始混凝土初凝時由專人負責往冷卻管內(nèi)注入涼水降溫,冷卻水流速應大于15 L /min,冷卻水采用嘉陵江水,持續(xù)養(yǎng)生7 d。通過冷卻排水,帶走混凝土體內(nèi)的熱量,許多工程實踐表明,此方法可使大體積混凝土體內(nèi)的溫度降低3～4 ℃[ 4 ] 。

(5)澆注混凝土時,采用薄層澆注,控制混凝土在澆注過程中均勻上升,避免混凝土拌和物堆積過大高差,混凝土的分層厚度控制在20～30 cm。

(6)設10臺插入式振搗器,加強振搗,以期獲得密實的混凝土,提高密實度和抗拉強度,澆注后,及時排除表面積水,進行二次抹面,防止早期收縮裂縫的出現(xiàn)。

(7)混凝土澆注后,搭設遮陽布棚,避免陽光曝曬承臺表面。

(8)混凝土澆注后,混凝土表面用土工布覆蓋保溫,并灑水養(yǎng)生,使混凝土緩慢降溫、緩慢干燥,減少混凝土內(nèi)外溫差。

(9)混凝土澆注后,每2 h量測冷卻管出口的水溫和混凝土表面溫度,若溫差大于20 ℃時,及時調(diào)整養(yǎng)護措施,如加快冷卻水的流通速度等措施,以控制溫差小于20 ℃。

5　溫度監(jiān)測

承臺混凝土入模溫度為30～34 ℃, 1. 5 d后中心溫度最高達50 ℃,溫升達20 ℃, 3 d后中心溫度達57～60 ℃,溫升27～30 ℃,經(jīng)過10～12 d降溫階段后,中心溫度基本穩(wěn)定。

承臺中心與側(cè)面中心溫度的最大溫差為10 ℃,與承臺表面的最大溫差為17 ℃左右,因此,在養(yǎng)護階段必須做好承臺表面的保溫措施,延緩承臺表面的降溫速度,減小溫差。

6　結語

通過事先裂縫控制的驗算及裂縫控制方案的周密考慮,成功地控制了承臺裂縫的產(chǎn)生,施工后檢查承臺混凝土各表面整體光滑,未見收縮裂縫。從本工程的裂縫控制得出:裂縫控制應以合理的結構設計為基礎,具體施工中從合理選材入手,加以事先裂縫控制驗算并采取適當?shù)目刂拼胧?全方位、多層次地進行裂縫控制,才能做到真正意義上的裂縫控制.

參　考　文　獻

[1]王鐵夢. 工程結構裂縫控制[M ]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1997

[2]劉智弘,賀曉文,李金梅. 混凝土結構裂縫問題的分析及控制措施[ J ]. 遼寧師專學報, 2004 (9) : 87～106

[3]張?zhí)?梁正欽. 淺談水泥混凝土裂縫成因分析與處理[ J ]. 大眾科技, 2004 (5) : 45～49

[4]GB5020422002,混凝土結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[ S].