某承臺(tái)大體積混凝土施工裂縫控制技術(shù)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(shù),工程技術(shù)人員必須從理論上認(rèn)清制約大體積施工質(zhì)量的基本原因。以工程實(shí)踐為例分析了大體積混凝土溫度應(yīng)力形成機(jī)理,進(jìn)行了大體積混凝土裂縫控制的施工詳細(xì)計(jì)算,提出了切實(shí)可行的裂縫控制施工技術(shù)措施,對(duì)類似工程有一定借鑒作用。 關(guān)鍵詞:承臺(tái);大體積混凝土;溫度應(yīng)力估算;裂縫控制技術(shù) 1 工程概況 某特大橋全長(zhǎng)1 433 m,主橋?yàn)?130 + 230 + 130)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),單箱單室,下部結(jié)構(gòu)為16根24m長(zhǎng)Ф230 cm的群樁基礎(chǔ),上接大體積分離式承臺(tái)。單幅承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸為18. 7m ×10. 2m ×5m,單幅承臺(tái)混凝土方量為953. 7 m3 ,一次澆注完成。 2 承臺(tái)混凝土溫度應(yīng)力簡(jiǎn)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(yīng)力,表面產(chǎn)生拉應(yīng)力(稱為內(nèi)部約束應(yīng)力) 。 當(dāng)混凝土的水化熱發(fā)展到3~7 d達(dá)到溫度最高點(diǎn),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(yīng)力(稱為外部約束應(yīng)力) [ 1 ] 。 由于所研究的承臺(tái)支撐在16根小直徑的群樁上,樁的橫向剛度不大,所以承臺(tái)受到的外約束并不大,所以只需考慮內(nèi)部約束應(yīng)力[ 2 ] 。溫度應(yīng)力在承臺(tái)混凝土內(nèi)的分布如圖1所示。溫度應(yīng)力在承臺(tái) 綜上所述,在承臺(tái)大體積混凝土施工前,必須進(jìn)行混凝土的溫度變化,應(yīng)力變化的估算,以確定養(yǎng)護(hù)措施、分層厚度、澆筑溫度等施工措施,并以此來(lái)指導(dǎo)施工。 3 承臺(tái)大體積混凝土裂縫控制的施工計(jì)算 3. 1 相關(guān)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(jí)水泥;碎石:連續(xù)級(jí)配碎石(5~31. 5 mm) ;混合中砂:機(jī)制砂40%;河細(xì)砂60%;粉煤灰: Ⅱ級(jí)粉煤灰;外加劑:NNO2Ⅱ型緩凝減水劑。 (3)氣象資料。相對(duì)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(dòng)配料機(jī)送料,裝載機(jī)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(jì)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(jì)算 變形值計(jì)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(dāng)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(jì)算 計(jì)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(yīng)力計(jì)算 混凝土強(qiáng)度換算公式為f( n) = f(28) lg n / lg28 ,混凝土抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為ft = 0. 23f2 /3 cu 。對(duì)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(tái)混凝土,氣溫較高,假設(shè)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(shù)措施 通過(guò)以上分析可知,承臺(tái)基礎(chǔ)在露天養(yǎng)護(hù)期間, 7 d齡期時(shí),抗裂安全系數(shù)K值稍小于1. 15,此時(shí)混凝土有可能出現(xiàn)裂縫,因此,在設(shè)計(jì)配合比、混凝土施工過(guò)程及養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)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(shù)。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(shí)間15 h (通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果表明) ,延緩混凝土的初凝時(shí)間,延緩混凝土水化熱峰值的出現(xiàn)。(2)通過(guò)技術(shù)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(guān)資料表明,在相同溫差下,溫度應(yīng)力可減小50% ,能提高混凝土的抗拉強(qiáng)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(yán)格控制混凝土的入模溫度在30 ℃左右。選擇在傍晚開(kāi)始澆注承臺(tái)混凝土,對(duì)粗骨料進(jìn)行噴水和護(hù)蓋;施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置遮陽(yáng)設(shè)施,搭設(shè)彩條布棚,避免陽(yáng)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(shè)一大功率的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱。 (4)埋設(shè)6層冷卻管,每層冷卻管配一潛水泵,在第一批開(kāi)始混凝土初凝時(shí)由專人負(fù)責(zé)往冷卻管內(nèi)注入涼水降溫,冷卻水流速應(yīng)大于15 L /min,冷卻水采用嘉陵江水,持續(xù)養(yǎng)生7 d。通過(guò)冷卻排水,帶走混凝土體內(nèi)的熱量,許多工程實(shí)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?xí)r,采用薄層澆注,控制混凝土在澆注過(guò)程中均勻上升,避免混凝土拌和物堆積過(guò)大高差,混凝土的分層厚度控制在20~30 cm。 (6)設(shè)10臺(tái)插入式振搗器,加強(qiáng)振搗,以期獲得密實(shí)的混凝土,提高密實(shí)度和抗拉強(qiáng)度,澆注后,及時(shí)排除表面積水,進(jìn)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(shè)遮陽(yáng)布棚,避免陽(yáng)光曝曬承臺(tái)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(cè)冷卻管出口的水溫和混凝土表面溫度,若溫差大于20 ℃時(shí),及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)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(cè) 承臺(tái)混凝土入模溫度為30~34 ℃, 1. 5 d后中心溫度最高達(dá)50 ℃,溫升達(dá)20 ℃, 3 d后中心溫度達(dá)57~60 ℃,溫升27~30 ℃,經(jīng)過(guò)10~12 d降溫階段后,中心溫度基本穩(wěn)定。 6 結(jié)語(yǔ) 通過(guò)事先裂縫控制的驗(yàn)算及裂縫控制方案的周密考慮,成功地控制了承臺(tái)裂縫的產(chǎn)生,施工后檢查承臺(tái)混凝土各表面整體光滑,未見(jiàn)收縮裂縫。從本工程的裂縫控制得出:裂縫控制應(yīng)以合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ),具體施工中從合理選材入手,加以事先裂縫控制驗(yàn)算并采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?全方位、多層次地進(jìn)行裂縫控制,才能做到真正意義上的裂縫控制. 參 考 文 獻(xiàn) [1]王鐵夢(mèng). 工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M ]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1997 [2]劉智弘,賀曉文,李金梅. 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題的分析及控制措施[ J ]. 遼寧師專學(xué)報(bào), 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(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[ S]. |
原作者: 尚艷亮 孫志星 李志鵬 |
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