大體積混凝土裂縫控制方法的研究
2006-05-17 00:00
摘 要：通過(guò)大體積混凝土溫度變化機(jī)理，給出了大體積混凝土的結(jié)構(gòu)計(jì)算溫差及溫度應(yīng)力計(jì)算的方法；并對(duì)溫度監(jiān)測(cè)、施工措施進(jìn)行了探討。 結(jié)合工程實(shí)例，介紹了某大體積混凝土工程的裂縫控制方法。
關(guān)鍵詞：大體積混凝土；裂縫控制；溫度應(yīng)力
大體積混凝土結(jié)構(gòu)的截面尺寸較大，由外荷載引起裂縫的可能性很小，但水泥在水化反應(yīng)中釋放的水化熱所產(chǎn)生的溫度變化和混凝土收縮的共同作用，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力，將成為大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的主要因素。 大體積混凝土工程的條件比較復(fù)雜，施工情況各異，加上混凝土原材料的材性差異較大，因此控制溫度變形裂縫不是單純的結(jié)構(gòu)理論問(wèn)題，而是涉及結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造設(shè)計(jì)、材料組成、物理力學(xué)性能及施工工藝等多學(xué)科的綜合性問(wèn)題。 玉帶河畔大廈轉(zhuǎn)換層采用2.0 m厚混凝土整板結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程特點(diǎn)，運(yùn)用裂縫控制理論，研究裂縫原因，提出了施工防治措施，效果較好。
1 工程概況
玉帶河畔大廈占地面積1386m2 ，總建筑面積21804m2 ；地下一層，地上26層，建筑總高86. 6 m；是集商業(yè)、辦公、住宅為一體的綜合性建筑。 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用了轉(zhuǎn)換層形式。
2 轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式特征
轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式：第四層頂板為一塊實(shí)心混凝土整板，將上部23層結(jié)構(gòu)荷載過(guò)渡轉(zhuǎn)換到板下框架體系。 轉(zhuǎn)換層標(biāo)高17. 1～19. 1 m，板厚2.0 m，轉(zhuǎn)換層面積723m2 ，板內(nèi)上下各兩層設(shè)縱橫雙向Ф32mm、@200mm ×200mm 鋼筋網(wǎng)片； 中間又有兩層Ф22mm、@200mm ×200mm 鋼筋網(wǎng)片； 網(wǎng)片間@600mm ×600mm，設(shè)Ф22mm立筋，混凝土總量1610m3 ，混凝土采用C50的商品混凝土。 板下框架柱網(wǎng)尺寸： 8.6 m ×8.8 m～8.4 m ×12 m不等。 轉(zhuǎn)換板按施工組織設(shè)計(jì)分兩層澆筑， 2 m厚C50混凝土轉(zhuǎn)換板分二次澆筑，第一層先澆0. 8 m厚，等它達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再澆第二層1. 2 m厚混凝土。 結(jié)構(gòu)符合規(guī)定：“結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在0。 8 m厚以上、水化熱引起混凝土內(nèi)的最高溫度與外界氣溫之差預(yù)計(jì)超過(guò)25 ℃的混凝土，稱為大體積混凝土”。 [ 1 ]11
3 大體積混凝土施工
該工程轉(zhuǎn)換層混凝土的施工在六月中旬，當(dāng)?shù)厝掌骄鶞囟仍?1℃左右，混凝土最高溫度的峰值一般出現(xiàn)在混凝土澆筑后的第三天，對(duì)混凝土澆筑后的內(nèi)部最高溫度與氣溫溫差要控制在25℃內(nèi)，以免因溫差和混凝土的收縮產(chǎn)生裂縫。 我們對(duì)混凝土質(zhì)量控制指標(biāo)提出如下要求： (1)采用水化熱低的礦渣水泥；(2)摻入適量的Ⅰ級(jí)粉煤灰； (3)混凝土在滿足泵送要求的坍落度的前提下，最大限度控制水灰比； (4)摻AEA微膨脹劑。 由于使用的是商品混凝土，廠家采用散裝硅酸鹽水泥，而且當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)Ⅰ級(jí)粉煤灰緊缺，無(wú)法及時(shí)提供，因此，只能滿足以上(3) 、(4)兩條要求。 這樣對(duì)解決混凝土早期溫度應(yīng)力和后期收縮應(yīng)力問(wèn)題，并控制混凝土裂縫的產(chǎn)生，提出了更高的技術(shù)要求，對(duì)此采取了以下混凝土裂縫控制措施。
3.1 混凝土溫度的計(jì)算
(1)混凝土的絕熱溫升[ 1 ]14 ： T = W ×Q 0 ×(1 - e- m t ) / cr
式中： T —混凝土的絕熱溫升( ℃) ； W —每m3水泥用量， W = 530 kg； Q 0 —每千克水泥最終水化熱量( J /kg) ， 28 d的累計(jì)水化熱Q 0 = 460 240 J /kg； c —混凝土比熱容， c = 993.7 J / ( kg·K) ； r —混凝土密度， r = 2 400 kg /m3 ； t —混凝土齡期( d) ； m —常數(shù)，與水泥品種、澆筑時(shí)溫度有關(guān)。
混凝土最高絕熱溫升： T max = 530 ×460 240 / (993.7 ×2 400) = 102. 28℃
(2)混凝土中心溫度： T h = T j + T maxζ
式中： T h—混凝土中心溫度( ℃) ； T j—混凝土澆筑溫度( ℃) ； ζ—不同澆筑混凝土塊厚度的溫度系數(shù)，對(duì)1 m厚混凝土3d時(shí)ζ = 0.36。
(3)混凝土澆筑溫度： 
式中： T C —混凝土拌合溫度(它與各種材料比熱容及初溫度有關(guān)) ，按多次測(cè)量資料，有日照時(shí)拌合溫度比當(dāng)時(shí)溫度高4～6 ℃，無(wú)日照時(shí)拌合溫度比當(dāng)時(shí)溫度高2～3 ℃，我們按3℃計(jì)； T P —混凝土澆筑時(shí)的室外溫度，六月中旬，室外平均溫度以21 ℃計(jì)； A 1 +A 2 +A 3 —溫度損失系數(shù)[ 1 ]33。
其中混凝土裝卸時(shí)，每次為0.032 (裝車、出料二次計(jì)) ， A 1 = 0.032 ×2 = 0. 064；混凝土運(yùn)輸時(shí)， A 2 =Q t (Q為6 m3 滾動(dòng)式攪拌車每min溫升系數(shù)0.0042 (即- 0.0042) ，混凝土泵送不計(jì)； t為運(yùn)輸時(shí)間，以min計(jì)算，從商品混凝土公司到工地約30min) ；澆筑過(guò)程中A 3 =0.003 ×60 =0.18 (每次溫度損失系數(shù)值取0.003，轉(zhuǎn)運(yùn)60次)。
則混凝土內(nèi)部中心溫度： 
從溫度計(jì)算得知，在混凝土澆筑后第三天內(nèi)部實(shí)際溫升為66℃，比當(dāng)時(shí)室外溫度( 21℃)高出45℃，必須采用相應(yīng)的措施，防止大體積鋼筋混凝土板因溫差過(guò)大產(chǎn)生裂縫。
3.2 溫度應(yīng)力計(jì)算
計(jì)算溫度應(yīng)力的假定： (1)混凝土等級(jí)為C50 ，水泥用量較大， 530 kg/m3 ； (2)混凝土配筋率較高，對(duì)控制裂縫有利； (3)底模對(duì)混凝土的約束可不考慮； (4)幾何尺寸不算太大，水化熱溫升快，散熱也快。 因此，降溫與收縮的共同作用是引起混凝土開裂的主要因素。
先驗(yàn)算由溫差和混凝土收縮所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力σmax是否超過(guò)當(dāng)時(shí)厚板的極限抗拉強(qiáng)度Rc 。
采用公式：
式中： E —混凝土各齡期時(shí)對(duì)應(yīng)的彈性模量Et = Ec (1 - e- 0。 9 t ) ( e = 2. 718自然對(duì)數(shù)的底， t - 混凝土齡期( d) ， Ec —混凝土28d時(shí)C50的彈性模量， Et = 3. 5 ×105 Mpa[ 1 ]26 ) ； a —混凝土的線膨脹系數(shù)1. 0 ×10- 5 ； L —結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度， 本工程厚板長(zhǎng)度L = 44 m； T —結(jié)構(gòu)計(jì)算溫度： 該厚板最大絕熱溫升T max =102.26 ℃，實(shí)際溫升最高在混凝土澆筑后第三天T 3 = T max ×ζ= 102. 26 ℃ ×0。.36 = 36. 82 ℃； s —混凝土應(yīng)力松弛系數(shù)[ 2 ] ； coshβ—是雙曲余弦函數(shù)，其中
H —結(jié)構(gòu)厚度，本工程厚板厚度H = 0。 8， H /L = 0. 8 /44 = 0。 018 ≤ 0. 2，符合計(jì)算假設(shè)； C x —混凝土板與支承面滑動(dòng)阻力系數(shù)，對(duì)竹膠模板，比較砂質(zhì)土的阻力系數(shù)，取C x = 30 N /mm2。 根據(jù)以上公式代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，得σmax = 1.18MPa≤1.89MPa， 可知不會(huì)因降溫時(shí)收縮引起裂縫。
3.3 配制混凝土?xí)r，采取雙摻技術(shù)
(1)摻高效減水劑，使混凝土緩凝，要求初凝時(shí)間大于9h，以推遲水泥水化熱峰值出現(xiàn)，使混凝土表面溫度梯度減少；
(2)加AEA微膨脹劑(摻量為水泥用量的10% )補(bǔ)償混凝土收縮；
(3)保證混凝土澆筑速度，不產(chǎn)生人為冷縮；
(4)設(shè)加強(qiáng)帶，在加強(qiáng)帶處微膨脹劑摻量增加14%。
3.4 保溫、保濕及補(bǔ)償措施
根據(jù)氣象預(yù)報(bào)，擬澆筑三天后的均溫為21℃。 為防止因混凝土內(nèi)外溫差超過(guò)25℃而開裂，經(jīng)研究、比較，在不可能降低水泥用量、摻粉煤灰及選用礦渣水泥的條件下，采取下列措施。
(1)底模：除因模板支撐結(jié)構(gòu)需要，滿鋪100mm ×50mm ×2000 mm木枋外，在木模板上滿鋪一層塑料薄膜，再鋪一層竹膠板。 在澆筑前三天，澆水濕透；
(2)在三層與轉(zhuǎn)換板之間，四周用塑料編織布圍護(hù)，使板下形成溫棚，減少空氣流動(dòng)，達(dá)到保溫作用；
(3)在澆筑混凝土表面12h后，加塑料薄膜一層、麻袋二層覆蓋；
(4)設(shè)溫度測(cè)試點(diǎn)，在有代表性的位置設(shè)測(cè)溫點(diǎn)，隨時(shí)了解混凝土澆筑后(特別是第二天)開始升、降溫情況，隨時(shí)準(zhǔn)備增、減覆蓋物；
(5)加強(qiáng)對(duì)混凝土的保養(yǎng)，不斷觀察混凝土保濕狀況，定時(shí)澆水保濕。
在澆筑第二層1.2 m厚混凝土3d后，混凝土內(nèi)部溫度達(dá)56 ℃，更要加強(qiáng)保溫保濕措施。
考慮到第一層混凝土板對(duì)上面第二層溫度變形的約束，除認(rèn)真控制混凝土內(nèi)外溫差外，該板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在1.2 m厚板下， 400 mm處，設(shè)一層Ф22mm、@200mm ×200mm的鋼筋網(wǎng)片，以防上層混凝土變形時(shí)拉裂下層混凝土。
3.5 溫度測(cè)試
本工程采用建筑電子測(cè)溫儀測(cè)溫。 兩次澆筑分別設(shè)了10個(gè)和7個(gè)測(cè)溫?cái)嗝妫總€(gè)測(cè)溫?cái)嗝娣謩e在上、中、下及覆蓋層下埋設(shè)測(cè)溫傳感器，在澆筑混凝土后的5d內(nèi)，每2h測(cè)讀一次溫度，同時(shí)監(jiān)測(cè)氣溫。 實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算(中間斷面點(diǎn))對(duì)比如表1，可看出，理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很接近，可作為以后制定保溫保濕措施的依據(jù)。
4 結(jié)束語(yǔ)
在不可能摻粉煤灰和不允許減少水泥用量的條件下，運(yùn)用裂縫溫度控制理論，找到影響裂縫的主要原因，采取有效措施。 。本工程轉(zhuǎn)換板C50大體積混凝土施工，經(jīng)質(zhì)監(jiān)部門驗(yàn)收，未出現(xiàn)裂縫，施工質(zhì)量?jī)?yōu)良。 在結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)與施工中，對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，為防止其產(chǎn)生溫度裂縫，除需要在施工前進(jìn)行認(rèn)真計(jì)算外，還要做到在施工過(guò)程中采取一系列有效的技術(shù)措施。 各項(xiàng)技術(shù)措施并不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互制約的，設(shè)計(jì)和施工中必須結(jié)合實(shí)際，全面考慮，合理采用，才能起到良好的效果。
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