大体积混凝土温度控制技术研究.pdf

4 4 4 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o z v 第 4 5卷第 5期 2 0 1 4年 5月 Vo 1 4 5 No 5 Ma v 2 0 1 4 大体积混凝土温度控制技术研究 杜 毅 ( 北京建工集团有限责任公司 ， 1 0 0 0 5 5， 北京) 摘要 ： 基于 大体积混凝土施工规范 ( G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 ) 对不同龄期混凝土拉应力的前期计 算判断混凝土 的防裂性能 ， 通过分析 工程数据 、 建立计算模 型后 ， 以各龄期混凝土的允许拉 应力为条件 ， 确定升温阶段的里表 温差增量及降温阶段的综合降温差增量 。 将以上计算结果运用到后期控温阶段 ， 达到方便验算 、 使前期理论计算 与后期实际操作紧密结合 的目的 ， 从而更有效地控制裂缝 的产生。 关键词 ： 大体积混凝土 ； 应力 ： 松弛系数 ： 温差增量 ； 控温 中图分类号 ： T U 5 4 4 文献标志码 ： B 文章编号： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 4 4 4 0 4 TECHNI CAL RES EARCH oN TEM PERATURE CoNTRoL oF MASS CONCRETE DU Yi ( B e i j i n g C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g G r o u p C o ，L t d ，1 0 0 0 5 5 ，B e i j i n g ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n c r a c k r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e j u d g e d a c c o r d i n g t o c o n c r e t e t e n s i o n s t r e s s a t d i f f e r e n t p e r i o d s c a l c u l a t e d b y u s i n g t h e me t h o d s p e c i fi e d i n C o d e f o r C o n s t r u c t i o n o f Ma s s C o n c r e t e( G B 5 0 4 9 6 2 0 0 9 ) ， To d e t e r mi n e i n c r e me n t al t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e o f c e n t e r a n d s u r f a c e i n t h e h e a t i n g s t a g e a n d g e n e r a l t e mp e r a t u r e d r o p i n c r e me n t i n t h e c o o l i n g p h a s e， Wh i c h i s a t t he a g e o f c o n c r e t e a l l o wa b l e t e n s i l e s t r e s s c o n d i t i o n ，m a y b e c o n t r o l l e d t h r o u g h a n a l y s i s o n p r o j e c t d a t a a n d c o m p u t a t i o n m o d e 1 T h e s e r e s u l t s c a l c u l a t e d ma y b e u s e d f o r l a t e r t e mp e r a t u r e c o n t r o l ， S O a s t o r e a l i z e c o n v e n i e n t v e r i fic a t i o n a n d c o mb i n a t i o n b e t we e n e a r l y t h e o r e t i c a l c alc u l a t i o n a n d l a t e r p r a c t i c a l o p e r a t i o n Co n c r e t e c r a c k c o u l d b e e f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d Ke y wo r d s ：ma s s c o n c r e t e ；s t r e s s ；r e l a x a t i o n f a c t o r ；t e mp e r a t u r e d r o p i n c r e me n t ；t e mp e r a t u r e c o n t r o l 大体积混凝土裂缝有干缩裂缝 、失水裂缝和温度 裂缝等 ， 而其 中温度裂缝危害最大 ， 严重时可导致构件 失去工作能力【 】 1 。通过阅读 大体积混凝土施工规范 ( G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 ) 可知 ， 混凝土初期硬化阶段 因里 表 温差而产生的 自约束拉应力和收缩硬化阶段在外约束 条件下产生的拉应力，都与混凝土的内外温度变化存 在直接联系。 此规范通过对温度场变化的计算， 验算不 同龄期混凝土的拉应力是否低于对应龄期的混凝土抗 拉强度 ， 而其中涉及的“ 有限元法” 在温度场计算中的 各项参数并无公认 的合理设置 ， 且存在软件差异 ， 给验 算的实际应用造成了较大不便。 1 工程数据统计 与分析 2 0 0 6 年6月北京 某群体 住宅 工程 中 ，各 高层住 宅基 础底板 均采用大体 积混凝 土 ， 各底板面 积约 为 1 3 0 0 m ， 厚 1 5 m。选取 其中两栋作为研究对象 ， 列举 其 底板大体积 混凝 土施工 中的测温数据 统计 资料 。 两块 底板混凝 土均采用 强度等级 为C 4 0 的预 拌混凝 土 ， 电梯基坑 中心处底板厚度为5m， 其余各点底板厚 度均为1 5 m； 水泥均为P 04 2 5 普通硅酸盐水泥 ， 由不 收稿日期 ： 2 0 1 4 - 0 2 0 7 作者简介 ： 杜 毅( 1 9 7 0 一 ) ， 男 ， 北京市人 ， 工程 师 ， 项 目总 工程师 ， e ma i l d u y i 1 9 7 0 41 1 2 6 c o rn 同搅拌站采用不同品牌水泥及配合比生产供应。 通 过分析统计 资料可知 ，升温区段均 出现在混 凝土浇筑完成后 的1 3 d ，降温 区段均 出现在混凝 土 浇筑完成4 d 后 ； 无论升温区段还是降温 区段 ， 测温数 据基本 上均呈线性分布 ， 与水泥品牌 、 构件 的厚度等 因素无关 。 2混凝土不同龄期的允许拉应力 2 1 允许 自约束 拉应 力 分析数据可知 ， 普通硅酸盐水泥混凝土升温阶段 ， 因里表温差增量而产生的自约束拉应力出现在混凝土 浇筑完成后的l 一 3 d ， 且 自约束拉应力最大累计值将出 现在混凝土浇筑完成后的第3 d 。 为直观说明本文观点 ， 以厚度 1 m、 纵向长度5 0 m、 横向长度4 0m、 混凝土强度等级为C 3 5 的基础底板为例 进行计算 ；其 中水泥细度 为4 0 0 m 2 k g ，粉煤灰掺 量 2 0 ， 水胶 比0 4 ， 胶浆量0 2 5 ， 环境相对湿度6 0 ， 掺 加减水剂 ， 垫层为C 1 5 混凝土 ， 水泥均采用普通硅酸盐 水泥 。 混凝土龄期为 时抗拉强度标准值 ( ) 专 凡 ( 1 一 e -q,t ) 。 式 中 ： 为混 凝 土抗 拉 强度 标 准 值 ； 为 系数 ， 查 大体 积混凝 土 施工规 范 ( G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 ) 得 ， 2 0 1 4年 5月 杜毅 ： 大体积混凝土温度控 制技术研究 4 4 5 C 3 5 混凝土 取值为2 2 0 N ra m ， 无试验数据时 ， y 取 0 3。 1f k ( 3 ) ( 1 一 e 划妇 ) = 1 3 0 5 ( N ra m ) 。 由混凝土防裂性能验算公式盯 ( ) = o r A ( t ) K， 可反推混凝土温升阶段的允许 自约束拉应力 ( ) 。 式中 ： o r ： 为 自约 束应力 ； A为掺 合料影 响 系数 ， 取 1 0 3 ； 为防裂安全系数 ， 取1 1 5 。 由计算可知 ， 则龄期为3 d 时的自约束拉应力允许 值叮 ( 3 ) 为 1 1 0 1 MP a 。 2 2允许 外 约束拉 应 力 分析数据 可知 ，普通硅 酸盐水泥混凝 土降温 阶 段外约束条件下产 生的拉应 力出现在 混凝土 浇筑完 成4 d 后 。根据现有规范提供的最大龄期为2 0 d 的混凝土 松弛系数 ， 在环境温度变化不大 的前提下 ， 龄期达到2 0 d 的混凝土 ， 后续降温情况 已基本趋 于稳定 ， 故取龄期 为2 0 d 时的外约束拉应力为计算对象。 混凝土龄期为t 时抗拉强度标准值 ( ) ( 1 ) 。 则 ( 2 0 ) ( 1 - e 。 n ) = 2 1 9 5 ( N m m ) 。 由混凝土防裂性能验算公式叮 ( ) = 叮 A 凡( t ) K， 可反推混凝土降温阶段的允许外约束拉应力。则龄期 为2 0 d 时外约束拉应力允许值为1 8 5 1 MP a 。 3松弛 系数 的确定 混凝土的松弛系数对其降温阶段的应力影响至关 重要。但规范 大体积混凝土施工规范 ( 以下简称G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 ) 中仅提供了龄期分别为2 ， 5 ， 1 0 2 0 d 的松 弛系数数据( 表1 ) 。 表1 混凝土的松弛 系数 I -=2d r = 5d f =l Od r =2 Od t H( t ，r ) t H( t ， 7 t H( t ，T ) t H( t ， ) 2 1 5 1 1 O 1 2 O 1 3 02 78 6 0 3 8 3 11 04 57 21 0 5 21 4 02 25 7 0 2 9 6 1 2 0 3 92 2 2 0 4 7 3 5 O 1 9 9 8 0 2 6 2 1 4 0 3 06 2 5 0 3 6 7 1 O O 1 8 7 1 O 0 2 2 8 1 8 O2 51 3 0 0 3 01 2 O O 1 8 6 2 0 O 21 5 20 02 38 4 0 0 2 5 3 3 0 O 1 8 6 3 0 0 2 0 8 3 0 O21 4 由表l 可看出 ， 混凝土松弛系数随着龄期的增大而 增大 ， 松弛效应随之减小 ； 无论龄期大小 ， 松弛系数在 2 O d 后基本趋于稳定 ， 松弛效应基本消失。但这组数据 尚不能满足混凝土降温阶段 的外约束应力计算 ，松弛 系数应 由试验确定 。本文采用内插法近似求得对应龄 期的松弛系数如表2 所示。 4 温差计算模型 的建立与应用 4 1 模型 的 建立 依据G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 可得如下公式。 自约束拉应力： 盯 ( ) ： ，i ( ) E( ) 日 i ( f ， r ) ； l = 引入允许 自约束拉应力 ： 仃 ( ) 盯 ( f ) ； 外 约束 拉 应力： O x ( ) ： ，i ( ) E ( f ) l L L 1 日i ( ， T ) x R i ( ) ； 引入允许外约束拉应力 ： ( ) ( ) 。 式 中 ： i 为计 算 区段 ； 为 混凝 土线膨胀 系数 ， 取 1 O x l O ； z 为混凝土 泊松 比 ， 取0 1 5 ； A T x i ( t ) 为龄期t 时 ， 在 第i 计算区段混凝土浇筑体 里表温差增量 ； j ( t ) 为龄期t 时 ， 在第i 计算区段 混凝土浇筑体综合降温 差增量 ； 尺i ( t ) 为龄期 时 ， 在 第i 计算 区段外约束 的约 束系数。 升温阶段 ， 由于混凝土初期升温速度快 ， 为达到及 时控制的 目的 ， 升温阶段计算 区段步长取 1 d ； 降温阶 段 ， 由于降温速度相对较慢 ， 为便于控制 ， 降温阶段计 算区段步长取2 d 。 AT , ，i( ) 与 i( ) 均需通过温度场计算进行预测 ， 温度场计算要采用有限元法 ，而有限元分析过程的各 项参数设置现并无公认数据 ， 且分析过程复杂 ， 不便于 一 般项 目的使用 。 为此 ， 本文利用前文中求得的允许拉 应力 反求 ， ( t ) 、 i ( t ) ， 并在实际施工过程 中应用 该反求结果 ， 以达到指导大体积混凝土工程养护 、 保温 的施工 工作 。 分别建立升 、 降温阶段的温差计算模型( 图1 ， 2 ) 。 t f d 图1 升温阶段 7 11 ， ( ) 计算模型 4 2 模型 的应 用 根据模型可判断 ， l ( ) = ， 2 ( ) ； ， 。 ( ) = ，2 ( # ) ： 4 4 6 建筑技术 第 4 5卷第 5期 表2 混凝土的松弛系数 r = 4d r = 6d r =8d r =l 2d r =1 4d r =l 6d =1 8d t H( t ， r ) t H( t ， H( t ， ) t H( t ，r ) H( t ，r ) t H( t ， r ) t H( t ， r ) 4 1 6 1 8 1 l 2 l 1 4 l 1 6 1 l 8 1 5 0 3 4 8 7 0 3 9 8 9 0 4 2 7 1 3 047 0 1 5 048 3 1 7 04 9 5 1 9 05 0 8 6 0 2 7 2 8 O 3l 5 1 0 0 3 5 4 1 4 040 8 1 6 042 4 1 8 04 41 2 0 04 5 7 7 0 2 4l 9 O 2 7 1 _ 1 6 0- 3 1 8 1 8 033 0 2 0 03 4 3 _ 1 O 0 21 4 1 0 0 2 3 3 2 0 026 1 2 0 O2 71 _ 2 0 O 2 O 5 2 0 0 2 2 0 2 O 0 2 2 9 _ _ _ 3 0 0 2 0 1 3 0 0 2 0 9 3 0 0 2 1 2 3 0 022 2 3 0 023 0 3 0 02 3 7 3 0 0 2 4 5 4 6 8 1 0 1 8 2 O t ( d ) 图2降温阶段A T 2 ， i ( t ) 计算模型 = 。( ) 。 在混凝土浇筑后的养护 、 保温阶段 ， 将温 差控制在该范围内。 通过公式E( t ) - E o x ( 1 一 e - ) 2 1 求得 C 3 5 混凝土各龄期弹性模量如表3 所示。 表3 C3 5 各龄期弹性模量计算表 龄期( d ) 弹性 模E( N m m ) 龄期( d ) 弹性 模E( N ra m ) 2 50 8 5 1 2 2 O3 8 6 3 7 3 o 4 1 4 2 2l 1 2 4 9 3 3 2 1 6 2 35 5 5 6 1 2 8 8 0 1 8 2 47 6 0 8 l 5 8 4 3 2 O 2 57 6 6 1 O 1 831 8 4 2 1 升温阶段 里表温差增量 ； ( t ) 的计算 AT 1 j ( ) ： 2 5 3 ( o C) 仅 l E( 2 ) x H( 3 ， 2 ) + E( 3 ) x H( 3 ， 3 ) J 、 此计算结果表明 ，升温阶段每天里表温差增量控 制在2 5 3 以内时 ，其产生的拉应力不会超过对应龄 期的允许拉应力 。可在符合规范要求的基础 上避免温 度裂缝的出现 。在混凝土浇筑后的保温、 养护阶段 ， 与 控制内外温差相比 ，控制里表温差增量更符合混凝土 升温阶段防裂性能的验算原理。 4 2 2 降温阶段综合降温差增量 ； ( ) 的计算 选用塑料薄膜和草袋作为保温层， 确定外约束的约束 系数尺 i ( ) 。依据G B 5 o 4 9 6 _ - 2 o 0 9 可得： R i ( ) = 1 一 _ = = 二兰= _ _ c (、 ) 计算结果如表4 所示 。 表4 C 3 5 各龄期约束系数计算 龄期 ( d ) 约束系数 龄 期( d ) 约束 系数 6 0 9 8 0 1 4 09 4 0 8 0 9 6 8 1 6 O 9 3 3 1 0 0 9 5 8 1 8 0 9 2 8 1 2 0 9 4 8 2 0 0 9 2 3 j( ) 些 L = 2 5c ( = l E( 6 ) x H( 2 0 ， 6 ) x R( 6 ) + l 0 【 I E( 8 ) x H( 2 0 ， 8 ) x R( 8 ) + +I 【 E( 2 0 ) H( 2 0 ， 2 0 ) x R( 2 0 ) J 计算结果表明 ， 将降温阶段每2 d 的综合降温差增 量控制在2 5 以内时， 其在外约束条件下产生的拉应 力不会超过对应龄期的允许拉应力 ，可避免收缩所产 生的裂缝 且结果与规范要求基本吻合。 在混凝土浇筑 后的保温 、养护阶段 ，与控制内外温差和降温速率相 比 ，控制综合降温差增量更符合混凝土降温收缩阶段 防裂性能的验算原理。 5 混凝土浇筑后 的温度统计 温差增量的计算结果无法直接指导混凝土浇筑后 的保温和养护 ，只有将其与大体积混凝土测温统计结 合起来 ，才能将前期的计算真正应用到后期实际施工 控制中。 里表温差增量 ( ) = ( ) 一 ( ) ； 综合降温差增量 i ( ) = 7 2 ( t - j ) 一 ( ) ； 式中： 为第i 计算区段的步长 。 里表温差 ： ( f ) = T m ( ) 一 T b ( ) ； 式中： T m ( ) 和 ( ) 分别为龄期 时混凝土内的最高 2 0 1 4年 5月 杜毅 ： 大体积混凝土温度控制技术研究 4 4 7 温度和表层温度 ， 均可实测。 1 综合降温差： T 2 ( ) = 【 4 T o ( ) + ( ) + ( t ) 】 0 + ( f ) 一 T w ( t ) 。 式中 ： ( f ) 和 ( f ) 分别为龄期t 时对应混凝土浇 筑体内最高温度 的上 、 下表层温度 ， 均可实测 ； T r ( t ) 为 收缩相对变形值的当量 温度 ， 可计算求得 ； ( ) 为龄 期 寸的曰平均温度或 当地年平均温度。 通过常规温度监测方法测得上述温差 、温差增量 后 可通过分析快速获得结果 ， 以及时调整控温措施 ， 避免温度裂缝的产生。实际施工中存在因工期 的限制 减少大体积混凝土保温 、 养护时间的情况 ， 若要真正避 免温度裂缝的产生 ，在降温不稳定或降温差增量未趋 于0 的时候 ， 应 当做到“ 长期覆盖 、 长久保温” 【 3 。 6 控温措施 的选择 本文控制大体积混凝土温度裂缝 的途径是控制温 差变化 ， 即控制混凝土浇筑体温度 ， 因此选择适当控温 方式至关重要。现常用控温方式从功能方面分为 “ 保 温” 和“ 降温” 两种 。“ 保温” 指提高混凝土的表面温度 ， “ 降温” 指降低混凝土的内部温度。两者的最终 目的都 是减 少混凝土内外或相邻上下层温差。 “ 保温 ” 的方法是保湿与保温材料相结合 ， 其 中保 湿可通过在浇筑体表面覆盖塑料薄膜等不透风材料实 现 。保温材料的选择有很多种 ， 如草袋 、 棉毡和岩棉被 等 可应综合实际需要和施工成本等因素选择 ， 并通过 调整保温材料的厚度调节浇筑体表面温度 。 “ 降温” 方法是在混凝土配合比设计阶段降低水泥 用量、 减少水化热 。在经设计单位确认的前提下 ， 可将 确定混凝土强度的龄期取为6 O d 或9 0 d ， 在混凝土浇筑 阶段预先采取在浇筑体 内部布置循环水管 的方 式 ， 通 过冷水与浇筑体之间的热交换 ，达到降低混凝土内部 温度的目的。 但 由于该方法须投入的资金较高 ， 故仅常 用于截面厚度达3 m以上的构件。 7 结束语 ( 1 )经验证 ，本文所阐述的大体积混凝土裂缝控 制方 法理论 上可行 ，较 大体积 混凝土施 工规范 ( G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 )中的应力控制方法更为简单方便 ， 且可将计算结果直接作为混凝土浇筑后的保温 、养护 施工的依据。 ( 2 )本文计算建立在混凝土采用普通硅酸盐水泥 的条件下 ， 鉴于不同品种水泥有各 自特性 ， 若扩大应用 范围， 则须对更多数据进行统计分析和计算。 ( 3 ) 大体积混凝土施工规范 ( G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 ) 中的 ( f ) 定义为计 算龄期t 时的 日平均温度 ， 属大气 温度 ， 但当浇筑体处于覆盖保温阶段时 ， 这个温度值取 保温材料与浇筑体表面之间的温度更合理。 参考文献 【 l 】 杨 文科现 代混凝土科学的问题与研究【 M】 北京 ： 清华大学 出版 社 ， 2 01 2 【 2 】 朱为勇 ，娄 宗科 混凝土 浇筑后温度 变化的计算 【 J 】 建筑技 术 ， 2 0 1 3 ， 4 4( 5 ) ： 4 0 2 - 4 0 5 【 3 】 朱伯芳 ， 大体 积混凝土温度 应力与温度控 制 M】 北京 ： 中国电力出 版社 1 9 9 9