大体积混凝土硬化过程中的温度检测和应力计算.pdf

2 0 1 0 年 第 7 期 (总 第 2 4 9 期 ) N u mb e r 7 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOL OGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 7 0 4 5 大体积混凝土硬化过程中的温度检测和应力计算 林永秋，苏晓樟，孙林柱 ( 温州大学 ，浙江 温州 3 2 5 0 3 5 ) 摘要： 大体积混凝土结构需要解决的主要问题是胶凝材料在水化中释放大量的水化热而不易散发引起温度变化和混凝土收缩对结构 产生作用导致混凝土出现裂缝。 通过对大体积混凝土硬化过程中热胀冷缩应力状态分析 ， 提出大体积混凝土温度控制相关措施。 结合工程 实例， 介绍使用计算机和温度热流量检测仪检测大体积混凝土温度温差变化的方法。 并根据检测数据， 计算分析混凝土的应力。 总结得出 若干控制温度引起裂缝的方法， 为大体积混凝土施工提供指导作用。 关键词： 大体积混凝土； 水化热；温度；应力；裂缝 中图分类号 ： T U5 2 8 0 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 1 3 5 0 4 Te mper a t ur e de t e c t i on an d s t r e s s c a l c ul a t i on of mas s c onc r et e dur i n g h ar d eni ng pr o c es s L Yo n g- q i u S UXi a o - z ha n g SUNLi n- z hu ( We n z h o uUn i v e r s i t y ， We n z h o u 3 2 5 0 3 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e ma in p r o b l e m ， wh i c h ha s t o b e s o l v e d f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f ma s s c o nc r e t e ， i S the a 口 p e a r a n c e o f c r a c k o f c o nc r e t e d u e t o the t e mp e r a t u r e c h a n g e r e s u l t i n g f r o m the e m i s s i o n d i ffi c u l t y o fh u g e h y d r a t i o n he a t o f g e l l e d ma t e r i a l a n d the c o n c r e c o n t r a c t i o n e f f e c t s o n t h e c o n s t m c t i o n I n t h i s p a p e r ， thr o u g h t h e s tre s s a n a l y s i s o ft he h e a t - e x p an s i o n an d c o l d- c o n t r a c t i o n d u r i n g h a r d e n i n g p r o c e s s o fma s s c o n c r e t e， we pr o - p o s e s o me s p e c i f i c p r o c e d u r e s and me a s u r e s t o c o n tr o l the t e mp e r a tur e o f ma s s c o n c r e t e wi m t h e e n g i n e e r i n g p r o j e c t s w e i n tr o d u c e h o w t o u s e c o mp u t e r a n d t e mp e r a t u r e h e a t flu x d e t e c t i n g i n s t r u me n t t o me a s ur e t h e t e mp e r a t u r e c h an g e o fma s s c o n c r e t e an d a c c o r d i n g t he o b s e r v e d d a t a， we c a l c u l a t e a n d a n a l y z e the s t r e s s o f c o n c r e t e We o b t a i n s o me me t h o d s o n c o nt r o l l i n g c rac k c a u s e d b y t e mpe ratur e a nd p r o v i d e g u i d a n c e for c o n s t m c t i o n o fma s s c o n c r e t e Ke y wor d s： ma s s c o nc r e t e ； h y d r a t i o n h e a t ； t e mp e r a tur e ； s t r e s s ； c r a c k 0 引言 1 大体积混凝土温度控制、 应力松弛及应力计算 大体积混凝土浇筑成型后 ， 水泥水化产生大量热能引起混 凝土温度升高， 由于混凝土的传热性能低 ， 聚集在混凝土内的 热能不易扩散， 相对形成外冷内热的一个温度梯度。随着水泥 水化的进行， 混凝土温度逐渐升高体积膨胀， 一定时间后( 一般 为 3 - 5 d ) 内部温度达到峰值。这个过程是混凝土初凝后的热胀 阶段。这时内部混凝土处于膨胀受压而外侧混凝土处于受拉的 应力状态。随后混凝土内部热量逐步向外扩散， 温度逐渐降低， 体积缩小。这个过程是混凝土初凝后的冷缩阶段， 此时混凝土外 部成形并具有一定的强度对内部混凝土形成约束作用 ，而内部 温度逐渐降低， 体积缩小， 构件内部混凝土处于受拉的应力状态。 在热胀阶段， 当混凝土膨胀产生的拉应力大于混凝土的即 时抗拉强度时和在冷缩阶段 ， 当混凝土收缩产生的拉应力大于 混凝土的即时抗拉强度时， 混凝土会产生裂缝。这种裂缝属于混 凝土的早期裂缝， 它可以通过一定的控制措施来避免。水泥水化 热越大， 温度越高， 温度梯度越大， 形成的拉应力就越大， 产生裂 缝的可能性越大。温度引起大体积混凝土裂缝的问题是 3 0多年 来工程界关注并进行研究的课题。根据工程实体检测温度曲线， 动态量性地分析混凝土硬化过程的应力情况，得出混凝土温度 控制量的尺度， 为避免混凝土出现早期裂缝提供科学依据。 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 3 1 0 1 1 大体积 混凝 土温度 控 制 大体积混凝土工程施工技术规程 1】 ， 提出温度控制指标如下。 ( 1 ) 混凝土浇筑温度不宜大于 3 5， 不应小于 5。 ( 2 ) 混凝土内外温差不应大于 2 5。 ( 3 ) 混凝土降温速率不宜大于 3 o C d 。 ( 4 ) 高层建筑及大型构筑物的基础， 混凝土表面温度和环 境温度之差不应大于 2 5。 由此混凝土温度控制可以分两个阶段进行。 1 1 1 大体积混凝土配合比设计阶段 普通混凝土采用 2 8 d龄期强度作为设计强度， 而大体积混 凝土宜采用 6 0 d或 9 0 d龄期强度作为设计强度， 配合比要通过 计算和试配确定并应遵循以下原则 ： 最小水泥用量； 最大 堆积密度 ； 合理水胶比。水泥品种宜选用水化热低的水泥， 例 如矿渣水泥、 火山灰水泥、 粉煤灰水泥等。同时选用级配良好卵 石( 碎石) ， 采用中粗砂掺入外加剂等方法亦可降低混凝土配合 比中水泥用量。通过配合比设计可以降低混凝土绝热温升， 延 迟温升峰值到来时间和延缓降温速率。 1 1 2 大体积混凝土施工阶段 大体积混凝土应采用预拌混凝土 ， 且应由同一家供应商供 1 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 应。 浇筑应分层连续进行， 使混凝土沿高度均匀上升， 尽可能不 留施工缝。冬期施工时， 必须在正温下浇筑， 宜利用水泥自身水 化热进行蓄热保温养护。夏季施工时， 混凝土骨料在烈 日的暴 晒下， 温度很高 ， 直接搅拌而成对大体积混凝土施工非常不利。 一 般采用低温水或冰水浇淋石子和砂使之达到较低的温度后 ， 然后用低温水搅拌而成。这样混凝土成型后整体温度大大降 低， 内外温差减小， 温度梯度亦随之变小 ， 夏季高温天气施工， 这措施非常必要、 有效。当预计混凝土内部温度过高时， 可以在 混凝土内设置循环冷却水， 以降低混凝土内部温度峰值。 1 2 混凝土徐变引起的应力松弛 徐变是指混凝土在任意荷载、 任意小的应力作用下随时间 而增加的变形。它在 昆 凝土结构中引起两种现象 ： 一种是应力 不变但变形随时间增加， 称为“ 徐变变形” ； 另一种现象是变形 不变 ， 但由于徐变作用， 其内力随时间的延长而逐渐减少 ， 称为 “ 应力松弛 ” 。 徐变对混凝土抗裂有利。就大体积混凝土而言， 徐变可减 少温差引起的应力。按弹性假定计算出， 在龄期 r 。 施加强迫变 形 s ( r ) 的瞬时产生弹性应力 ( 。 ) ， 又求出随时间增加而使应 力降低的松弛应力 ( ， 7 - ) ， 该松弛应力与弹性应力 ( 。 ) 之 比值 ， 即为“ 松弛系数” ， 以H( t ) 表示， 它与产生应力的龄期 。有关， 又与延续时间t 有关： H( t ， r I ) ( t ， n) ( I ) ( 1 ) H( t ， r 。 ) 按理论求解积分方程十分复杂， 但文献 2 】 给出一 般常遇条件下的松弛系数表， 可给工程界考虑混凝土徐变的简 便计算方法。 1 3 应力计算及控制 根据裂缝控制原则 ， 要求在混凝土硬化过程中任意时刻都 要满足 ： mR f ( z ) ( 2 ) 式中： 一混凝土 t 时刻的应力 ； ) 混凝土龄期 t 的抗拉强度。 A o =- E e A T ( 3 ) E= E o ( 1 _ e - O O ) ( 4 ) 尸 H( t ， r 1 ) ( 5 ) 基底约束引起的应力计算公式如式( 6 ) ( 8 ) ： - Ea A 1 - 1 C h ( 3 L 2 ) 】 ( 6 ) H( f ， tr I ) ( 7 ) 厂 一 V 嵩 ) 混凝土龄期t 的抗拉强度计算公式如式( 9 ) ： R f ( r ) = O 8 R ( 1 g - ) ( 9 ) 式中： 口 温度变化 A T时对应的应力变化值； 混凝土的线膨胀系数( 1 0 x l 0 ) ； _ 某时间段的温差； 卜龄期 t 时刻的弹性模量； E 龄期为 2 8 d的弹性模量( C 4 0 ， E o = 3 2 5 x x l 0 4 MP a ) ； t ( t ， f 。 ) 应力松弛系数( 见文献 2 ) ； R 厂龄期为 2 8 d的抗拉强度( C 4 0 ， R _ 2 3 9 MP a ) ； ， J 墙体长度； 墙体的计算高度； 一 地基水平 阻力 系数 。 2大体积混凝土的 温度检测 2 1工程 实例 温州某公司厂房为钢筋混凝土结构工程， 其混凝土外墙最 厚处达 2 2 m， 混凝土屋面板厚度达 2 0 m， 比文献 1 中大体积 混凝土的规定： 抗压构件大于 1 5 m， 抗弯构件大于 1 m超出很 多。该混凝土结构的主要功能是防射线扩散， 完全屏蔽厂房的 钴射线源， 防止射线穿过混凝土墙板。因此该结构对混凝土裂 缝控制更为严格。 设计采用混凝土强度为 C 4 0 ( 龄期 2 8 d的标 准强度) ， 配合比见表 1 。 该工程混凝土施工正值夏季， 日平均气 温在 3 O以上。由于大体积混凝土升温可能引起墙板裂缝， 因 混凝土内外温差产生自 约束应力计算公式如式( 3 ) ( 5 ) ： 此对混凝土的内部和外部温度及其温度差进行测试。 表 1 C 4 0混凝土配合比 。 坍落度【 1 2 0 3 0) 1 1 1 1 2 2 温度测试元件布置和数据采集 该结构大体积 昆 凝土总计布置了 2 5个测温元件， 在构件各 部位内中外分别布置， 其各测点平面布置如图 1 。 由于施工原因， 混凝土振动棒振动、 混凝土下落等损坏 4 个 点， 正常工作 2 1 个点。 各测点的温度通过测温元件传输给温度 热流量检查仪并经计算机采集。仪器每隔 3 0 m i n ， 进行数据的 采集， 记录每一点的温度， 数据采集过程如图2 。 2 3 温度测 试 结果 通过对测试数据进行分析计算得到每个测点温度曲线及 对应点的温差曲线。本工程测试共得有效曲线 3 2根， 其中 3 号 点混凝土中间温度最高达 8 1 5， 6号点温差最大达 3 4 4。 相关温度曲线如图 3 1 0 。 2 4温度 变化规律 从 3 2根温度变化曲线可以看出具有以下特点 ： 1 3 6 图 1 混凝土温 度测点布置平面图 ( 1 ) 混凝土温升时间快， 曲线陡。 降温慢 ， 曲线平缓。 这说明 混凝土热胀过程时间短， 冷缩过程时间长。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 2数据 采集过程 时 间 ， d 图 3 3号点外侧温度随时间变化 的曲线 4 7 8 0 0 l 8 ： 时间 ， d 图 4 3号点内侧温度 随时间变化的 曲线 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 o 1 1 1 2 1 3 1 4 时 间 ， d 图 5 3号点 中间温度随时间变化的曲线 4 时间 ， d 图 6 3号点中间温度和外侧温度之差随时间变化的曲线 1 1 2 4 1 o 蠢 2 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 o 1 1 1 2 1 3 1 4 时 间 d 图 7 3号点中间温度和内侧温度之差随时 间变化的 曲线 6 0 50 40 30 赠 2 0 1 0 o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 o l 1 l 2 1 3 1 41 5 1 6 时间 ， d 图 8 6号点外侧温度随时间变化的曲线 ； 8 6 5o 0 ： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 13 14 l 5 16 时间 ， d 图 9 6号点中间温度 随时间变化的 曲线 ( 2 ) 大部分点的温度曲线走势如同3号点， 变化很规则。小 部分点的温度曲线走势如同6号点， 变化波动大。 这是因为 3号 6 时I司， d 图 1 0 6号点中间和外侧温 度之差 随时 间变化的 曲线 点所在位置受外界温度变化小 ， 6号点所在位置受外界温度变 化大 。 ( 3 ) 大体积混凝土温度最高点在构件的中部 ， 外恻温度最 低， 内恻次之。因为外侧散热快， 内侧散热慢。这样形成中外温 差较中内温差大。 ( 4 ) 混凝土浇筑后一般 2 3 d内， 内部温度就达最高点。个 别点由于外部保温作用内部温度最高点要到第 4天才出现。 ( 5 ) 在被测试 的 2 1 个点 中， 温差大于 2 5有 3处。埋在混 凝土构件中部 9个点温度最高超过 7 5有 6 个 ，数值超出大 体积混凝土施工规范。 3 混凝土温度 变化 引起的应力分析 混凝土硬化过程中， 如前分析经历了较短时间热胀和较长 的冷缩两个阶段。随着水泥水化的进展和表面缓慢的散热， 混 凝土内外温差达到最大值 后 ， 逐渐下降直到内外温差持平。 规范规定 A T应控制在 2 5以内， 否则混凝土就可能产生裂缝。 混凝土硬化过程中由热胀变为冷缩，强度和弹性模量逐渐提 高， 应力变化复杂。在热胀阶段混凝土初期的弹性模量相对较 低， 产生应力较小， 抵抗变形能力较强， 相对不易产生裂缝 ， 在 冷缩阶段混凝土后期弹性模量和强度相对提高， 混凝土降温收 缩的约束越来越强， 产生的温度拉应力较大， 容易产生裂缝。针 对本工程温度检测相关数据， 以下对混凝土硬化过程中前 l 7天 的应力变化情况进行计算分析。 3 1 混凝土温度变化 引起 的应 力计算 3 1 1 混凝土自约束的应力计算 本工程中的混凝土墙体厚度最大达 2 2 m， 高度为 6 2 m。 在墙体的中心部位， 混凝土内部应力受周边影响很小 ， 主要由 温度变化产生 自约束引起。根据检测数据 ， 该工程内外温差最 大发生在 6号测点部位， 其值达 3 4 4。 该点在混凝土墙上离地 1 6 m处 ， 墙厚为 2 1 0 0 IT l l n ， 依据图 1 0混凝土温差曲线 ， 利用 式( 3 ) ( 5 ) 、 ( 9 ) ， 对其横断面中心处的温差产生的自约束应力 进行计算如表 2所示。 3 1 2 基底约束引起的应力计算 本工程墙体基底为 C 4 0钢筋混凝土， 墙高 6 2 m， 3号测处 墙长为 1 4 m， 高长比0 2 ， 故计算高度取 H= 0 2 L = 2 4 m， 地基 水平阻力系数 1 5 N mm ， 依据图 5混凝土温度曲线 ， 利用 式( 6 ) ( 9 ) ， 基底约束引起的应力计算如表 3所示。 3 2 应力计算数值的分析 本实例工程的应力计算以 1 d为时间段， 对混凝土硬化过程 中前 1 7天的应力变化进行计算。计算结果 O r t 为负值表示混凝 土处于压应力状态 ，相反 为正值表示混凝土处于拉应力状 态， 数值大小代表应力大小。混凝土温度变化和混凝土徐变是 随时间连续进行，因此 计算值与混凝土内部实际O f t 值有一 定的偏差。但对于混凝土冷缩应力， 由于温度变化曲线平稳 ， 此 偏差值可以忽略不计。 在混凝土自约束应力进行计算中于第 1 3 天 出现 O t Rf ( 7 ) ， 说明此时混凝土抗拉强度不足， 混凝土内部出 】 37 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 混凝土自约束的应力计算表 T d E , MP a AT * C 1 - 1 C h ( 2 ) A o - MP a MP a Rf ( z ) MP a 上接第 1 3 4页 均匀沉降现象。 ( 3 ) 下游消力池等过流结构在水流的冲刷作用下发生磨蚀 损坏。 ( 4 ) 水上( 大气中) 钢筋混凝土结构混凝土外观缺陷十分明 显， 如顺筋裂缝 、 露石露砂、 钢筋锈蚀 、 混凝土剥落破损等 ， 局部 已十分严重。 ( 5 ) 钢筋混凝土结构的混凝土强度、 碳化深度和保护层厚 度等参数抽样检测结果的离散性较大， 表明马山闸建造时的混 凝土质量不均匀， 施工质量较差。 ( 6 ) 水闸水上( 大气中) 部位钢筋混凝土结构破损、 耐久性 不足的主要原因是混凝土质量控制不严 ， 偏筋严重， 局部钢筋 的保护层厚度不足； 局部混凝土碳化深度超过保护层厚度， 导致 钢筋锈蚀胀裂。 ( 7 ) 公路桥桥梁 、 启闭机大梁、 胸墙、 外江侧立柱、 工作桥桥 1 3 8 现裂缝。 在混凝土基底约束引起的应力计算中， o r R r( z ) ， 说明 混凝土抗拉强度足够。同时根据温度变化曲线和应力变化趋 势， 混凝土在 1 7 d以后抗拉强度均大于混凝土冷缩应力， 混凝 土不会产生温度裂缝 。 以上计算数值， 出现一种特殊情况， 温度继续变化 ， 但应力 变化很小或出现负增长， 这是由于混凝土徐变引起的应力松弛。 因此控制降温速率， 温度应力就可以控制， 温度裂缝可以避免。 可以分析， 当降温速率达到 4C d时， 就可能出现混凝土的即 时拉应力超过抗拉强度的情况， 说明大体积混凝土工程施工技 术规程规定降温速率不宜大于 3 d 是科学合理的。 4结语 由于地方材料的限制 ， 本工程中混凝土配合比的水泥采用 普通硅酸盐水泥 ， 致使混凝土的温度和温差偏大， 结构可能产 生温度裂缝。大体积混凝土结构应首选采用矿渣水泥 、 火山灰 水泥、 粉煤灰水泥等低热水泥品种 ， 并应根据混凝土配合比进 行混凝土内部最高温度和内外温差计算， 控制各个温度指标在 规范以内。在混凝土硬化阶段应采取保温 、 保湿养护， 严格控制 降温速率。通过对大体积混凝土硬化过程的应力计算， 量性地 分析了混凝土温度变化和混凝土产生裂缝的对应关系， 为大体 积混凝土温度控制提供理论依据并对大体积混凝土施工起指 导作用。 参考文献 ： 1 1 D B 3 3 T 1 0 2 4 -2 0 0 5 ( J 1 0 6 5 5 -2 0 0 5 ) ， 大体积混凝土工程施工技术 规程 s 1 中国建筑工业出版社， 2 0 0 5 2 l王铁梦 工程结构裂缝控制【 M 1 C 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 6 【 3 曲德仁 混凝土工程质量控S U M 中国建筑工业出版社， 2 0 0 5 【 4 冯乃谦， 顾晴霞， 郝挺字 混凝土结构的裂缝与对策 M 】 E 京 机械工 业出版社 ， 2 0 0 6 【 5 】 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范【 s 】 北京： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 2 作者简介： 林永秋( 1 9 6 7 一 ) ， 男， 工程师。 单位地址： 温州大学( 茶山校区) 校产与后勤管理处基建科( 3 2 5 0 3 5 ) 联 系电话 ： 0 5 7 7 8 6 6 8 0 7 7 6 梁等部分构件钢筋锈蚀胀裂严重， 需进行维修加固处理。 参考文献： 【 1 】 李为杜混凝土无损检测技术【 M J 上海： 同济大学出版社， 1 9 9 5 ： 1 2 9 - 1 3 5 【 2 王巧平 ， 吴胜兴 无损检测技术在锈蚀混凝土结构中的应用探讨 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 2 3 2 5 3 张誉， 蒋利学， 张伟平 ， 等 混凝土结构耐久性概论【 M 】 上海 ： 上海科 学技术出版社， 2 0 0 3 ： 1 5 6 1 6 3 4 1 柏宝忠， 王以仁 影晌水工建筑物耐久性的主要因素及预防对策 水利水电技术， 2 0 0 4 ( 1 0 ) ： 7 2 7 4 作者简介 单位地址 联 系电话 刘超英( 1 9 5 8 一 ) ， 男， 硕士， 教授级高级工程师， 主要从事水 工结构及岩土工程研究工作。 杭州市凤起东路5 0 号 浙江省水利河口研究院0 1 0 0 2 0 ) 0 5 7 l 一 8 6 4 3 8 0 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m