预制混凝土沉箱早期温度裂缝控制.pdf

文章编号:0451-0712(2007)10-0071-04中图分类号:U443.13文献标识码:B预制混凝土沉箱早期温度裂缝控制张建初,王艳华(中国路桥工程有限责任公司北京市100011)摘要:介绍混凝土温度裂缝产生的机理,并探讨了大体积混凝土结构早期温度裂缝的影响因素。通过工程实例,对不同混凝土试样在温升量测试验(T RET)中温度和变形方面的试验结果进行比较和分析,提出了预制大体积混凝土沉箱早期温度裂缝的控制措施。关键词:大体积混凝土;预制;沉箱;水化热;温升量测试验;温度梯度;温度控制裂缝会影响混凝土结构的外观、整体性、防水性和耐久性,因此,有效地控制温度裂缝宽度至关重要。实际上,早期温度裂缝可以通过适当的施工方法和措施加以控制。在大体积混凝土中,控制裂缝的措施包括:采用低水化热的混凝土如掺粉煤灰(PFA)或高炉矿渣(GGBS)的混凝土,以及使用模板保温等。借助于温升量测试验(T RET),可以找到一套有效的适合于工程施工的早期温度裂缝控制措施,从而选择合适的混凝土配合比、保温养护方法、脱模时间和混凝土浇筑温度等。通过分析比较不同混凝土配合比和保温养护方法的混凝土试样温升量测试验结果,提出了预制大体积混凝土沉箱早期温度裂缝的控制措施。该工程中的预制混凝土沉箱长20 m,宽20.3 m,高9.5 m,预制混凝土泵房长36.5 m,宽39.5 m,高9.5 m,底板厚1.1 m,单次混凝土浇筑体积高达2 200 m3。混凝土裂缝宽度要求不超过0.2 mm。1温度裂缝的分析1.1胶体材料水化热释放量1.1.1水泥对于早期温度裂缝控制,不仅要考虑水泥所释放的水化热总量,而且要考虑水化热的释放速度。水泥早期水化热释放速度取决于C3S 和C3A 的含量、水泥颗粒细度和水灰比。对于425 号硅酸盐水泥,水化热释放量约为470 J/g,13 d 内释放出一半的水化热,7 d 内释放出3/4 的水化热。1.1.2粉煤灰粉煤灰具有颗粒小、呈圆形的特点,其中的SiO2极易和Ca(OH)2产生化学反应,形成胶体材料,减少水化热的产生。粉煤灰水化热释放量约为209 J/g,但缺点是早期强度低。收稿日期:2007-06-05施工防水层。在防水工程完工后,若天气较炎热,完工的防水层应在48 h 内用干净的清水养护,以防止涂层脱水。养护期间,不得在防水层上堆放任何物品或进行其他施工。防水工程完工 48 h 后,才可进行回填或进行下一道工序施工。施工现场通风不良时,应采取通风措施,加速空气流通,保证防水层正常干固。施工环境温度宜在5以上,且不得在雨天或未来6 h 有雨的天气进行室外施工。5经验与体会目前,本工程施工已经完成并投入正常使用,施工过程及运营使用中,均未出现影响结构安全的有害变形与裂缝,而且防水完全达到“不滴水、不漏水、不渗水”的效果,实践证明采用的设计思路及结构分析方法是合理、可行的,类似工程可以借鉴。参考文献:1JTG D702004,公路隧道设计规范 S.2云南省公路规划勘察设计院.国道 214 线中甸至松园桥二级公路区畦迪至松园桥段K70+000K84+150冲江河明槽施工图设计 Z.2005.公路2007 年10 月第10期 HIGHWAYOct.2007No.101.1.3高炉矿渣高炉矿渣组成类似于硅酸盐水泥,但早期水化热释放速度很慢,有利于降低最高温度峰值。其水化热释放量约为461 J/g。1.1.4硅粉硅粉性质类似于粉煤灰,但因其颗粒更小,早期水化热释放速度快,早期强度高。其水化热释放量约为470 J/g。1.2升温预测值计算通过计算每一种胶体材料水化热释放量,汇总可得到引起升温的水化热总量,其计算公式为:升温预测值T=水化热总量混凝土密度比热容量式中:比热容量=1.3 kJ/(kg)。1.3温度应变温度应变 Eth由两部分组成:一部分是因水化热引起的早期温度应变;另一部分是季节降温所引起的长期温度应变。早期温度应变可用下式表示:E=0.8A$T式中:A为混凝土线膨胀系数;$T 为降温差。当混凝土的边界受到外界的约束时,由温度应变所引起的裂缝几乎不可避免。早期混凝土的容许拉应变介于10010-6和25010-6之间。1.4温度裂缝的影响因素减少混凝土早期温度裂缝,可以从两个方面着手:一是降低温度上升幅度和温度梯度;二是减小混凝土线膨胀系数。混凝土线膨胀系数同骨料有关,不太容易改变。因此,减少温度裂缝最为有效的方法是降低温度上升幅度和温度梯度。影响温度上升幅度和温度梯度的因素主要有:(1)胶体材料的类型;(2)混凝土拌和及浇筑温度;(3)混凝土表面的保温;(4)施工缝的边界约束。1.4.1胶体材料的类型不同类型的胶体材料,所释放的水化热总量和水化热释放速度不同,水泥的水化热总量大于其他类型胶体材料如粉煤灰和高炉矿渣的水化热总量。因此,利用粉煤灰和高炉矿渣替代部分水泥,可以大大降低混凝土最高温度峰值。1.4.2混凝土拌和及浇筑温度混凝土的拌和温度影响新鲜混凝土的出厂温度,出厂温度越高,混凝土的水化热释放越快,内部温度也就越高。为降低混凝土内部温度,通常采用如下方法:(1)选择夜间或早晨拌和混凝土;(2)喷水降低骨料温度;(3)拌和混凝土时加冰水;(4)拌和混凝土时加冰。1.4.3混凝土表面的保温混凝土表面采用保温措施的目的不是约束混凝土温度上升,而是为了控制混凝土温降速度,以减小由于混凝土表面与内部之间的温度梯度而出现的温度应力。1.4.4施工缝的边界约束钢筋混凝土结构每道施工缝都是一个边界约束,新浇筑混凝土受到老混凝土的约束,增加了混凝土产生早期温度裂缝的可能性。当新浇筑混凝土仍处于浇筑初期时,释放出大量水化热,新老混凝土之间产生明显的温度应变差,水化过程使得新浇筑混凝土温度上升、体积膨胀。在浇筑初期,混凝土的弹性模量很低,基本上处于塑性或弹塑性状态,不产生内部应力,但浇筑后12 d,内部温度达到最高值,随后温度开始下降,引起混凝土体积收缩,同时随着混凝土龄期增长,混凝土开始呈现脆性。在新浇混凝土收缩期间,老混凝土的温度变化趋于相对稳定,不会和新混凝土同步收缩。在施工缝附近区域,老混凝土约束新混凝土收缩,造成了老混凝土受压,新混凝土受拉。当拉应力超过混凝土抗拉强度,施工缝处首先产生裂缝,并延伸至新混凝土结构内。2温升量测试验为了研究不同混凝土配合比、不同保温养护方法对混凝土内部温度发展的影响,以便制定预制大体积混凝土沉箱早期温度裂缝的控制措施,满足混凝土结构的抗渗要求,在施工之前准备了 4 组混凝土试块进行温升量测试验。获取的试验数据包括:最高温度峰值、内部温度梯度和不同温度下的混凝土应变。2.1试样混凝土配合比用于温升量测试验的配合比有两种类型(见表1),两者的胶体材料含量、水灰比和坍落度相同,分别为450 kg/m3、0.38 和150 mm。其中A 配比水泥用量多,掺入的粉煤灰用量为胶体材料的26%;B 配比水泥用量少,掺入的高炉矿渣用量为胶体材料的60%。两者都掺入了同样用量的硅粉。72 公路 2007 年第 10 期表 1试样混凝土配合比kg/m3配比类型水泥 粉煤灰高炉矿渣硅粉外加剂L/m3粗骨料 细骨料水A310115-2551 085675170B155-2702551 0856751702.2试样保温养护方法试验中采用了2 种保温养护方法,2 组A 配比试块和2组B 配比试块混凝土表面分别覆盖膨胀多苯乙烯保温材料(300 mm 厚)和帆布。2.3试验方法混凝土内部温度用热电偶计读取,混凝土应变用应变仪读取。热电偶计设在混凝土内部不同位置,固定在钢筋上,每隔 60 min 自动读取温度。热电偶计布置见图1。单位:mm图1热电偶计布置示意2.4试验结果分析2.4.1温度随龄期的变化不同混凝土配合比和保温养护方法的混凝土试块温度随龄期的变化见表2。表2温度上升和温度梯度的比较试块编号配比类型保温方法最高温度峰值/温度上升/温度梯度/温度梯度小于10所需时间/h1A多苯乙烯71.341.35.11892A帆布72.442.49.4963B多苯乙烯66.236.25.21244B帆布62.532.57.796试验结果表明,A 配比试块(试块1 和试块2)的最高温度峰值为71.372.4,相对于浇筑温度,温度上升了约42;B 配比试块(试块3 和试块4)的最高温度峰值为62.566.2,相对于浇筑温度,温度上升了约36。也就是说,掺粉煤灰的混凝土在最高温度峰值和温度上升方面要比掺高炉矿渣的混凝土高。另一方面,由试验结果可以看出,用膨胀多苯乙烯材料保温的试块温度峰值高,温度梯度低;相反,用帆布保温的试块温度峰值低,温度梯度高。尽管用帆布保温的试块温度梯度高,但仍能控制在允许的10以内。至于降至温度梯度小于10所需时间,用帆布保温的试块约需4 d,而用膨胀多苯乙烯材料保温的试块约需5 d。对于工程施工,尽快降低温度梯度非常重要,因为它影响到拆模时间。水化热引起的混凝土内部温度上升和不同截面的温差与诸多因素有关,如混凝土配合比、构件厚度、模板和保温、环境温度等。从试验结果可以看出,水泥用量对混凝土内部温度上升影响很大,水泥用量的增加会产生更多的水化热,从而加剧混凝土内部温度的上升。相反,在混凝土中掺入高炉矿渣,由于高炉矿渣早期水化热释放速度比水泥和粉煤灰慢,混凝土最高温度峰值和温度上升值得到了降低。值得注意的是,混凝土的保温对最高温度峰值和温度梯度有很大影响,混凝土保温越好,因热量保持时间较长而导致温度峰值越高,同时因截面温差减小而使温度梯度降低。2.4.2应变随龄期的变化混凝土浇筑后,连续7 d 读取试块3 和试块4 混凝土内的应变值。试验结果显示,试块3 的最大压应变为1 03610-6,最大拉应变为2510-6;而试块4 的最大压应变为72210-6,最大拉应变为5810-6。可见两者的最大拉应变都不大,均小于早期混凝土的容许拉应变(介于10010-6和25010-6之间),因此,不会产生温度裂缝。根据试验结果可以看出,随着温度上升,混凝土内部膨胀大于外部膨胀,这种差异使得混凝土内部受压,外部受拉。当温度达到最高温度峰值时,内部受压应变接近最大,随后随温度下降而减小。在温度732007 年第10 期 张建初王艳华:预制混凝土沉箱早期温度裂缝控制下降过程中,混凝土收缩,随着内部温度下降至接近环境温度,内部收缩大于外部收缩,从而导致混凝土内部受拉,外部受压。此外还可以看出,用膨胀多苯乙烯材料保温的试块与用帆布保温的试块相比,压应变高,拉应变低,这与温度量测中温度峰值高、温度梯度低的结果相一致。3温度裂缝的控制措施依据温升量测试验结果所做出的分析,在预制混凝土沉箱和预制混凝土泵房的施工过程中,采取了以下温度裂缝控制措施。(1)选择掺高炉矿渣的混凝土。掺高炉矿渣的混凝土与掺粉煤灰的混凝土相比,最高温度峰值低,温度上升值也低,不易产生温度裂缝。(2)混凝土养护时用帆布保温和尽量推迟拆模时间。混凝土的保温对最高温度峰值和温度梯度有很大影响,帆布比膨胀多苯乙烯材料具有更好的保温效果,因此,在混凝土养护时,应选择用帆布保温。同时,由于模板本身也具有保温效果,推迟拆模直到混凝土内部温度峰值已发生,可降低混凝土温度梯度。上 述试验结果表明,混凝土浇筑后 4 d 开始拆模可确保温度梯度降至允许水平。(3)降低混凝土浇筑温度和选择合适的浇筑时间。混凝土浇筑温度直接影响温度峰值,浇筑温度越低,温度峰值越低,温度裂缝越不易产生。降低混凝土浇筑温度的有效措施包括:喷水降低骨料温度、拌和混凝土时加冰水或冰;另一方面,从温度随龄期的变化曲线上可看出,控制温度裂缝最合适的浇筑时间是日落时开始浇筑,次日早晨结束浇筑,这样一来,混凝土在日间开始初凝并释放水化热,有利于减小温度梯度。4结语大体积混凝土结构产生裂缝的原因有很多,但主要原因是水泥水化过程中释放大量的水化热所产生的温度应力超过混凝土的极限抗拉强度,所以如何控制预制大体积混凝土沉箱结构水化过程中温度上升、最高温度峰值和温度梯度,是预制混凝土沉箱能否产生早期温度裂缝的关键。通过温升量测试验,有助于在实际工程施工中制定出防止产生早期温度裂缝的最有效措施,如选择适当的混凝土配合比、保温养护方法、拆模时间、混凝土浇筑温度和浇筑时间等。结合多种控制措施,大体积混凝土的温度裂缝是可以避免的。参考文献:1Harrison T A.Early-Age Thernal Crack Control inConcrete,Report91 R.Construction Industry Re-search and Information 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