大体积混凝土施工的养护措施及温度应力计算.pdf

1 3 6 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文 章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 8 - 0 1 3 6 - 0 3 大体积混凝土施工的养护措施及温度应力计算 王 潇 洲 ( 广东交通职业技术学 院， 广州5 1 0 6 5 0 ) 摘 要 ： 本 文 以某 大厦筏基 整体 浇 筑温控 施 工为例 ， 阐述 了大体积 混凝 土在施 工 方案 阶段 应做 的温度控 制 和温度应力试算分析工作。应用关于温度变化和混凝土收缩引起 的混凝土结构裂缝控制理论， 对大体 积 混凝 土筏 基进 行 了温控指 标 的测 算和 温度应 力计 算 ， 为筏 基 的顺 利 施 工提 供 了理论 依 据 。采 用 的混 凝土表面贮水蓄热保温养护措施 ， 是保证大体积混凝土筏基施工质量的关键 。 关 键词 ： 大体 积混 凝土筏基保 温 养护技 术措 施 温 度应 力 中图分 类号 ： T U 5 2 8 ． 1 文献标 识 码 ： A 大体积混凝土 是指混凝土结 构物实体最小几 何尺寸不小于 1 m的大体量混凝土 ， 或预计会因混凝 土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害 裂缝产生的混凝土。保温养护是大体积混凝土施工的 关键环节。保温养护的主要 目的是通过减少混凝土表 面的热扩散 ， 从而降低大体积混凝 土浇筑体 的里外温 差值 ， 降低混凝土浇筑体 的 自约束应力 ； 另外， 降低大 体积混凝土浇筑体的降温速率 ， 延长散热时间 ， 充分发 挥混凝土强度的潜力和材料的松弛特性 ， 以提高混凝 土承受外约束应力时的抗裂能力 ， 达到防止或控制温 度裂缝的 目的。因此 ， 选择一种有效的保温保湿养护 方式以及采取综合的施工技术措施 ， 是控制混凝土内 表温差和混凝土 内部温度应力 ， 保证大体 积混凝土结 构施工 质 量的关 键 。 1 工程概况及技术措施 1 ． 1工程概 况 广东某综合大厦 的2 8层主体塔楼采用筏板基础， 筏基底板 面积 为2 0 6 0 I n ， 板 厚 2 ． 2 I n ， 最 大尺寸 为 5 8 ． 5 I n 4 5 ． 5 m； 筏板下设 2 1 5根直径为 1 ． 0 I n的挖 孔短 桩 。混凝 土 为 C 3 5 ， S 8泵 送 商 品 混 凝 土 ， 设 计 要 求筏板沿高度一次浇筑 ， 水平方 向不设后浇带。筏板 混凝土浇筑量超过4 5 0 0 i n ， 属于大体 积混凝土结构 施工 。 1 ． 2主要 技术措 施 1 ． 2 ． 1 混凝 土原 材料 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 1 - 1 7 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 1 — 0 5 - 1 5 基金项 目： 广东交通厅科技项 目( 2 0 0 7 ． 9 ) 作者简 介： 王潇洲 ( 1 9 6 5 一) ， 男 ， 河南武陟人 ， 副教授 ， 硕士。 水泥选用 5 2 5号硅酸盐 Ⅱ型水泥 ， 可提高抗硫酸 盐侵蚀性能并降低放热速率。掺合料采用珠江电厂的 I 级磨细粉煤灰 。掺加适量 U E A膨胀剂 ， 从材料角度 提高 了混凝土抗裂能力。中砂 的含泥量控制在 2 ％ 以 内 ， 5～ 4 0 m m 碎石 的含 泥量控 制在 1 ％ 以内 。 1 ． 2 ． 2混 凝 土 配 合 比 水： 水 泥 ： 砂 ： 石 子 ： 粉煤 灰 ： U E A型 膨 胀 剂 ： D L 一 3 型缓 凝剂 =1 7 9 ： 2 9 8 ： 7 5 7 ： 1 0 4 6 ： 6 0 ： 4 0 ： 3 ． 9 8 (k g ／ m ) =0 ． 6 01 ： 1 ． 0： 2． 5 4： 3． 51 ： 0 ． 2 01 ： 0 ．1 3 4： 0 ． 01 3。 1 ． 2 ． 3 浇 筑 方 法 混凝土的浇筑按混凝土 自然流淌坡度、 斜面分层 、 连续 逐层 推移 、 一 次 到顶 的方 法 进行 。浇 筑 方 向沿 横 向( 短向) 进行 ， 每次浇筑工作面不超过 3 m， 混凝土分 4层浇筑 ， 厚 5 5 0 m m。在混凝土 浇筑至高程时 ， 用 刮 尺刮平多余浮浆 ， 用铁滚筒滚压 2～3遍 ， 控制好终凝 前混凝土表面的二次抹光 ， 以防止表面龟裂。收头时 间控制在 1 ． 5 h内， 然后再实施保温保湿养护措施。 1 ． 2 ． 4混凝 土筏基 测 温控 制 筏基底板均匀布置 1 5个测温点， 每个测温点沿垂 直方 向有 1 组 4个测温数据 ( 见 图 1 ) ， 包括空气 温度 ( A) ， 混凝土表面温度 ( B) ， 中心温度 ( c) ， 底部 温度 ( D) 。混凝土浇筑后 ， 温度上升 阶段每 2 h测温 1次 ， 持续测温 3～ 4 d ， 待温度下降后， 每 8 h测温 1 次。根 据事先确定的温控指标和监测数据指导养护工作 。 2 筏基 养护措 施的温控分 析 2 ． 1 筏 基的贮 水 蓄热 养护措 施 经综合分析 比较 ， 本筏基采用混凝 土表面贮 水蓄 热保温保湿养护措施 ， 如图 2所示。较之草袋养护等 其它养护方法 ， 具有施工简单 、 保温材料水资源丰富等 2 0 1 1 年第 8期 大体积混凝土施工 的养护措施及 温度应力 计算 l 3 7 贮水池挡 石灰 保温层 大气层测温点 (A ) ／ ＼ 0( B1 2— 一 0 混凝十内测温点 8 -_ 7 ) 7— r 0 ~ - q 8 一 0 ( D)＼ 殳 一 1 衽 形基 础 雇 板 湄 I 勰 十 图 1 测温断面测点布置 ( 单位 ： m m) 塑料薄膜剧边用重物压牢 — ] ／ 贮 水 。 m m 高 厂 ] 一 ，． 。 7， | _ 一 ： ： ． 。 ’．? ． r 筏形基硎 砌筑 ， 2 0 0 0 图 2 混凝土表面贮水保温保湿养护示意图 ( 单位 ： m m) 板 优点 ， 明显降低 了施工成本。 在终凝后的混凝土表面用砖砌筑贮水 池， 分格贮 水。各贮水池长 3 ． 0 m、 宽 2 ． 0 m、 高 0 ． 0 7 m， 贮水 高 度为 0 ． 0 5 m。贮水的 目的是利用水对混凝土进行养 护 和蓄热 ， 在混 凝 土表 面形成 一道 保温 屏障 ， 再在 贮水 池上 面覆 盖一 层 厚 0 ． 5 mm 的 塑料 薄膜 ， 塑 料 薄 膜 一 方面防止水分蒸发和热量散失 ， 另一方面利用贮水池 水面与塑料薄 膜之间架空 层 ( 约厚 5 m m) 的空气保 温， 并且隔离了外界雨水和大气温度的变化对贮水池 水温的直接影响。最后养护 1 4 d 。1 4 d后 ， 继续保持 昆 凝 土表 面湿润 。 2 ． 2 贮 水 蓄热 养护措 施 的温控 分析 2 ． 2 ． 1 混凝土筏基 中心最高温度 ⋯ T ⋯ = i+ h 式 中 ， 为人模 温 度 ， 3月上 旬取 2 6 o C； T h =wq ／ ( C y ) 为混凝 土内部最 高绝热升温值 ， 其 中， 水泥用量 = 2 9 8 k g ／ m ， 5 2 5号水 泥水化 热 q= 4 6 1 k J ／ k g ， 混 凝土 比 热 c= 0 ． 9 7 k J ／ ( k g ℃) ， 混凝土密度 =2 4 0 0 k g ／ m’ ； 散热系数 = 0 ． 6 3 。则 T ⋯ =6 3 ． 1 8℃ 2 ． 2 ． 2 混凝土筏基表面温度 ( t ) ( ￡ ) = +( 4 ／ H ) h ( H —h ) at ( t ) 式中， 为大气环境温度 ， 取 2 2℃， 则 △ ( t )=T m 。 一 T = 4 1 ． 1 8℃； 为计算厚度( m) ， 按单面暴露于空气的 平板看待 ， H=h+h ； 而 h =k A 为混凝 土虚拟厚度 ( m) ， A为混凝 土 的导热 系数 ， 取 2 ． 3 3 W／ ( m K) ； 折减 系数 K取 0 ． 6 7 ； 为保温层的放热系数 [ w／ ( m K) ] ， 口值按下式计算 卢： = _ _ — > 8 i／A + 1 式 中， 6 为第 i 层保温材料厚度( m) ， A i 为第 i 层保温 材料的导热系数 [ w／ ( r n K) ] ， 卢 为空气层 的传热系 数 ， 可取 2 3 ． 0 [ w／ ( m K ) ] 。 2 ． 2 ． 3 混凝土筏基温控分析及结论( 表 1 ) 表 1 筏基里表温差及温控分 析表 3温 度应 力计算 3 ． 1 混 凝土筏 基 的综合 降温 差增 量 3 ． 1 ． 1 各龄期混凝土的温度升降 ( t ) 推算 预计筏基 中心在第三天温度 升到最高值 ( 6 3 ． 1 8 ℃) ， 推算出3 0 d各龄期( 台阶步距为3 d ) 的降温曲线 图 ， 各龄期降温差的增量 △ T m ( f ) 见 图 3 。 图 3 筏 基 中心 降 温 曲线 图 3 ． 1 ． 2 各龄 期 混凝 土的 收缩 当量 温差增 量 △ ( t ) 各龄 期混凝 土 的收 缩值 由 ( t ) = ： ( 1一 l 0 e 叭 ) 兀 计算。 式中， ? 为混凝土最终收缩值， 取 =1 1 0 3 ． 2 4 1 0 一； 兀 为考虑各种非标准条件的修正系 =1 l 0 数， 由 表2 求得 丌 = 0 ． 4 5 。 由此， 混凝土的收缩当 i = l 量温 差 ( t )= ( t ) ／ =1 4 ． 5 8 ( 1一e 叭 ) ， 混 凝 土 的线膨胀系数 ：1 ． 01 0 ／ c 【 = 。 1 3 8 铁道建筑 表 2 非标准条件的修正 系数 修正系数值 影响因素 修正 系数值 影响因素 Ml ：1 ． 0 0 硅酸盐水泥 M6= 0 ． 9 3 养护时间为 3 0 d M2 =1 - 3 5 水泥 比表 面积 4 0 0 11 1 ／ k g M7= 0 ． 5 4 相对湿度 >9 0 ％ M3 =l _ 0 0 花 岗岩骨料 Ms= 0 ． 5 4水力半 径倒数 为 0 ． 0 0 1 c m一 M4 =1 ． 4 2 水灰 比为 0 ． 6 0 1 M9=1 ． O 0 机械振捣 M5 =1 ． O 0 水泥浆含量为 2 0 ％ Ml o=0 ． 8 6 E F { ／ ( E F )=0 ． 0 5 注 ： E ， F 分别为钢筋的弹性模量 和横 截面面积 ； E ， F 分别 为混凝 土 筏 基的弹性模量 和横截面面积 。 则各龄期混凝土的收缩当量温差增量 △ ( t ) 为 △ ( t )=1 4 ． 5 8 [ e 加叭 一e 叭 ‘ ” 。 ] ( =3， 6， ⋯⋯ ， 2 7， 3 0) 3 ． i ． 3 混 凝 土筏 基 的综合 降 温差增 量 A T ( t ) A T ( t )=△ ( t )+△ ( t ) ， 可求得 台阶步距为 3 d的混 凝 土综合 降温 差增 量 ( 见 表 3 ) 。 3 ． 2温度 应 力 计算 = ∑o r x ( ) i= 1 ∑△ ( ) E ( t ) ( f ) R ( f ) 1 一 式中 ， =1 ． 01 0。／ ℃， 泊松 比肛= 0 ． 1 5 ， 各龄期混凝 土 弹性模 量 ( t )= B E 。 ( 1 一e ‘ ) ， 其 中 为混凝 土 中 粉煤灰掺量为 2 0 ％时所对应的弹性模量调整系数 ， 取 0 ． 9 9。 已知 C 3 5混凝 土 E 。 =3 ． 1 51 0 MP a ， 求 得各龄 期混凝土弹性模量 ； ( t ) 为各龄期混凝土应力松 弛系 数 ， 可查有关文献 。 ( 见表 3 ) 。 表 3 混凝 土温度应 力及参数计 算 3 ． 2 ． 1 混凝土外约束的约束 系数 R ( t ) R ( t ) = 1一— — — — — — — = 工_ = = = = — — — 一 ⋯ h [ √ ] 式中， 地基水平阻力系数 C 取 8 ． 51 0 N ／ m m ， 筏 基厚 H=2 2 0 0 m m， 筏 基 最 大长 度尺 寸 L=5 8 5 0 0 m m， 得各龄期混凝土的约束系数 R ( ) ( 见表 3 ) 。 3 ． 2 ． 2混凝土温度应力计算( 表 3 ) 总降温产生的最大拉应力 o r ⋯ 为 n ⋯ = > ( )=0 ． 0 4 5+⋯ + 0 ． 1 2 6=1 ． 2 6 4 M P a 3 ． 2 ． 3混凝 土筏基 防裂性 能判 断 混凝土控制温度裂缝的条件为 o r ≤A ( t ) ／ K C 3 5混凝土的抗拉强度标准值 =2 ． 2 0 MP a ， 掺 2 0 ％ 粉煤灰 的强 度影 响系数 A =1 ． 0 3 ； 其 实 际 抗裂 安 全 系 数 K=1 ． 0 32 ． 2 0 ／ 1 ． 2 6 4=1 ． 7 9>[ K]=1 ． 1 5 。满 足 “ 混凝土一次整体 浇筑， 不 留置后浇 带” 的抗裂 没计 要求 。 本 筏基 采用 的表 面 贮 水 蓄 热保 温 保 湿 养 护措 施 ， 同样也延缓 了混凝土内部的降温速率 ， 有利于控制混 凝土内部的收缩裂缝。所以 ， 降温和收缩 引起 的温度 应力得 到 了有效 控制 。 4 结 语 本文 阐述 了大体 积混 凝土筏 基 在施 工方 案 阶段 应 做的试算分析工作。对大体积混凝土筏基在浇筑前进 行温度、 温度应力的验算分析 ， 其 目的是为了确定温控 指标 及制 订温 控施 工 的技 术 措 施 ， 以防 止 或控 制 有 害 裂缝的发生 ， 确保大体积混凝土筏基 的施工质量。 本筏基施工及养护期 间的测温记录显示 ， 混凝土 中心最 高温 度达 到 6 2 ． 5℃ ， 内表 最大 温差 为 2 0 ． 2 o C， 与计算值基本符合 。本筏基采用的混凝土表面贮水蓄 热保温保湿养护措施 ， 不仅有效地控制 了混凝土内表 温差始终在规定允许值范围内， 而且延缓 了混凝土内 部的降温速率， 有利于控制混凝土内部 的收缩裂缝 ， 是 保证大体积混凝土筏基施工质量的关键性施工措施。 参 考 文 献 [ 1 ] 中华人 民共和 国建 设部． G B 5 0 4 9 6 --2 0 0 9 大 体积 混 凝土 施工规范[ S ] ． 北京 ： 中国计划出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ] 王铁梦． 工程结构 裂缝控 制 [ M] ． 北京 ： 中国建 筑工业 出版 社 ， 1 9 9 7 ． [ 3 ] 齐有军． 大体 积混 凝土结 构裂 缝控 制探 讨 [ J ] ． 铁 道建 筑 ， 2 0 0 6( 3) ： 9 7 — 9 8 ． [ 4 ] 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 ． [ 5 ] 吴叶莹． 大体积混凝土施工 期温 度裂缝计 算分析 [ J ] ． 铁 道 建筑 ， 2 0 0 7 ( 9 ) ： 1 0 5 — 1 0 7 ． [ 6 ] 中华人 民共 和 国建 设 部． G B 5 0 2 0 4 --2 0 0 2 混凝 土结 构 工 程施 工及 验收规范[ s ] ． 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 ． ( 责任 审编 自敏华)