某承台大体积混凝土施工裂缝控制技术研究

摘 要:大体积混凝土施工是现代大型土木工程中的特种技术,工程技术人员必须从理论上认清制约大体积施工质量的基本原因。以工程实践为例分析了大体积混凝土温度应力形成机理,进行了大体积混凝土裂缝控制的施工详细计算,提出了切实可行的裂缝控制施工技术措施,对类似工程有一定借鉴作用。

关键词:承台;大体积混凝土;温度应力估算;裂缝控制技术

1　工程概况

      某特大桥全长1 433 m,主桥为(130 + 230 + 130)m预应力混凝土连续刚构,单箱单室,下部结构为16根24m长Ф230 cm的群桩基础,上接大体积分离式承台。单幅承台结构尺寸为18. 7m ×10. 2m ×5m,单幅承台混凝土方量为953. 7 m3 ,一次浇注完成。

2　承台混凝土温度应力简要分析

      大体积混凝土在硬化期间,水泥水化后释放大量的热量,使混凝土中心区域温度升高,而混凝土表面和边界由于受气温影响温度较低,从而在断面上形成较大的温差,使混凝土的内部产生压应力,表面产生拉应力(称为内部约束应力) 。

      当混凝土的水化热发展到3～7 d达到温度最高点,由于散热逐渐产生降温产生收缩,且由于水分的散失,使收缩加剧,这种收缩在受到基岩等约束后产生拉应力(称为外部约束应力) [ 1 ] 。

      由于所研究的承台支撑在16根小直径的群桩上,桩的横向刚度不大,所以承台受到的外约束并不大,所以只需考虑内部约束应力[ 2 ] 。温度应力在承台混凝土内的分布如图1所示。温度应力在承台

      综上所述,在承台大体积混凝土施工前,必须进行混凝土的温度变化,应力变化的估算,以确定养护措施、分层厚度、浇筑温度等施工措施,并以此来指导施工。

3　承台大体积混凝土裂缝控制的施工计算

3. 1　相关施工资料

(1)配合比。水泥:粉煤灰∶砂子∶碎石∶水∶NNO2Ⅱ减水剂= 1∶0. 136∶1. 84∶3. 11∶0. 48∶

0．01。

(2)材料。水泥:腾辉F032. 5级水泥;碎石:连续级配碎石(5～31. 5 mm) ;混合中砂:机制砂40%;河细砂60%;粉煤灰: Ⅱ级粉煤灰;外加剂:NNO2Ⅱ型缓凝减水剂。

(3)气象资料。相对湿度80%～82%;年平均气温17. 5～17. 6 ℃,最高气温40. 5 ℃,夏热期(5～9月份)平均气温20 ℃。

(4)采用自动配料机送料,装载机加料,拌和站集中拌和,混凝土泵输送混凝土至模内。

3. 2　混凝土最高水化热温度及不同龄期绝热温度计算

C = 369 kg/m3 ;粉煤灰32. 5水泥:水化热Q7d = 257 J /kg, Q28d = 222 J /kg(腾辉水泥厂提供的数据) ;

c = 0. 96 J /kg·k; ρ = 2 400 kg/m3。

(1)混凝土最高水化热绝热温升Tmax = CQ / cρ = (366 ×257) / (0. 96 ×2 400) = 40. 83 ℃。

(2) 3 d的绝热温升T(3) = Tmax (1 - e- 0. 3 t ) = 40. 83 ×(1 - e- 0. 3 ×3 ) = 24. 23 ℃,ΔT(3) = 24. 23 - 0 =24. 23 ℃。

(3) 7 d的绝热温升T(7) = 40. 83 ×(1 - e- 0. 3 ×7 ) = 35. 83 ℃,ΔT(7) = 35. 83 - 24. 23 = 11. 6 ℃。

(4) 15 d的绝热温升T( 15) = 40. 83 ×(1 - e- 0. 3 ×15 ) = 40. 38 ℃,ΔT(15) = 40. 38 - 35. 83 = 4. 55 ℃。

3. 3　混凝土各龄期收缩变形值计算

变形值计算公式为εy ( t) =ε0y (1 - e- 0. 01 t )M1M2 ⋯M10 。查表得: M1 = 1. 10,M2 = 1. 0,M3 = 1. 0,

M4 =1. 21,M5 = 1. 2,M6 = 1. 11 (1 d) , 1. 09 (3 d) , 1. 0 (7 d) , 0. 93 (15 d) ,M7 = 0. 7,M8 = 1. 4,M9 = 1. 0,M10 = 0. 895 。则有M1M2M3M4M5M7M8M9M10 = 1. 401 。

(1) 3 d收缩变形值εy (3) =ε0y (1 - e- 0. 03 ) ×1. 401 ×M6 = 3. 24 ×10- 4 ×(1 - e- 0. 03 ) ×1. 401 ×1. 09 =0. 146 ×10- 4 。

(2) 7 d收缩变形值εy (7) =ε0y (1 - e- 0. 07 ) ×1. 401 ×M6 = 3. 24 ×10- 4 ×(1 - e- 0. 07 ) ×1. 401 ×1. 0 =01307 ×10- 4 。

(4) 15 d收缩变形值εy (15) =ε0y (1 - e- 0. 15 ) ×1. 401 ×M6 = 3. 24 ×10- 4 ×(1 - e- 0. 15 ) ×1. 401 ×0193 =01588 ×10- 4 。

3. 4　混凝土收缩变形换算成当量温差

(1) 3 d龄期T( y) (3) = -εy ( 3) / a = ( - 0. 146 ×10- 4 ) / (1. 0 ×10- 5 ) = - 1. 46 ℃。

(2) 7 d龄期T( y) (7) = ( - 0. 307 ×10- 4 ) / (1. 0 ×10- 5 ) = - 3. 07 ℃。

(3) 15 d龄期T( y) (15) = ( - 0. 588 ×10- 4 ) / (1. 0 ×10- 5 ) = - 5. 88 ℃。

3. 5　各龄期混凝土模量计算

计算公式为E( t) = Ec (1 - e- 0. 09 t ) 。

(1) 3 d龄期E( 3) = 3. 0 ×104 (1 - e- 0. 09 ×3 ) = 7. 1 ×103 N /mm2。

(2) 7 d龄期E( 7) = 3. 0 ×104 (1 - e- 0. 09 ×7 ) = 1. 40 ×104 N /mm2。

(3) 15 d龄期E(15) = 3. 0 ×104 (1 - e- 0. 09 ×15 ) = 2. 22 ×103 N /mm2。

3. 6　混凝土的温度收缩应力计算

       混凝土强度换算公式为f( n) = f(28) lg n / lg28 ,混凝土抗拉强度计算公式为ft = 0. 23f2 /3

cu 。对于C30混凝土, f( 28) = 15 N /mm2。3 d龄期f(3) = f(28) lg3 / lg28 = 15 ×lg3 / lg28 = 4. 95N /mm2 , ft = 0. 23f2 /3

( 3) = 0. 23 ×4. 952 /3 = 0. 668

N /mm2。7d龄期f(7) = f( 28) lg7 / lg28 = 15 ×lg7 / lg28 = 8. 76N /mm2 , ft = 0. 23f2 /3

( 7) = 0. 23 ×8. 762 /3 = 0.98N /mm2。

      由于在七月份浇注承台混凝土,气温较高,假设入模温度To = 30 ℃, Th = 25 ℃。

(1) 3 d龄期H( t) = 0. 57, R = 0. 35, V = 0. 15。ΔT = T0 +23T( t) + Ty ( t) - Th = 30 +23×24. 23 +1146 - 25 = 22. 61 ℃, σ = - ( E( t) aΔTH( t) R ) / (1 - V ) = (7. 1 ×103 ×10 ×10- 6 ×22. 61 ×0. 57 ×0.35) / (1 – 0.15) = 0. 377 N /mm2 < (0. 668 /1. 15) = 0. 581 N /mm2。

(2) 7 d龄期H( t) = 0. 502, R = 0. 35, V = 0. 15。ΔT = 30 +23×35. 38 + 3. 07 - 25 = 31. 96 ℃,

σ = (1. 4 ×104 ×10 ×10- 6 ×31. 96 ×0. 502 ×0. 35) / (1 - 0. 15) = 0. 93N /mm2 < (0. 98 /1. 15) = 0. 852N /mm2。

      抗裂安全系数K = 0. 98 /0. 93 = 1. 05 < 1. 15。

4　裂缝控制的施工技术措施

      通过以上分析可知,承台基础在露天养护期间, 7 d龄期时,抗裂安全系数K值稍小于1. 15,此时混凝土有可能出现裂缝,因此,在设计配合比、混凝土施工过程及养护期间应采取一定措施,以减小混凝土表面与内部温差值,使得混凝土表面与混凝土内部温差小于25 ℃, σ/ (1. 15) < ft ,则可控制裂缝的不出现。采取如下措施:

(1)采用双掺技术。掺入粉煤灰和NNO2II型缓凝减水剂,粉煤灰掺入采用超量代换法,减水剂的缓凝时间15 h (通过实验室测定结果表明) ,延缓混凝土的初凝时间,延缓混凝土水化热峰值的出现。(2)通过技术性能比较,石灰岩碎石的线膨胀系数较小,弹模低,极限拉伸值大,据相关资料表明,在相同温差下,温度应力可减小50% ,能提高混凝土的抗拉强度,因此,选用石灰岩碎石作为粗骨料;控制骨料(砂、石)的含泥量,以减小混凝土的收缩,提高极限拉伸[ 3 ] 。

(3)严格控制混凝土的入模温度在30 ℃左右。选择在傍晚开始浇注承台混凝土,对粗骨料进行喷水和护盖;施工现场设置遮阳设施,搭设彩条布棚,避免阳光直晒;在水箱中加入冰块,降低拌和水的温度;在基坑内设一大功率的鼓风机进行通风散热。

(4)埋设6层冷却管,每层冷却管配一潜水泵,在第一批开始混凝土初凝时由专人负责往冷却管内注入凉水降温,冷却水流速应大于15 L /min,冷却水采用嘉陵江水,持续养生7 d。通过冷却排水,带走混凝土体内的热量,许多工程实践表明,此方法可使大体积混凝土体内的温度降低3～4 ℃[ 4 ] 。

(5)浇注混凝土时,采用薄层浇注,控制混凝土在浇注过程中均匀上升,避免混凝土拌和物堆积过大高差,混凝土的分层厚度控制在20～30 cm。

(6)设10台插入式振捣器,加强振捣,以期获得密实的混凝土,提高密实度和抗拉强度,浇注后,及时排除表面积水,进行二次抹面,防止早期收缩裂缝的出现。

(7)混凝土浇注后,搭设遮阳布棚,避免阳光曝晒承台表面。

(8)混凝土浇注后,混凝土表面用土工布覆盖保温,并洒水养生,使混凝土缓慢降温、缓慢干燥,减少混凝土内外温差。

(9)混凝土浇注后,每2 h量测冷却管出口的水温和混凝土表面温度,若温差大于20 ℃时,及时调整养护措施,如加快冷却水的流通速度等措施,以控制温差小于20 ℃。

5　温度监测

      承台混凝土入模温度为30～34 ℃, 1. 5 d后中心温度最高达50 ℃,温升达20 ℃, 3 d后中心温度达57～60 ℃,温升27～30 ℃,经过10～12 d降温阶段后,中心温度基本稳定。

      承台中心与侧面中心温度的最大温差为10 ℃,与承台表面的最大温差为17 ℃左右,因此,在养护阶段必须做好承台表面的保温措施,延缓承台表面的降温速度,减小温差。

6　结语

      通过事先裂缝控制的验算及裂缝控制方案的周密考虑,成功地控制了承台裂缝的产生,施工后检查承台混凝土各表面整体光滑,未见收缩裂缝。从本工程的裂缝控制得出:裂缝控制应以合理的结构设计为基础,具体施工中从合理选材入手,加以事先裂缝控制验算并采取适当的控制措施,全方位、多层次地进行裂缝控制,才能做到真正意义上的裂缝控制.

参　考　文　献

[1]王铁梦. 工程结构裂缝控制[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 1997

[2]刘智弘,贺晓文,李金梅. 混凝土结构裂缝问题的分析及控制措施[ J ]. 辽宁师专学报, 2004 (9) : 87～106

[3]张潭,梁正钦. 浅谈水泥混凝土裂缝成因分析与处理[ J ]. 大众科技, 2004 (5) : 45～49

[4]GB5020422002,混凝土结构工程施工质量验收规范[ S].