控制大體積混凝土裂縫的技術措施

劉俊凱 中石油東北煉化工程有限責任公司吉林設計院 吉林 132002

控制大體積混凝土裂縫的技術措施

劉俊凱＊中石油東北煉化工程有限責任公司吉林設計院 吉林 132002

介紹大體積混凝土裂縫的概念、公式推導、影響裂縫的各項指標以及施工中的預防措施,總結控制大體積混凝土裂縫的措施。

大體積混凝土 水化熱 溫度應力 裂縫

現代建筑中時常涉及到大體積混凝土施工,如高層樓房基礎、大型設備基礎和水利大壩等。其主要特點為體積大,一般實體最小尺寸≥1m。其表面系數比較小,水泥水化熱釋放比較集中,內部溫升比較快。混凝土內外溫差較大時,易使混凝土產生溫度裂縫,影響結構安全和正常使用,所以必須分析其原因,采取措施來保證施工質量。

1 大體積混凝土的裂縫

大體積混凝土內出現的裂縫按深度的不同,分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種。

貫穿裂縫是由混凝土表面裂縫發展為深層裂縫,最終形成貫穿裂縫。它切斷了結構的斷面,可能破壞結構的整體性和穩定性,有較嚴重的危害性;深層裂縫部分地切斷結構斷面,也有一定危害性;表面裂縫一般危害性較小。

大體積混凝土在施工階段所產生溫度裂縫的原因:①由于內外溫差而產生的;②結構的外部約束和混凝土各質點間的約束,阻止混凝土收縮變形。混凝土抗壓強度較大,但抗拉強度卻很小,所以溫度應力一旦超過混凝土能承受的抗拉強度時,即會出現裂縫。這種裂縫的寬度在允許限值內,一般不會影響結構的強度,但卻對結構的耐久性有所影響,因此必須予以重視和控制。

2 產生裂縫的原因

2.1 公式的推導

當基礎板相對地基有一溫差T時,計算板內約束應力。此時只考慮對貫穿裂縫起控制作用的平均拉力,通過光彈試驗證明主拉應力理論是可以應用到長墻混凝土裂縫的分析中,概念清楚,簡單實用。長墻受地基約束計算簡圖見圖1。

圖1 長墻受地基約束計算簡圖

在筏式底板的任意點x處,截取一段dx長的微體,由于假定均勻受力,微體的高度取全高H,其厚度為t,承受均勻內力為N(即σx的合力),地基對板的剪力為Q(τ的合力)。取水平投影(暫時忽略地基對板的垂直應力σy)。

列出平衡方程∑x=0:

任意點的位移由約束位移與自由位移合成:

此微分方程的通解為:

以此類推,邊界條件定積分常數為:

得位移μ的表達式(端部位移μ,最大水平法向應力、剪應力都由位移導出):

根據推導結果繪出水平法向力及剪應力分布圖,見圖2。

從工程實踐方面可知,水平應力σx是設計主要控制應力,是引起垂直裂縫的主要應力,其最大值在截面的中點x=0處,此處剪應力τ=0,即最大主應力:

圖2 長墻的主要應力圖形

在該值上乘以應力松弛系數得徐變應力:

為了較為確切計算早期混凝土的溫度應力,考慮彈性模量的變化及松弛系數隨時間的變化,將溫差分為許多區段ΔT,各段內將E(t)及H (t,τ)看作常量,最后疊加得考慮徐變作用的應力(一般大塊或厚板均屬二維平面應力):

式中,ΔTi為將從溫升的峰值至周圍氣溫總降溫差分解為n段的第i段溫差;Ei(t)為相當于第i段降溫時的彈性模量;Hi(t,τi)為相當于第i段齡期τi,經過由t至τi時間的應力松弛系數,t為由峰值溫度降至周圍氣溫的時間。

應用上述公式可計算任意時間的應力狀態,但根據裂縫出現的實踐經驗,澆注后15～30天出現較為不利的應力狀態,可按此階段進行計算。從公式可看出,溫度應力首先和溫差成正比,升溫為正,應力為負,即引起壓應力;降溫為負,應力為正,即引起拉應力;收縮值換算為當量溫差,永遠為負值,應力為拉應力,因此混凝土結構的降溫與收縮同時發生時,混凝土結構將承受互相疊加的拉應力,容易開裂,所以夏季施工的工程比秋冬季施工的更容易開裂。

2.2 水泥水化熱

水泥在水化過程中要釋放熱量,而大體積混凝土結構斷面較厚,表面系數相對較小,所以水泥發生的水化熱聚集在結構內部不易散失,以致越積越多,使內外溫差增大。單位時間混凝土釋放的水泥水化熱與混凝土單位體積中水泥用量和品種有關,并隨混凝土的齡期而增長。由于混凝土結構表面可以自然散熱,實際上內部的最高溫度多發生在澆筑后的最初3～5天。

2.3 外界氣溫變化

大體積混凝土在施工階段的澆筑溫度隨著外界氣溫變化而變化,特別是氣溫驟降,會大大增加內外層混凝土溫差,這對大體積混凝土是極為不利的。溫度應力是由溫差引起變形而產生的,溫差愈大,溫度應力也愈大。同時,在高溫條件下,大體積混凝土不易散熱,混凝土內部的最高溫度一般可達60～65℃,并且有較長的延續時間,因此,應采取溫度控制措施,防止混凝土內外溫差引起過大的溫度應力。

2.4 混凝土的收縮

混凝土中約20%的水分是水泥硬化所必須的,而約80%的水分要蒸發。多余水分的蒸發會引起混凝土體積的收縮,這是混凝土體積收縮的主要原因。如果混凝土收縮后,再處于水飽和狀態,還可以恢復膨脹并幾乎達到原有的體積。干濕交替會引起混凝土體積的交替變化,這對混凝土是很不利的。

影響混凝土收縮的因素主要有水泥品種、混凝土配合比、外加劑和摻合料的品種以及施工工藝(特別是養護條件)等。

2.5 結構長度的影響

由上述公式可看出,最大應力不僅與高長比(H/L)有關,而且與底板長度的絕對尺寸有關。長度增加,應力增加,但不是線性關系。在較短的范圍內,長度對應力的影響較大,超過一定長度后,影響變微,其后趨近于常數,無論長度如何增加,應力不變,見圖3。

圖中,1為Cx=3×10-2N/mm3;2為Cx= 10-1N/mm3;3為Cx=3×10-1N/mm3;4為Cx=6 ×10-1N/mm3;5為Cx=1N/mm3;6為Cx= 1.5N/mm3。

該圖顯示的是具有不變的H/L=1/10,具有各種不同水平阻力系數Cx。由于底板絕對尺寸的變化而有不同應力的關系曲線。可以看出,Cx越小,應力增加越緩慢;隨著長度的增加,應力增長速度不斷下降。

圖3 溫度應力與結構長度關系

3 大體積混凝土的配制

大體積混凝土所選用的原材料應注意以下幾點:

(1)粗骨料宜采用連續級配,細骨料宜采用中砂。

(2)外加劑宜采用緩凝劑、減水劑;摻合料宜采用粉煤灰、礦渣粉等。

(3)大體積混凝土在保證混凝土強度及坍落度要求的前提下,應提高摻合料及骨料的含量,以降低單方混凝土的水泥用量。

(4)水泥應盡量選用水化熱低、凝結時間長的水泥,優先采用中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、大壩水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥等。

但是,水化熱低的礦渣水泥的析水性比其它水泥大,在澆筑層表面有大量水析出。這種泌水現象不僅影響施工速度,同時影響施工質量。因析出的水聚集在上下兩澆筑層表面間,使混凝土水灰比改變,而在掏水時又帶走了一些砂漿,形成一層含水量多的夾層,破壞混凝土的粘結力和整體性。混凝土泌水性的大小與用水量有關,用水量多,泌水性大;且與溫度有關,水完全析出的時間隨溫度的提高而縮短;此外,還與水泥的成分和細度有關。所以,在選用礦渣水泥時應盡量選擇泌水性的品種,并應在混凝土中摻入減水劑,以降低用水量。在施工中,應及時排出析水或拌制一些干硬性混凝土均勻澆筑在析水處,用振搗器搗實后,再繼續澆筑上一層混凝土。

4 大體積混凝土的澆筑

澆筑方案除應滿足每一處混凝土在初凝以前就被上一層新混凝土覆蓋并搗實完畢外,還應考慮結構大小、鋼筋疏密、預埋管道和地腳螺栓的留設、混凝土供應情況以及水化熱等因素的影響,常采用的澆筑方法有以下幾種。

4.1 全面分層

即在第一層全部澆筑完畢后,再回頭澆筑第二層,此時應使第一層混凝土還未初凝,如此逐層連續澆筑,直至完工為止。采用這種方案適用于結構的平面尺寸一般不宜太大,施工時從短邊開始,沿長邊推進比較合適。必要時可分成兩段,從中間向兩端或從兩端向中間同時進行澆筑。

4.2 分段分層

混凝土澆筑時,先從底層開始,澆筑至一定距離后澆筑第二層,如此依次澆筑其他各層。由于總的層數較多,所以澆筑到頂后,第一層末端的混凝土還未初凝,又可以從第二段依次分層澆筑。這種方案適用于單位時間內要求供應的混凝土較少,不像第一種方案那樣集中。這種方案適用于結構物厚度不太大而面積或長度較大的工程。

4.3 斜面分層

要求斜面的坡度不大于1/3,適用于結構的長度大大超過厚度3倍的情況。混凝土從澆筑層下端開始,逐漸上移。

5 大體積混凝土養護溫度的控制

大體積混凝土的養護不僅要滿足強度增大的需要,還應通過溫度控制,防止因溫度變形引起混凝土的開裂。

溫度控制就是要控制混凝土的澆筑溫度和混凝土內部的最高溫度。

在混凝土養護階段的溫度控制應遵循以下幾點:

(1)混凝土的中心溫度與表面溫度之間、混凝土表面溫度與室外最低氣溫之間的溫差均應小于20℃;當結構混凝土具有足夠的抗裂能力時,不大于30℃。

(2)采用通蒸汽養護法時,混凝土的收縮值隨時間而增長,蒸汽養護的收縮值低于常溫養護的收縮值。混凝土從開始凝結就產生收縮,初期收縮變形發展較快,2～4周可分別完成全部收縮的25%～50%,12周后增長緩慢,整個收縮過程可延續2年以上,最終收縮值為(2～5)×10-4,見圖4。

圖4 蒸汽養護混凝土的收縮值與時間的關系

(3)采用內部降溫法來降低混凝土內外溫差。內部降溫法是在混凝土內部預埋水管,通入冷卻水,降低混凝土內部最高溫度。冷卻在混凝土剛澆筑完時就開始進行,還有常見的投毛石法,均可以有效地控制因混凝土內外溫差而引起的混凝土開裂。

(4)混凝土拆模時,混凝土的溫差不超過20℃。其溫差應包括表面溫度、中心溫度和外界氣溫之間的溫差。

(5)保溫法是在結構物外露的混凝土表面以及模板外側覆蓋如草袋、鋸末、濕砂等保溫材料,在緩慢的散熱過程中,使混凝土獲得必要的強度,以控制混凝土的內外溫差小于20℃。

(6)混凝土表層布設抗裂鋼筋網片,防止混凝土收縮時產生干裂。

(7)減小地基水平阻力法,即在基礎底板與墊層之間設滑動層,如鋪兩層油氈、施瀝青涂層以及用其他當地可用的墊層。

6 結語

在大體積混凝土施工時,準確計算混凝土拌合溫度、混凝土出機溫度、混凝土絕熱溫升、混凝土內部實際溫度、混凝土表面溫度及混凝土內部與表面溫差,有利于選取適宜的施工工藝、采取相應的降溫與養護措施,從而避免出現混凝土溫度裂縫,以保證混凝土結構的工程質量。

1 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

2 李國勝.建筑結構裂縫及加層加固疑難問題的處理—附實例[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

3 GBJ 10-89,混凝土結構設計規范[S].

Build up the simulation model of the butyraldehyde distillation column process in butyl and octanol unit by using Aspen-plus process simulation software and compare the simulation result with the design value. Determine the optimal operation parametrical condition by using the sensitivity analysis.

Si mulation and Opti m ization of Butyraldehyde D istillation Column Process

Wang Hongjun,et al
(Nanjing Yangzi Petrolchem icalDesign Engineering Company,Nanjing210048)

butyraldehyde distillation column process simulation model

＊劉俊凱:工程師。2005年7月畢業于吉林省建筑工程學院土木工程專業。一直從事土建結構設計工作。聯系電話:(0432) 63958491,E-mail:liujunkai@cpene.com。

(修改回稿2011-04-20)