冬季施工大體積混凝土收縮變形機理及裂縫控制分析

李林 商文念 穆德君 劉小云

【摘要】變電站GIS基礎(chǔ)一般均為大體積混凝土，溫度應(yīng)力影響下收縮變形大，表面裂縫難以控制。本文以某變電站500kVGIS基礎(chǔ)為例，對GIS基礎(chǔ)大體積混凝土收縮變形裂縫機理進行分析，計算GIS基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部最大應(yīng)力，依據(jù)計算結(jié)果提出在GIS基礎(chǔ)內(nèi)部及表面合理構(gòu)造配筋，在基礎(chǔ)保護層內(nèi)增配抗裂鋼絲網(wǎng)與耐堿玻璃纖維網(wǎng)布等設(shè)計措施，并提出易于施工的基礎(chǔ)溫控技術(shù)。現(xiàn)場GIS基礎(chǔ)冬季施工有效避免了大體積混凝土表面裂縫的產(chǎn)生，達到了大體積混凝土內(nèi)實外光的效果，可為以后變電站GIS基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫控制提供參考。

1 工程概況

龍山500kV變電站位于山東省章丘市繡惠鎮(zhèn)，是濟南電網(wǎng)的樞紐變電站，為山東500kV電網(wǎng)"十二五"重點建設(shè)工程，是山東首批投運的無人值守智能變電站，在電網(wǎng)中起著十分重要的作用。

龍山500kV變電站500kVGIS基礎(chǔ)為超長大體積混凝土，平面不規(guī)則，外形輪廓尺寸為12.3m×124.7m，厚度為1.95m。混凝土強度等級為C25。

2 設(shè)計及施工難點

（1）500kVGIS設(shè)備對基礎(chǔ)平面允許誤差及沉降有較高要求，基礎(chǔ)伸縮縫設(shè)置與設(shè)備水平、垂直伸縮節(jié)位置有關(guān)，伸縮縫間距過大，不滿足規(guī)范要求。

（2）GIS基礎(chǔ)為大體積混凝土，施工過程中，由于水泥水化熱等原因，極易引起混凝土內(nèi)部溫度和溫度應(yīng)力的劇烈變化，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。因此，防止混凝土出現(xiàn)有害溫度裂縫是設(shè)計和施工的關(guān)鍵工作。

（3）GIS基礎(chǔ)施工期間正值冬季，白天溫度在3℃左右，晚上溫度下降到-7℃，晝夜溫差大，對于大體積混凝土澆筑及保溫養(yǎng)護難度較大。

3 大體積混凝土GIS基礎(chǔ)開裂機理分析

500kVGIS基礎(chǔ)混凝土量大，引起混凝土開裂因素較多，施加適當(dāng)應(yīng)力可能產(chǎn)生基礎(chǔ)內(nèi)部微裂縫，環(huán)境惡劣、結(jié)構(gòu)不合理也會引起基礎(chǔ)較大裂縫，極端情況下，會嚴重影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部完整性。

對500kVGIS基礎(chǔ)而言，混凝土干縮和溫度應(yīng)力是引起混凝土開裂的主要原因。混凝土制作過程中，水和水泥發(fā)生化學(xué)和物理變化使混凝土產(chǎn)生凝結(jié)和硬化，混凝土澆筑后由于水泥水化熱作用，會經(jīng)歷升溫期、降溫期和穩(wěn)定期3個階段，混凝土體積也會隨溫度變化而發(fā)生熱脹冷縮，各部分基礎(chǔ)混凝土體積變化收到約束從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于混凝土抗裂能力時，混凝土就會開裂。

混凝土在冬季施工，產(chǎn)生裂縫的原因還有混凝土內(nèi)外溫差和新澆混凝土的早期受凍，混凝土中自由水受凍形成的冰晶會直接影響混凝土的強度發(fā)展及耐久性，混凝土澆筑溫度、養(yǎng)護時間與養(yǎng)護方法等因素對混凝土受凍的強度損失有較大影響[1]。

5 冬季大體積混凝土施工抗裂縫措施

控制裂縫的發(fā)展是大體積混凝土施工過程中的重要難題，500kVGIS基礎(chǔ)截面尺寸大，由荷載引起的裂縫可能性很小。冬季施工時，大體積混凝土釋放的水化熱受晝夜溫差變化和收縮作用，引起混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的主要因素是溫度和收縮應(yīng)力[3]，可采取以下措施控制裂縫產(chǎn)生：

5.1 設(shè)計措施

1）500kVGIS基礎(chǔ)采用中低強度標號混凝土，基礎(chǔ)上部1.35m采用C25混凝土，底部0.6m采用C25毛石混凝土，毛石含量不大于25%，減少水泥用量，從而降低混凝土澆筑時的水化熱。

2）基礎(chǔ)混凝土頂面及底面均配雙向鋼筋網(wǎng)，鋼筋采用8，間距150mm。基礎(chǔ)頂面如有預(yù)埋槽鋼，則雙向鋼筋網(wǎng)遇槽鋼處應(yīng)截斷，使保護層厚度不應(yīng)過大。

3）基礎(chǔ)表面外露200mm厚度范圍內(nèi)添加抗裂纖維，纖維斷裂強度>1500MPa，長度為18mm，摻量為0.7～0.9kg/m3，基礎(chǔ)頂面增設(shè)一層耐堿玻璃纖維網(wǎng)布，有效避免基礎(chǔ)頂面裂縫產(chǎn)生。

4）500kVGIS基礎(chǔ)形狀不規(guī)則，開洞或陰角處應(yīng)力集中，往往是裂縫高發(fā)部位。本工程在所有GIS基礎(chǔ)陰角處距基礎(chǔ)表面300mm的深度范圍內(nèi)設(shè)置兩排12@100斜向抗裂鋼筋，單根鋼筋長度≥500mm。此外在GIS基礎(chǔ)陰角部位的表面周圍增設(shè)一層1m×1m（長×寬）鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)選用12.7mm×12.7mm，絲徑0.9mm，鋼絲網(wǎng)的保護層厚度為15mm，從而避免陰角等應(yīng)力集中部位出現(xiàn)裂縫。

5.2 施工措施

1）原材料選擇。

混凝土原材料優(yōu)選中最關(guān)鍵的是在不降低混凝土彈性模量、抗拉抗壓強度、抗凍性、耐磨性及抗?jié)B性等力學(xué)主要技術(shù)指標前提下，有效降低混凝土的絕熱溫升。

本工程采用低熱礦渣水泥或中熱硅酸鹽水泥代替常規(guī)硅酸鹽水泥，摻入一定量的粉煤灰以降低放熱量。精選砂石骨料，采用骨料的連續(xù)級配，提高混凝土的密實性，選用熱膨脹系數(shù)小和吸水率低的骨料，以減小混凝土的膨脹和收縮變形，嚴格控制砂石的含泥量。摻加減水劑等外加劑，在保持混凝土坍落度和強度不變的條件下，減少用水量，節(jié)約水泥，降低混凝土的絕熱溫升。

2）控制材料入模溫度。

施工中應(yīng)縮短混凝土運輸時間，混凝土運輸泵管外包巖棉保溫筒進行保溫；骨料及鋼筋不得混有冰雪、凍塊及易被凍裂的礦物質(zhì)；施工中要控制好混凝土澆筑出機和入模溫度，出機溫度一般不低于10℃，入模溫度一般不低于5℃，溫度如過低，則容易造成新澆混疑土冷卻過快，使混凝土在很短時間內(nèi)降至冰點溫度，從而影響混凝土早期強度增長。

3）控制混凝土內(nèi)部溫度

大體積混凝土澆筑后將產(chǎn)生較高的水化熱溫升，使混凝土內(nèi)表之間存在溫度差別，溫度差使結(jié)構(gòu)不同部位變形不一致，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

溫度應(yīng)力尤其是拉應(yīng)力容易使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，從而降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。為防止溫度裂縫，必須進行溫度控制，尤其在低溫天氣條件下。基礎(chǔ)鋼筋安裝的同時埋設(shè)冷卻水管（每層間距1 m）和溫度監(jiān)控的測溫儀器，在混凝土澆筑前進行儀器的調(diào)試和冷卻水管通水試驗以檢測其完好性；混凝土分層分次澆筑、搗實，澆筑每層厚度為250～300mm，減少水化熱總量，確保混凝土質(zhì)量[4]。

4）加強混凝土成品養(yǎng)護。

冬季混凝土的養(yǎng)護管理是保證混凝土質(zhì)量的重要措施，新澆筑的混疑土要做好覆蓋保溫工作，并經(jīng)常檢查；做好混凝土的測溫工作，隨時掌握混凝土的內(nèi)部溫度，保證混凝土在初凝期不受凍。基礎(chǔ)混凝土收面后先鋪設(shè)兩層薄塑料膜進行保水養(yǎng)護，然后滿鋪5cm厚防火保溫棉氈進行保溫，最后外側(cè)滿鋪1層彩條布防雨、雪及大風(fēng)。養(yǎng)護期間嚴格保證了混凝土內(nèi)外溫差小于25℃，混凝土降溫速率小于1.5℃/天，表面溫度與大氣溫度之差小于25℃，從而有效避免結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生[5]。

6 結(jié)論

工程實踐表明，嚴寒冬季大體積混凝土施工，采取合理的控制混凝土裂縫的設(shè)計和施工措施，裂縫控制可達到設(shè)計要求。經(jīng)過對大體積混凝土進行溫度收縮應(yīng)力分析計算，在基礎(chǔ)底部采用毛石混凝土，頂面增設(shè)雙向鋼筋和耐堿玻璃纖維網(wǎng)布，陰角布置抗裂鋼筋和鋼絲網(wǎng)，控制混凝土的入模溫度和內(nèi)外溫差，最后本工程500kVGIS基礎(chǔ)澆筑完成表面未出現(xiàn)任何有害裂縫，混凝土內(nèi)實外光，觀感質(zhì)量優(yōu)良，對以后大體積混凝土設(shè)計及冬季施工有良好的借鑒作用。

參考文獻：

[1] 黃傳庚，吳琴鳳.公伯峽水電站廠房混凝土冬季施工溫度控制[J].葛洲壩集團科技，2005（1）.

[2] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[3] 張莉莉，羅藝，王杰，李玉建，劉明均.嚴寒環(huán)境下大體積混凝土基礎(chǔ)底板施工技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2014，45（2）

[4] 建筑施工手冊（第四版）[M].中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[5] GB50204-2002，混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（2011年版）[S].中國建筑工業(yè)出版社，2011.