大体积混凝土的温度控制研究-技术创新

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大体积混凝土的温度控制研究

日期：2017-2-16 14:23:12　来源：本站原创　浏览数：
　

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    0 引言
    大体积混凝土在现代工程建设中占有重要的地位。我国桥梁建设向大跨径方向发展，跨越大江(河)、海峡(湾)的长大桥梁也相继由中国建设，大跨径桥梁的建设会伴随着一系列的技术问题，其中基础承台是大体积混凝土，混凝土硬化会放出大量水化热，混凝土温度不断升高。由于表面散热较好，混凝土表面温升较小，体积膨胀相对于内部也较小，内外膨胀差异使混凝土表面出现裂缝。当水化热释放完毕，温度下降，混凝土体积收缩，在约束条件下形成温度拉应力，就会出现内部裂缝，这些裂缝影响到结构的整体性和耐久性，直接影响整个工程建设的质量。本文对大体积混凝土的温度场进行理论分析，为承台大体积混凝土施工方案和温控措施的制定提供理论依据。
    1· 概述
    1.1 大体积混凝土定义及特点
    大体积混凝土是指一般为一次浇筑量大于1000m3 或混凝土结构实体最小尺寸等于或大于2m，且混凝土浇筑需研究温度控制措施的混凝土。大体积混凝土结构具有以下重要特点：
    (1)混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的1/20～1/10；拉伸变形能力很小，短期加载时的极限拉伸变形约相当于温度降低6~l0℃的变形。
    (2) 大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇筑以后，由于水化热的发生，内部温度急剧上升。此时混凝土的弹性模量很小，徐变较大，升温引起的压应力并不大。但在日后温度逐渐降低时，弹性模量比较大，徐变较小，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。
    (3)大体积混凝土通常是暴露在外面的，表面与空气或水接触，一年四季中气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。
    (4)大体积混凝土结构通常是不配钢筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量的钢筋，与结构的巨大断面相比，含钢率是极低的，一旦出现了拉应力，就要依靠混凝土本身来承受。基于以上的特点，在大体积混凝土结构的设计中，通常要求不出现拉应力(如重力坝的设计)或者只出现很小的拉应力。
    1.2 温度应力对大体积混凝土的重要意义
    大体积混凝土除了最小断面和内外温度有一定的规定外，对平面尺寸也有一定限制。因为平面尺寸过大，约束作用所产生的温度力也愈大，如采取控制温度措施不当，温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时，则易产生裂缝。大体积混凝土的裂缝通常可以分为：①外部荷载作用下产生的剪切和扭转裂缝；②干缩裂缝；③收缩裂缝；④温度裂缝，裂缝的出现会降低混凝土结构的承载力、影响设计效果，对结构的安全性和耐久性也有较大影响。
    随着温度问题的大量出现，人们越来越意识到因温度开裂给工程带来的严重影响。近年来国内外学者对温度问题作了大量的实验、理论和数值分析研究。1985 年举行的第十五届国际大坝会议将混凝土的裂缝问题列为会议的四大议题之一；1992 年在美国加利福尼亚州圣地亚哥市第三次碾压混凝土会议上P•K•Barrett 等创造性地把Bazant 的SmearedCrack 开裂模型引入大坝温度应力的分析中。大体积混凝土裂缝控制的一个重要方面是温度控制，而胶凝材料水化放热引起的混凝土内部温度升高是产生裂缝的根本原因。因此，大体积混凝土内部温度场和温度控制的理论和试验研究就显得十分必要。
    1.3 温度作用是大体积混凝土的主要荷载之一
    大体积混凝土通常承受两种不同性质的荷载：包括水压、泥沙压、地震、渗压、风浪、冰凌以及结构自重与设备重量等；另一类是混凝土本身的体积变化所引发的荷载，包括温变、徐变、干湿变化、混凝土自生体积变形等所引发的荷载。对于前一类荷载，要保证结构不产生或只产生很小的拉应力并不困难。但在施工和运行期间，要把后一类荷载所产生的拉应力控制在允许范围内则是一件很不容易的事情。正是由于后一类荷载(其中主要是温变)的作用，在大体积混凝土结构中会由于产生过大的拉应力而出现裂缝。实践证明温度应力是不可忽略的因素，否则将带来严重的不良后果。因此温度应力场的分析对大体积混凝土的有着重要意义。温度变化对大体积混凝土的影响主要有：引起结构内力的变化，导致混凝土裂缝；对结构的应力状态引起应力重分布，不能按照设计时确定的应力状态发展。温度变化引起的应力甚至超过其它荷载应力，尤其是在结构温度急剧变化时，将产生很大的拉应力，而混凝土为脆性材料，其抗拉强度非常低，常因温度应力导致混凝土结构受拉力破坏。实际工程中，大量的大体积混凝土结构大桥桥墩、大体积混凝土坝、建筑物基础等都受到裂缝问题的困扰。因此，如何实现对大体积混凝土结构温度应力场的定量分析，对于工程温度变形问题有着极其重要的意义。
    2· 大体积混凝土的温控措施
    为了确保大体积混凝土施工质量，防止大体积水化热温度裂缝，从控制水化热温度，减少内外温差，增强混凝土品质，提高施工质量等方面，采取相应的措施。
    2.1 选择合理的混凝土配合比
    为使大体积混凝土具有良好的抗侵蚀性、体积稳定性和抗裂性能，混凝土配制应遵循如下原则：
   (1）选用低水化热和含碱性量低的水泥，避免使用早强水泥和高C3A 含量的水泥；
   （2）降低单方混凝土中胶凝材料及硅酸盐水泥的用量；
   （3）选用坚固耐久、级配合格、粒形良好的洁净骨料；
   （4）尽量降低拌和水用量，使用性能优良的高效减水剂；
    （5）有抗渗要求的钢筋混凝土应采用较大掺量矿物掺和料的低水胶比混凝土。单掺粉煤灰的掺量不宜小于25％，单掺磨细矿渣的掺量不宜小于50％，且宜使用粉煤灰加硅灰、粉煤灰加矿渣或两种以上的矿物掺和料。
    2.2 控制混凝土入模温度
    水泥根据施工安排提前一个月进仓降温，杜绝使用刚出厂的水泥。如果施工期间正值夏季高温季节，粗细骨料应避免日光暴晒，粗骨料拌和前用水冲凉，在混凝土拌和用水中掺入一定量的冰块，把水温降到10℃以内，同时在泵送过程中，水平输送管上加盖草包喷水。混凝土浇注安排在19∶00～5∶00 之间的日低温时段，以利温度控制。入模温度控制在20℃左右，每2h 测量一次。
    2.3 混凝土分层浇筑
    如果主墩承台厚度5m，为了减少每次混凝土浇筑方量，经设计、监理同意，主墩承台竖向分两层施工，每层混凝土厚度分别为2.5m，每次浇筑的时间间隔为7d，在底层混凝土温度应力峰值过后才允许浇筑上层混凝土。
    2.4 埋置水平冷却管
    在大体积混凝土施工中，目前国内外广泛采用冷却水管以控制温度、减少温度应力。起冷却作用的不仅有冷却水管，同时还有浇筑层面的散热，由于数字处理上的困难，施工期间水管冷却与浇筑层面散热的联合作用问题一直未能得到很好的解决。水管冷却问题实质上是空间温度场问题。冷却水管大多采用直径2.5cm 的钢管或铝管，在混凝土浇筑过程埋入混凝土内，水管通常设在浇筑层的水平施工缝上。
    2.4.1 管径及管内流量
    通过有关文献，冷却水管管径增加9 倍而冷却速度增长不足1 倍，而管径的增加使管材消耗很大，所以增加管径来降低早期水化热不可行。另外，因水管流量增加而获得的冷却效果是有限度的，最多不超过考虑水温沿途增加的结果。所以增加管内流量来降低早期水化热一般不可取。
    2.4.2 管圈长度
    管圈长度的增加将使管圈数量及供水流量减少，并可减少干管尺寸、水泵流量，但由于水管的摩擦损失增加，流速降低和冷却水管沿途水温的升高使冷却效果稍有降低。因此，冷却水管管圈长度不宜过长。
    2.4.3 管距
    管距是影响冷却效果的最重要因素。当管距减少时，管材的耗量急剧增加。管距减少一倍，冷却速度增加4 倍，同时冷却单位混凝土索取所需的管材也增加4 倍。另外，在施工组织方面，水管间距和混凝土浇筑层高度互相影响。因此，水管间距的选择应综合考虑，各部位根据冷却的要求不同采取不同的间距。
    2.5 混凝土养护措施
    为了防止混凝土内外温差过大，对于混凝土表面，在终凝后1h 内即进行蓄水养护，蓄水深度在30cm 以上，水源采用循环水，即将冷却管出来的温水直接注入承台表面。由于承台基坑围护是封闭结构，具有保温作用。因此，一方面通过冷却水管通水降低混凝土内部温度，另一方面冷却水管出来的温水在承台表面蓄水保温，由两方面共同达到降低内外温差的目的，防止混凝土表面开裂。
    2.6 施工控制
    混凝土浇筑采用平面分层浇筑，每层厚度不超过0.5m，同时两次振捣以加快混凝土热量散发，使温度分布均匀。混凝土浇筑完毕后将表面收平，初凝前二次收浆压抹1～2 遍，以消除混凝土收缩引起的裂缝。
    2.7 现场监测
   混凝土温度测控的目的是为了验证温度控制措施所取得的效果及施工过程中质量控制，对大体积混凝土的质量作出判断。根据《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041- 2000）的有关规定，大体积混凝土55℃；进水温度与混凝土内部最高温差不超过25℃。
     测温时可选用便携式电子测温仪。于大体积混凝土浇筑完毕后的第1~4d 隔2h 测温一次，第5~7d 隔4h 测温一次，同时认真做好测温原始记录和温控记录分析，调整水温或流量，防止温度裂缝的发生。