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摘要：大体积混凝土施工时, 由于水泥水化过程中释放大量的水化热, 使混凝土结构的温度梯度过大, 从而导致混凝土结构出现温度裂缝。因此, 计算并控制混凝土硬化过程中的温度, 进而采取相应的技术措施, 是保证大体积混凝土结构质量的重要措施。
关键词：混凝土温度裂缝控制措施
中图分类号：TU37文献标识码： A
1 概述
大体积混凝土是指最小断面尺寸大于1m 以上的混凝土结构。与普通钢筋混凝土相比, 具有结构厚, 体形大、混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高的特点。
大体积混凝土在硬化期间, 一方面由于水泥水化过程中将释放出大量的水化热, 使结构件具有“热涨”的特性; 另一方面混凝土硬化时又具有“收缩”的特性, 两者相互作用的结果将直接破坏混凝土结构, 导致结构出现裂缝。因而在混凝土硬化过程中,必须采用相应的技术措施, 以控制混凝土硬化时的温度, 保持混凝土内部与外部的合理温差, 使温度应力可控, 避免混凝土出现结构性裂缝。
2 大体积混凝土裂缝产生的原因
大体积混凝土墩台身或基础等结构裂缝的发生是由多种因素引起的。各类裂缝产生的主要影响因素如下:
( 1) 收缩裂缝。混凝土的收缩引起收缩裂缝。收缩的主要影响因素是混凝土中的用水量和水泥用量, 用水量和水泥用量越高, 混凝土的收缩就越大。选用的水泥品种不同, 其干缩、收缩的量也不同。
( 2) 温差裂缝。混凝土内外部温差过大会产生裂缝。主要影响因素是水泥水化热引起的混凝土内部和混凝土表面的温差过大。特别是大体积混凝土更易发生此类裂缝。
大体积混凝土结构一般要求一次性整体浇筑。浇筑后, 水泥因水化引起水化热,由于混凝土体积大, 聚集在内部的水泥水化热不易散发, 混凝土内部温度将显著升高, 而其表面则散热较快, 形成了较大的温度差, 使混凝土內部产生压应力, 表面产生拉应力。此时, 混凝龄期短, 抗拉强度很低。当温差产生的表面抗拉应力超过混凝土极限抗拉强度, 则会在混凝土表面产生裂缝。
( 3) 材料裂缝。材料裂缝表现为龟裂,主要是因水泥安定性不合格或骨料中含泥量过多而引起的。
3 大体积混凝土裂缝控制的理论计算
工程实例: 青岛市新街口桥墩直径为1.2m, 混凝土及其原材料各种原始数据及参数为:
一是C30 混凝土采用P.S32.5 矿渣硅酸盐水泥, 其配合比为: 水: 水泥: 砂: 石子:粉煤灰( 单位kg) =158: 298: 707: 1204: 68( 每立方米混凝土质量比) , 砂、石含水率分别为3%、0%, 混凝土容重为2 440kg/m3。
二是各种材料的温度及环境气温: 水18℃, 砂、石子23℃, 水泥25℃, 粉煤灰25℃, 环境气温20℃。
3.1 混凝土温度计算
( 1) 混凝土拌和温度计算: 公式T0=∑TimiCi/∑miCi 可转换为:T0=[0.9 (mcTc+msTs+mgTg+mfTf) +4.2Tw(mw - Psms - Pgmg) +C1 ( PsmsTs +PgmgTg) - C2( Psms+Pgmg) ]÷[4.2mw+0.9(mc+ms+mg+mf) ]
式中: T0 为混凝土拌和温度; mw、mc、ms、mg、mf—水、水泥、砂、石子、粉煤灰单位用量( kg) ; Tw、Tc、Ts、Tg、Tf—水、水泥、砂、石子、煤灰的温度( ℃) ; Ps、Pg—砂、石含水率(%) ; C1、C2—水的比热容(KJ/Kg•K) 及溶解热(KJ/Kg) 。
当骨料温度>0℃时, C1=4.2, C2=0; 反之C1=2.1, C2=335。
本实例中的混凝土拌和温度为:T0=[0.9 ( 298×25+707 ×23+1204 ×23+68×25) +4.2×18 ( 158- 707×3%) +4.2×3%×707×23]÷[4.2×158+0.9( 298+707+1204+68) ]=21.02℃。
( 2) 混凝土出机温度计算: 按公式T1=T0- 0.16( T0- Ti)式中: T1—混凝土出机温度( ℃) ; T0—混凝土拌和温度( ℃) ; Ti—混凝土搅拌棚内温度( ℃) 。
本例中, T1=21.02- 0.16×( 21.02- 25) =21.7℃。
( 3) 混凝土浇筑温度计算: 按公式TJ=T1- ( α•τn+0.032n)•( T1- TQ)
式中: TJ—混凝土浇筑温度( ℃) ; T1—混凝土出机温度( ℃) ; TQ—混凝土运送、浇筑时环境气温( ℃) ;τn—混凝土自开始运输至浇筑完成时间( h) ; n—混凝土运转次数。
α—温度损失系数( /h)本例中, 若τn取1/3, n 取1, α取0.25,则:
TJ=21.7- ( 0.25×1/3+0.032×1) ×( 21.7-25) =22.1℃( 低于30℃)
3.2 混凝土的绝热温升计算
Th=W0•Q0/(C•ρ)
式中:W0—每立方米混凝土中的水泥用量( kg/m3) ; Q0—每公斤水泥的累积最终热量(KJ/kg) ; C—混凝土的比热容取0.97(KJ/kg•k) ; ρ—混凝土的质量密度( kg/m3)
Th=( 298×334) /( 0.97×2440) =42.1℃3.3 混凝土内部实际温度计算
Tm=TJ+ξ•Th
式中: Tj—混凝土浇筑温度; Th—混凝土最终绝热温升; ξ—温降系数查建筑施工手册, 若混凝土浇筑厚度3.4m。则:ξ3取0.704,ξ7取0.685,ξ14 取0.527,ξ21 取0.328。
本例中: Tm(3)=22.1+0.704×42.1=51.7℃;Tm (7)=22.1+0.685×42.1=50.9℃; Tm (14)=22.1+0.527×42.1=44.3℃; Tm(21)=22.1+0.328×42.1=35.9℃。
3.4 混凝土表面温度计算
Tb(τ)=Tq+4h’(H- h’) ΔT(τ)/H2式中: Tb(τ)—龄期τ时混凝土表面温度( ℃) ; Tq—龄期τ时的大气温度( ℃) ; H—混凝土结构的计算厚度(m) 。
按公式H=h+2h’计算, h—混凝土结构的实际厚度(m); h’—混凝土结构的虚厚度(m): h’=K•λ/βK—计算折减系统取0.666,λ—混凝土导热系数取2.33W/m•K。
β—模板及保温层传热系数(W/m2•K):
β值按公式β=1/( ∑δi/λi+1/βg) 计算,δi—模板及各种保温材料厚度(m) ;λi—模板及各种保温材料的导热系数(W/m•K) ;βg—空气层传热系数可取23W/m2•K。
ΔT(τ)—龄期τ时,混凝土中心温度与外界气温之差(℃):
ΔT(τ)=Tm(τ)- Tq,
若保护层厚度取0.04m, 混凝土灌注高度为7m, 则:
β=1/(0.003/58+0.04/0.06+1/23)=1.41h’=K•λ/β=0.666×2.33/1.41=1.1H=h+2h’=7.0+2×1.1=9.2(m)若Tq 取20℃, 则:
关键词：混凝土温度裂缝控制措施
中图分类号：TU37文献标识码： A
1 概述
大体积混凝土是指最小断面尺寸大于1m 以上的混凝土结构。与普通钢筋混凝土相比, 具有结构厚, 体形大、混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高的特点。
大体积混凝土在硬化期间, 一方面由于水泥水化过程中将释放出大量的水化热, 使结构件具有“热涨”的特性; 另一方面混凝土硬化时又具有“收缩”的特性, 两者相互作用的结果将直接破坏混凝土结构, 导致结构出现裂缝。因而在混凝土硬化过程中,必须采用相应的技术措施, 以控制混凝土硬化时的温度, 保持混凝土内部与外部的合理温差, 使温度应力可控, 避免混凝土出现结构性裂缝。
2 大体积混凝土裂缝产生的原因
大体积混凝土墩台身或基础等结构裂缝的发生是由多种因素引起的。各类裂缝产生的主要影响因素如下:
( 1) 收缩裂缝。混凝土的收缩引起收缩裂缝。收缩的主要影响因素是混凝土中的用水量和水泥用量, 用水量和水泥用量越高, 混凝土的收缩就越大。选用的水泥品种不同, 其干缩、收缩的量也不同。
( 2) 温差裂缝。混凝土内外部温差过大会产生裂缝。主要影响因素是水泥水化热引起的混凝土内部和混凝土表面的温差过大。特别是大体积混凝土更易发生此类裂缝。
大体积混凝土结构一般要求一次性整体浇筑。浇筑后, 水泥因水化引起水化热,由于混凝土体积大, 聚集在内部的水泥水化热不易散发, 混凝土内部温度将显著升高, 而其表面则散热较快, 形成了较大的温度差, 使混凝土內部产生压应力, 表面产生拉应力。此时, 混凝龄期短, 抗拉强度很低。当温差产生的表面抗拉应力超过混凝土极限抗拉强度, 则会在混凝土表面产生裂缝。
( 3) 材料裂缝。材料裂缝表现为龟裂,主要是因水泥安定性不合格或骨料中含泥量过多而引起的。
3 大体积混凝土裂缝控制的理论计算
工程实例: 青岛市新街口桥墩直径为1.2m, 混凝土及其原材料各种原始数据及参数为:
一是C30 混凝土采用P.S32.5 矿渣硅酸盐水泥, 其配合比为: 水: 水泥: 砂: 石子:粉煤灰( 单位kg) =158: 298: 707: 1204: 68( 每立方米混凝土质量比) , 砂、石含水率分别为3%、0%, 混凝土容重为2 440kg/m3。
二是各种材料的温度及环境气温: 水18℃, 砂、石子23℃, 水泥25℃, 粉煤灰25℃, 环境气温20℃。
3.1 混凝土温度计算
( 1) 混凝土拌和温度计算: 公式T0=∑TimiCi/∑miCi 可转换为:T0=[0.9 (mcTc+msTs+mgTg+mfTf) +4.2Tw(mw - Psms - Pgmg) +C1 ( PsmsTs +PgmgTg) - C2( Psms+Pgmg) ]÷[4.2mw+0.9(mc+ms+mg+mf) ]
式中: T0 为混凝土拌和温度; mw、mc、ms、mg、mf—水、水泥、砂、石子、粉煤灰单位用量( kg) ; Tw、Tc、Ts、Tg、Tf—水、水泥、砂、石子、煤灰的温度( ℃) ; Ps、Pg—砂、石含水率(%) ; C1、C2—水的比热容(KJ/Kg•K) 及溶解热(KJ/Kg) 。
当骨料温度>0℃时, C1=4.2, C2=0; 反之C1=2.1, C2=335。
本实例中的混凝土拌和温度为:T0=[0.9 ( 298×25+707 ×23+1204 ×23+68×25) +4.2×18 ( 158- 707×3%) +4.2×3%×707×23]÷[4.2×158+0.9( 298+707+1204+68) ]=21.02℃。
( 2) 混凝土出机温度计算: 按公式T1=T0- 0.16( T0- Ti)式中: T1—混凝土出机温度( ℃) ; T0—混凝土拌和温度( ℃) ; Ti—混凝土搅拌棚内温度( ℃) 。
本例中, T1=21.02- 0.16×( 21.02- 25) =21.7℃。
( 3) 混凝土浇筑温度计算: 按公式TJ=T1- ( α•τn+0.032n)•( T1- TQ)
式中: TJ—混凝土浇筑温度( ℃) ; T1—混凝土出机温度( ℃) ; TQ—混凝土运送、浇筑时环境气温( ℃) ;τn—混凝土自开始运输至浇筑完成时间( h) ; n—混凝土运转次数。
α—温度损失系数( /h)本例中, 若τn取1/3, n 取1, α取0.25,则:
TJ=21.7- ( 0.25×1/3+0.032×1) ×( 21.7-25) =22.1℃( 低于30℃)
3.2 混凝土的绝热温升计算
Th=W0•Q0/(C•ρ)
式中:W0—每立方米混凝土中的水泥用量( kg/m3) ; Q0—每公斤水泥的累积最终热量(KJ/kg) ; C—混凝土的比热容取0.97(KJ/kg•k) ; ρ—混凝土的质量密度( kg/m3)
Th=( 298×334) /( 0.97×2440) =42.1℃3.3 混凝土内部实际温度计算
Tm=TJ+ξ•Th
式中: Tj—混凝土浇筑温度; Th—混凝土最终绝热温升; ξ—温降系数查建筑施工手册, 若混凝土浇筑厚度3.4m。则:ξ3取0.704,ξ7取0.685,ξ14 取0.527,ξ21 取0.328。
本例中: Tm(3)=22.1+0.704×42.1=51.7℃;Tm (7)=22.1+0.685×42.1=50.9℃; Tm (14)=22.1+0.527×42.1=44.3℃; Tm(21)=22.1+0.328×42.1=35.9℃。
3.4 混凝土表面温度计算
Tb(τ)=Tq+4h’(H- h’) ΔT(τ)/H2式中: Tb(τ)—龄期τ时混凝土表面温度( ℃) ; Tq—龄期τ时的大气温度( ℃) ; H—混凝土结构的计算厚度(m) 。
按公式H=h+2h’计算, h—混凝土结构的实际厚度(m); h’—混凝土结构的虚厚度(m): h’=K•λ/βK—计算折减系统取0.666,λ—混凝土导热系数取2.33W/m•K。
β—模板及保温层传热系数(W/m2•K):
β值按公式β=1/( ∑δi/λi+1/βg) 计算,δi—模板及各种保温材料厚度(m) ;λi—模板及各种保温材料的导热系数(W/m•K) ;βg—空气层传热系数可取23W/m2•K。
ΔT(τ)—龄期τ时,混凝土中心温度与外界气温之差(℃):
ΔT(τ)=Tm(τ)- Tq,
若保护层厚度取0.04m, 混凝土灌注高度为7m, 则:
β=1/(0.003/58+0.04/0.06+1/23)=1.41h’=K•λ/β=0.666×2.33/1.41=1.1H=h+2h’=7.0+2×1.1=9.2(m)若Tq 取20℃, 则: