基础大体积混凝土施工的温度应力控制

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   摘要:本文介绍了某高层建筑地下室筏板基础大体积混凝土施工温控抗裂的有关技术措施以及水化热温升和混凝土温度应力的计算。
  关键词:大体积混凝土、温度应力控制。
  
  中图分类号:TU37 文献标识码:A 文章编号:
  
  前言
  大多数高层建筑的基础由于其几何尺寸较大,因而属于大体积混凝土施工。如何防止早期混凝土由于温度应力过大或内外温差过大而形成裂缝,以提高混凝土的抗渗、抗裂和抗侵蚀性能,已成为高层建筑大体积混凝土施工中的关键问题。笔者根据2006年主持江门市区一大型商住小区内的两幢高层建筑整体现浇大体积混凝土筏板基础施工的实践,总结了大体积混凝土施工在选材、配合比设计、混凝土温度应力计算、混凝土温控措施等方面的一些技术和方法,与广大同行们交流和探讨。
  一、工程概况
  江门市金海湾花园是高层商住小区。笔者主持施工的两幢高层建筑为20层,每幢建筑面积近18000m2,包括主楼和裙房两部分,主楼有地下室一层,平面形状呈“箭头”形,采用天然地基筏板基础,筏板面积约为1100m2。厚为1550mm,筏基混凝土强度等级为C30,抗渗等级为S6,设计无后浇带,要求筏基整体一次性浇灌,故每个基础整体一次浇捣的混凝土量为1700m3。
  二、大体积混凝土的温控抗裂措施
  大体积混凝土施工中,由于水泥水化热过大而引起混凝土温度应力过大以及混凝土内外温差过大,是大体积混凝土容易产生裂缝的主要原因。针对这个原因,首先在大体积混凝土的选材及配合比设计中采取以下措施:
  1、选择水化热较低的水泥。由于同一强度等级的水泥,矿渣硅酸盐水
  泥的早期水化热量比普通硅酸盐水泥的早期水化热量小,故本工程在试配时采用矿渣硅酸盐水泥,等级为42.5。经过混凝土的水化热温升和温度应力计算,表明混凝土的温度应力符合抗裂安全要求。
  2、适当控制水泥用量。由于水泥水化热引起的混凝土温升是与水泥用
  量成正比,所以应在保证混凝土的设计强度等级的前提下适当减少水泥用量。本工程经过混凝土的配比试验,确定每m3混凝土的水泥用量为370Kg,相应的水灰比为0.54。
  3、由于该筏基混凝土浇筑是采用泵送及塔吊输送,为了在适当减少水
  泥用量和水灰比的情况下确保混凝土的可泵性,掺入了Ⅱ级粉煤灰作为混合料,并添加了FDN2000泵送剂。混凝土的配合比如表1所列:
  表1
  
  
  在该配合比设计中,掺加粉煤灰,减少水泥用量,减少水化热,掺入膨胀剂,使混凝土的收缩得到补偿,减少混凝土的温度应力。掺入泵送剂,对泵送混凝土起到增塑、缓凝及一定的早强、增强作用,各项措施的采用大大减少施工过程中出现温度裂缝的可能性。
  4、对混凝土的原材料进行预冷却。筏基混凝土是在2006年6月上旬浇筑,正值夏季,经测得当时日间室外气温最高在32℃左右,这对大体积混凝土施工不利。为了控制混凝土内部的最高温度,以防止混凝土早期裂缝的产生,施工时采用了降温法,即对混凝土的原材料进行预冷却,以降低混凝土拌和温度和浇筑温度:
  ⑴对混凝土的拌和水采用加冰屑的方法进行降温。以混凝土浇筑时的
  环境气温为30℃,要求拌和温度控制在25℃左右,经计算,拌合水的温度应控制在8℃左右,为此,拌合水的加冰率约在25%左右。
  ⑵为保证有足量的冰水供搅拌混凝土使用,事前在搅拌站旁设置了容
  量为约8m3的钢制冰池。施工时,组织人力将冰块破碎成冰屑,投入化冰池融化成冰水。同时,在池顶加盖遮阳棚。冰水的温度设专人测温控制。
  ⑶在冷却拌和水的同时,组织专人对碎石喷淋自来水预冷降温,而在
  拌和水中扣除碎石的含水量,保证含水率符合设计配合比要求。
  5、采用斜面分层法浇筑混凝土。19号楼筏基及20号楼筏基平面面积均约1100m2,筏基板厚为1550mm。筏板的纵橫长度均接近厚度的3倍。经研究决定采用斜面分层法浇筑混凝土,统一由筏基平面形状的“箭头”向“箭尾”方向分点卸料,一次打出底板面,即“由箭头向箭尾,一次浇筑、一个坡度、薄层覆盖、循序推进、一次到顶”的办法。采用这种办法能使混凝土自然流向形成斜坡,简化混凝土的泌水处理,保证上下层浇筑间隔不超过初凝时间,增加混凝土的密实度,提高抗裂能力。另外,分层振捣密实能使混凝土的水化热尽快散失,降低混凝土的内部温度,有效地控制裂缝。
  6、混凝土的表面进行碾压处理。由于筏基厚度较大,混凝土浇捣后表面水泥浆较多。在浇筑后2~8小时内,先按标高用长刮板刮平,然后反复用木搓板反复搓压数遍,使其表面平整密实。在初凝前再用铁滚筒碾压数遍,并用铁搓板压光,以增加表层混凝土的密实度,闭合表面初期出现的收缩裂缝。
  7、加强混凝土的养护。筏基混凝土浇筑期间为夏季,室外气温在 26℃~32℃。故在混凝土分段浇筑成型后,在终凝前12小时内,在混凝土表面淋水养护,待混凝土筏基全面浇筑完成后在整个筏基面进行蓄水养护。蓄水前,在基础表面四周砌砖,蓄水高度为15cm,其养护时间保持14天。
  三、大体积混凝土的温度应力计算[1]
  根据本工程的现场条件、混凝土的用料和配合比,以及所采取的浇筑工艺,对筏基混凝土施工过程中的温度应力和最大内外温差进行计算。
  1、确定混凝土温升计算的基本参数
  本工程混凝土温升计算所需的基本参数见表2、表3。
  
  表2
  
  
  表3
  
  
  
  2、计算各龄期阶段混凝土的计算温差
  水泥水化热引起混凝土绝热温升的最大值为
  Tmax= = = 53.08 ℃
  各龄期阶段混凝土在非绝热温升状态下的水泥水化热降温温差为
  Ti-j = Tmax[ξ(i)-ξ(j)]
  由于混凝土一般是从浇筑后第4天开始降温,故从第三天开始计算,且每3天作为一个龄期阶段进行降温温差计算,于是得
  T3-6= Tmax[ξ(3)-ξ(6)]=53.08×(0.49-0.48)=0.53 ℃
  同样方法得
  T6-9=4.78 ℃ T9-12=4.78 ℃T12-15=4.26 ℃T15-18=3.18 ℃
  T18-21=2.65 ℃T21-24=1.59 ℃T24-27=0.53 ℃T27-30=0.53 ℃
  各龄期混凝土的收缩当量温差为
  Ty(t)= ε°y (1-e-0.01t)·M/α
  式中M是考虑水泥品种、水泥细度、骨料品种、水泥浆量、捣实方法等因素的调整系数,本工程取值为1.3,于是得
  Ty(3)=3.24×10-4(1-e-0.03)×1.2/1×10-5=1.25 ℃
  同样方法得
  Ty(6)=2.45℃Ty(9)=3.62℃Ty(12)=4.77℃ Ty(15)=5.87℃
  Ty(18)=6.94℃ Ty(21)=7.98℃ Ty(24)=8.99℃ Ty(27)=9.97℃
  Ty(30)=10.92℃
  各龄期阶段的混凝土收缩当量温差为
  Ty(i-j) = Ty(j)-Ty(i),于是得
  Ty(3-6)= Ty(6)-Ty(3)=2.45-1.25=1.2 ℃
  同样方法得
  Ty(6-9)=1.17℃ Ty(9-12)=1.14℃ Ty(12-15)=1.10℃
  Ty(15-18)=1.07℃ Ty(18-21)=1.04℃Ty(21-24)=1.01℃
  Ty(24-27)=0.98℃ Ty(27-30)=0.95℃
  各龄期阶段混凝土的计算温差为
  T(i-j) = Ti-j+ Ty(i-j),于是得
  T(3-6)= T3-6+Ty(3-6)=0.53+1.2=1.73 ℃
  同样方法得
  T(6-9)=5.95℃ T(9-12)=5.92℃ T(12-15)=5.36℃
  T(15-18)=4.25℃ T(18-21)=3.69℃T(21-24)=2.60℃
  Ty(24-27)=1.51℃ Ty(27-30)=1.48℃
  3、计算各龄期混凝土的弹性模量
  各龄期混凝土的弹性模量E(t)=Eo(1-e-0.09t),于是得
  E(3)=3.0×104(1-e-0.09×3)=0.71×104N/mm2,同样方法得
  E(6)=1.25×104N/mm2 E(9)=1.67×104N/mm2E(12)=1.98×104N/mm2
  E(15)=2.22×104N/mm2E(18)=2.41×104N/mm2 E(21)=2.54×104N/mm2
  E(24)=2.66×104N/mm2E(27)=2.73×104N/mm2 E(30)=2.80×104N/mm2
  4、计算各龄期阶段混凝土的温度应力
  计算各龄期阶段混凝土的温度应力为
  б(i-j) = αT(i-j)[1-1/ch(×)]S(t)
  于是得
  б(3-6) = ×1×10-5×1.73×
  [1-1/ch(×)]×0.545
  =0.032N/mm2,同样方法得
  б(6-9) =0.113N/mm2 б(9-12) =0.108N/mm2б(12-15) =0.084N/mm2
  б(15-18) =0.070N/mm2б(18-21) =0.058N/mm2б(21-24) =0.039N/mm2
  б(24-27) =0.022N/mm2б(27-30) =0.021N/mm2
  混凝土总的温度应力为
  бmax=∑б(i-j) =б(3-6)+ б(6-9)+ б(9-12)+……+б(27-30)
  =0.032+0.113+0.108+0.084+0.070+0.058+0.039+0.022+0.021
  =0.547 N/mm2
  而C30混凝土30d龄期时的抗拉强度ft=1.30 N/mm2,可见
  бmax<ft
  所以本筏基混凝土不会由于降温温差和混凝土收缩而形成温度裂缝。
  5、计算混凝土内部与表面的最大温差
  非绝热温升状态下混凝土水化热的温升为
  T(t)=Tmax(1-e-mt)·ξ(t)
  根据文献[1]的表7-3得知,当混凝土的浇筑温度为25℃时(由于用了降溫施工措施),m=0.384;根据图7-7得知,当混凝土浇筑厚度为1.55m时,在混凝土浇筑后第4天,绝热温升状态下混凝土水化热的温升达到最大值,且非绝热温升状态下混凝土水化热的温升与绝热温升的比值ξ(4)=0.50,于是得
  T(4)= Tmax(1-e-m×4)·ξ(4)=53.08×(1-e-0.384×4)×0.5=20.83℃
  这时,大体积混凝土内部的温度为25+20.83=45.83℃。根据当地气象资料,混凝土浇筑后5日内,江门市区的日平均气温为28℃,可认为混凝土的表面温度将达28℃,所以混凝土内部与表面温差最大为45.83-28=17.83℃,小于25℃。表明混凝土内部与表面的温差不大,不会在混凝土表面产生裂缝,从而符合混凝土温差的控制要求。
  四、混凝土的温度测量:
  测量混凝土温度的目的,是及时监测混凝土的内部最高温度以及混凝土内部与表面温差的变化情况,一旦发现该温差有超过25℃的趋势时应及时采取预防措施。根据现场的施工条件,决定采用接触式的玻璃温度计对混凝土进行测温。
  根据筏基的平面形状,在筏基角部、周边中部及筏基中部等共布置12
  个测点,每个测点内,按深层(深度-1.25m)、中层(深度-0.75m)、浅层(深度-0.25m)三个部位设置测温管和温度计。各测温点的布置见图1。
  在混凝土浇筑前,按照测温点位置和按深层、中层、浅层的三个部位预埋好用φ50mm铁管加工而成的测温管。预埋时,用拉结钢筋与钢筋骨架焊接在一起固定,铁管底部焊封铁板,上口高出浇筑面20cm,并用木塞塞紧,防止水分和杂物入内。测温前,先将温度计插入预埋的铁管内,温度计的顶端用木塞塞紧,同时,温度计在管内停留的时间不少于5分钟。当温度计从埋管内抽出时迅速读出温度值。
  每天测温控制在1~2小时一次。混凝土浇筑后前的5天内安排每2小时测一次,以后每日早、午、晚各测一次;连续测温时间为30天,并记录测量结果。19号楼5号测量深度-0.75m处混凝土温度的实测结果见图2。
  
  
  由图2可见,筏板基础中心区混凝土内部的温升变化与按理论公式计算的温升曲线较吻合,峰值出现在混凝土浇捣后的第4天和第5天,实测最高值为47.8℃,与理论计算值45.83℃十分接近。
  
  五、结语
  该筏板基础混凝土浇筑后,经过持续1个月左右的检查,未发现混凝土表面有裂缝产生。地下室建成至今已使用多年,亦未发现底板由于混凝土裂缝而产生渗漏的现象。这表明该筏板基础大体积混凝土施工时所采取的各项控温防裂措施是有成效的,所进行的温度应力计算对确保大体积混凝土施工达到防裂缝的预期目的亦是具有很好的预前指导作用的。
  
  
  参考文献:
  [1] 高层建筑基础工程施工(第二版),赵志缙、赵帆编著,中国建筑工业出版社,1994年
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