控制大体积混凝土裂缝的技术措施

刘俊凯 中石油东北炼化工程有限责任公司吉林设计院 吉林 132002

控制大体积混凝土裂缝的技术措施

刘俊凯＊中石油东北炼化工程有限责任公司吉林设计院 吉林 132002

介绍大体积混凝土裂缝的概念、公式推导、影响裂缝的各项指标以及施工中的预防措施,总结控制大体积混凝土裂缝的措施。

大体积混凝土 水化热 温度应力 裂缝

现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工,如高层楼房基础、大型设备基础和水利大坝等。其主要特点为体积大,一般实体最小尺寸≥1m。其表面系数比较小,水泥水化热释放比较集中,内部温升比较快。混凝土内外温差较大时,易使混凝土产生温度裂缝,影响结构安全和正常使用,所以必须分析其原因,采取措施来保证施工质量。

1 大体积混凝土的裂缝

大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同,分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。

贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝,最终形成贯穿裂缝。它切断了结构的断面,可能破坏结构的整体性和稳定性,有较严重的危害性;深层裂缝部分地切断结构断面,也有一定危害性;表面裂缝一般危害性较小。

大体积混凝土在施工阶段所产生温度裂缝的原因:①由于内外温差而产生的;②结构的外部约束和混凝土各质点间的约束,阻止混凝土收缩变形。混凝土抗压强度较大,但抗拉强度却很小,所以温度应力一旦超过混凝土能承受的抗拉强度时,即会出现裂缝。这种裂缝的宽度在允许限值内,一般不会影响结构的强度,但却对结构的耐久性有所影响,因此必须予以重视和控制。

2 产生裂缝的原因

2.1 公式的推导

当基础板相对地基有一温差T时,计算板内约束应力。此时只考虑对贯穿裂缝起控制作用的平均拉力,通过光弹试验证明主拉应力理论是可以应用到长墙混凝土裂缝的分析中,概念清楚,简单实用。长墙受地基约束计算简图见图1。

图1 长墙受地基约束计算简图

在筏式底板的任意点x处,截取一段dx长的微体,由于假定均匀受力,微体的高度取全高H,其厚度为t,承受均匀内力为N(即σx的合力),地基对板的剪力为Q(τ的合力)。取水平投影(暂时忽略地基对板的垂直应力σy)。

列出平衡方程∑x=0:

任意点的位移由约束位移与自由位移合成:

此微分方程的通解为:

以此类推,边界条件定积分常数为:

得位移μ的表达式(端部位移μ,最大水平法向应力、剪应力都由位移导出):

根据推导结果绘出水平法向力及剪应力分布图,见图2。

从工程实践方面可知,水平应力σx是设计主要控制应力,是引起垂直裂缝的主要应力,其最大值在截面的中点x=0处,此处剪应力τ=0,即最大主应力:

图2 长墙的主要应力图形

在该值上乘以应力松弛系数得徐变应力:

为了较为确切计算早期混凝土的温度应力,考虑弹性模量的变化及松弛系数随时间的变化,将温差分为许多区段ΔT,各段内将E(t)及H (t,τ)看作常量,最后叠加得考虑徐变作用的应力(一般大块或厚板均属二维平面应力):

式中,ΔTi为将从温升的峰值至周围气温总降温差分解为n段的第i段温差;Ei(t)为相当于第i段降温时的弹性模量;Hi(t,τi)为相当于第i段龄期τi,经过由t至τi时间的应力松弛系数,t为由峰值温度降至周围气温的时间。

应用上述公式可计算任意时间的应力状态,但根据裂缝出现的实践经验,浇注后15～30天出现较为不利的应力状态,可按此阶段进行计算。从公式可看出,温度应力首先和温差成正比,升温为正,应力为负,即引起压应力;降温为负,应力为正,即引起拉应力;收缩值换算为当量温差,永远为负值,应力为拉应力,因此混凝土结构的降温与收缩同时发生时,混凝土结构将承受互相叠加的拉应力,容易开裂,所以夏季施工的工程比秋冬季施工的更容易开裂。

2.2 水泥水化热

水泥在水化过程中要释放热量,而大体积混凝土结构断面较厚,表面系数相对较小,所以水泥发生的水化热聚集在结构内部不易散失,以致越积越多,使内外温差增大。单位时间混凝土释放的水泥水化热与混凝土单位体积中水泥用量和品种有关,并随混凝土的龄期而增长。由于混凝土结构表面可以自然散热,实际上内部的最高温度多发生在浇筑后的最初3～5天。

2.3 外界气温变化

大体积混凝土在施工阶段的浇筑温度随着外界气温变化而变化,特别是气温骤降,会大大增加内外层混凝土温差,这对大体积混凝土是极为不利的。温度应力是由温差引起变形而产生的,温差愈大,温度应力也愈大。同时,在高温条件下,大体积混凝土不易散热,混凝土内部的最高温度一般可达60～65℃,并且有较长的延续时间,因此,应采取温度控制措施,防止混凝土内外温差引起过大的温度应力。

2.4 混凝土的收缩

混凝土中约20%的水分是水泥硬化所必须的,而约80%的水分要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩,这是混凝土体积收缩的主要原因。如果混凝土收缩后,再处于水饱和状态,还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替会引起混凝土体积的交替变化,这对混凝土是很不利的。

影响混凝土收缩的因素主要有水泥品种、混凝土配合比、外加剂和掺合料的品种以及施工工艺(特别是养护条件)等。

2.5 结构长度的影响

由上述公式可看出,最大应力不仅与高长比(H/L)有关,而且与底板长度的绝对尺寸有关。长度增加,应力增加,但不是线性关系。在较短的范围内,长度对应力的影响较大,超过一定长度后,影响变微,其后趋近于常数,无论长度如何增加,应力不变,见图3。

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

该图显示的是具有不变的H/L=1/10,具有各种不同水平阻力系数Cx。由于底板绝对尺寸的变化而有不同应力的关系曲线。可以看出,Cx越小,应力增加越缓慢;随着长度的增加,应力增长速度不断下降。

图3 温度应力与结构长度关系

3 大体积混凝土的配制

大体积混凝土所选用的原材料应注意以下几点:

(1)粗骨料宜采用连续级配,细骨料宜采用中砂。

(2)外加剂宜采用缓凝剂、减水剂;掺合料宜采用粉煤灰、矿渣粉等。

(3)大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下,应提高掺合料及骨料的含量,以降低单方混凝土的水泥用量。

(4)水泥应尽量选用水化热低、凝结时间长的水泥,优先采用中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。

但是,水化热低的矿渣水泥的析水性比其它水泥大,在浇筑层表面有大量水析出。这种泌水现象不仅影响施工速度,同时影响施工质量。因析出的水聚集在上下两浇筑层表面间,使混凝土水灰比改变,而在掏水时又带走了一些砂浆,形成一层含水量多的夹层,破坏混凝土的粘结力和整体性。混凝土泌水性的大小与用水量有关,用水量多,泌水性大;且与温度有关,水完全析出的时间随温度的提高而缩短;此外,还与水泥的成分和细度有关。所以,在选用矿渣水泥时应尽量选择泌水性的品种,并应在混凝土中掺入减水剂,以降低用水量。在施工中,应及时排出析水或拌制一些干硬性混凝土均匀浇筑在析水处,用振捣器捣实后,再继续浇筑上一层混凝土。

4 大体积混凝土的浇筑

浇筑方案除应满足每一处混凝土在初凝以前就被上一层新混凝土覆盖并捣实完毕外,还应考虑结构大小、钢筋疏密、预埋管道和地脚螺栓的留设、混凝土供应情况以及水化热等因素的影响,常采用的浇筑方法有以下几种。

4.1 全面分层

即在第一层全部浇筑完毕后,再回头浇筑第二层,此时应使第一层混凝土还未初凝,如此逐层连续浇筑,直至完工为止。采用这种方案适用于结构的平面尺寸一般不宜太大,施工时从短边开始,沿长边推进比较合适。必要时可分成两段,从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。

4.2 分段分层

混凝土浇筑时,先从底层开始,浇筑至一定距离后浇筑第二层,如此依次浇筑其他各层。由于总的层数较多,所以浇筑到顶后,第一层末端的混凝土还未初凝,又可以从第二段依次分层浇筑。这种方案适用于单位时间内要求供应的混凝土较少,不像第一种方案那样集中。这种方案适用于结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程。

4.3 斜面分层

要求斜面的坡度不大于1/3,适用于结构的长度大大超过厚度3倍的情况。混凝土从浇筑层下端开始,逐渐上移。

5 大体积混凝土养护温度的控制

大体积混凝土的养护不仅要满足强度增大的需要,还应通过温度控制,防止因温度变形引起混凝土的开裂。

温度控制就是要控制混凝土的浇筑温度和混凝土内部的最高温度。

在混凝土养护阶段的温度控制应遵循以下几点:

(1)混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的温差均应小于20℃;当结构混凝土具有足够的抗裂能力时,不大于30℃。

(2)采用通蒸汽养护法时,混凝土的收缩值随时间而增长,蒸汽养护的收缩值低于常温养护的收缩值。混凝土从开始凝结就产生收缩,初期收缩变形发展较快,2～4周可分别完成全部收缩的25%～50%,12周后增长缓慢,整个收缩过程可延续2年以上,最终收缩值为(2～5)×10-4,见图4。

图4 蒸汽养护混凝土的收缩值与时间的关系

(3)采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部降温法是在混凝土内部预埋水管,通入冷却水,降低混凝土内部最高温度。冷却在混凝土刚浇筑完时就开始进行,还有常见的投毛石法,均可以有效地控制因混凝土内外温差而引起的混凝土开裂。

(4)混凝土拆模时,混凝土的温差不超过20℃。其温差应包括表面温度、中心温度和外界气温之间的温差。

(5)保温法是在结构物外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖如草袋、锯末、湿砂等保温材料,在缓慢的散热过程中,使混凝土获得必要的强度,以控制混凝土的内外温差小于20℃。

(6)混凝土表层布设抗裂钢筋网片,防止混凝土收缩时产生干裂。

(7)减小地基水平阻力法,即在基础底板与垫层之间设滑动层,如铺两层油毡、施沥青涂层以及用其他当地可用的垫层。

6 结语

在大体积混凝土施工时,准确计算混凝土拌合温度、混凝土出机温度、混凝土绝热温升、混凝土内部实际温度、混凝土表面温度及混凝土内部与表面温差,有利于选取适宜的施工工艺、采取相应的降温与养护措施,从而避免出现混凝土温度裂缝,以保证混凝土结构的工程质量。

1 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

2 李国胜.建筑结构裂缝及加层加固疑难问题的处理—附实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

3 GBJ 10-89,混凝土结构设计规范[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

＊刘俊凯:工程师。2005年7月毕业于吉林省建筑工程学院土木工程专业。一直从事土建结构设计工作。联系电话:(0432) 63958491,E-mail:liujunkai@cpene.com。

(修改回稿2011-04-20)