摘要:大体积混凝土施工是现代大型土木工程中的特种技术,工程技术人员必须从理论上认清制约大体积施工质量的基本原因。以工程实践为例分析了大体积混凝土温度应力形成机理,进行了大体积混凝土裂缝控制的施工详细计算,提出了切实可行的裂缝控制施工技术措施,对类似工程有一定借鉴作用。

关键词:承台;大体积混凝土;温度应力估算;裂缝控制技术

1　工程概况

某特大桥全长1433m,主桥为(130+230+130)m预应力混凝土连续刚构,单箱单室,下部结构为16根24m长Ф230cm的群桩基础,上接大体积分离式承台。单幅承台结构尺寸为18.7m×10.2m×5m,单幅承台混凝土方量为953.7m3,一次浇注完成。

2　承台混凝土温度应力简要分析

大体积混凝土在硬化期间,水泥水化后释放大量的热量,使混凝土中心区域温度升高,而混凝土表面和边界由于受气温影响温度较低,从而在断面上形成较大的温差,使混凝土的内部产生压应力,表面产生拉应力(称为内部约束应力)。

当混凝土的水化热发展到3～7d达到温度最高点,由于散热逐渐产生降温产生收缩,且由于水分的散失,使收缩加剧,这种收缩在受到基岩等约束后产生拉应力(称为外部约束应力)[1]。

由于所研究的承台支撑在16根小直径的群桩上,桩的横向刚度不大,所以承台受到的外约束并不大,所以只需考虑内部约束应力[2]。温度应力在承台混凝土内的分布如图1所示。温度应力在承台

综上所述,在承台大体积混凝土施工前,必须进行混凝土的温度变化,应力变化的估算,以确定养护措施、分层厚度、浇筑温度等施工措施,并以此来指导施工。

3　承台大体积混凝土裂缝控制的施工计算

3.1　相关施工资料

(1)配合比。水泥:粉煤灰∶砂子∶碎石∶水∶NNO2Ⅱ减水剂=1∶0.136∶1.84∶3.11∶0.48∶

0．01。

(2)材料。水泥:腾辉F032.5级水泥;碎石:连续级配碎石(5～31.5mm);混合中砂:机制砂40%;河细砂60%;粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰;外加剂:NNO2Ⅱ型缓凝减水剂。

(3)气象资料。相对湿度80%～82%;年平均气温17.5～17.6℃,最高气温40.5℃,夏热期(5～9月份)平均气温20℃。

(4)采用自动配料机送料,装载机加料,拌和站集中拌和,混凝土泵输送混凝土至模内。

3.2　混凝土最高水化热温度及不同龄期绝热温度计算

C=369kgm3;粉煤灰32.5水泥:水化热Q7d=257Jkg,Q28d=222Jkg(腾辉水泥厂提供的数据);

c=0.96Jkgk;ρ=2400kgm3。

(1)混凝土最高水化热绝热温升Tmax=CQcρ=(366×257)(0.96×2400)=40.83℃。

(2)3d的绝热温升T(3)=Tmax(1-e-0.3t)=40.83×(1-e-0.3×3)=24.23℃,ΔT(3)=24.23-0=24.23℃。

(3)7d的绝热温升T(7)=40.83×(1-e-0.3×7)=35.83℃,ΔT(7)=35.83-24.23=11.6℃。

(4)15d的绝热温升T(15)=40.83×(1-e-0.3×15)=40.38℃,ΔT(15)=40.38-35.83=4.55℃。

3.3　混凝土各龄期收缩变形值计算

变形值计算公式为εy(t)=ε0y(1-e-0.01t)M1M2M10。查表得:M1=1.10,M2=1.0,M3=1.0,

M4=1.21,M5=1.2,M6=1.11(1d),1.09(3d),1.0(7d),0.93(15d),M7=0.7,M8=1.4,M9=1.0,M10=0.895。则有M1M2M3M4M5M7M8M9M10=1.401。

(1)3d收缩变形值εy(3)=ε0y(1-e-0.03)×1.401×M6=3.24×10-4×(1-e-0.03)×1.401×1.09=0.146×10-4。

(2)7d收缩变形值εy(7)=ε0y(1-e-0.07)×1.401×M6=3.24×10-4×(1-e-0.07)×1.401×1.0=01307×10-4。

(4)15d收缩变形值εy(15)=ε0y(1-e-0.15)×1.401×M6=3.24×10-4×(1-e-0.15)×1.401×0193=01588×10-4。

3.4　混凝土收缩变形换算成当量温差

(1)3d龄期T(y)(3)=-εy(3)a=(-0.146×10-4)(1.0×10-5)=-1.46℃。

(2)7d龄期T(y)(7)=(-0.307×10-4)(1.0×10-5)=-3.07℃。

(3)15d龄期T(y)(15)=(-0.588×10-4)(1.0×10-5)=-5.88℃。

3.5　各龄期混凝土模量计算

计算公式为E(t)=Ec(1-e-0.09t)。

(1)3d龄期E(3)=3.0×104(1-e-0.09×3)=7.1×103Nmm2。

(2)7d龄期E(7)=3.0×104(1-e-0.09×7)=1.40×104Nmm2。

(3)15d龄期E(15)=3.0×104(1-e-0.09×15)=2.22×103Nmm2。

3.6　混凝土的温度收缩应力计算

混凝土强度换算公式为f(n)=f(28)lgnlg28,混凝土抗拉强度计算公式为ft=0.23f23

cu。对于C30混凝土,f(28)=15Nmm2。3d龄期f(3)=f(28)lg3lg28=15×lg3lg28=4.95Nmm2,ft=0.23f23

(3)=0.23×4.9523=0.668

Nmm2。7d龄期f(7)=f(28)lg7lg28=15×lg7lg28=8.76Nmm2,ft=0.23f23

(7)=0.23×8.7623=0.98Nmm2。

由于在七月份浇注承台混凝土,气温较高,假设入模温度To=30℃,Th=25℃。

(1)3d龄期H(t)=0.57,R=0.35,V=0.15。ΔT=T0+23T(t)+Ty(t)-Th=30+23×24.23+1146-25=22.61℃,σ=-(E(t)aΔTH(t)R)(1-V)=(7.1×103×10×10-6×22.61×0.57×0.35)(1–0.15)=0.377Nmm2(0.6681.15)=0.581Nmm2。

(2)7d龄期H(t)=0.502,R=0.35,V=0.15。ΔT=30+23×35.38+3.07-25=31.96℃,

σ=(1.4×104×10×10-6×31.96×0.502×0.35)(1-0.15)=0.93Nmm2(0.981.15)=0.852Nmm2。

抗裂安全系数K=0.980.93=1.051.15。

4　裂缝控制的施工技术措施

通过以上分析可知,承台基础在露天养护期间,7d龄期时,抗裂安全系数K值稍小于1.15,此时混凝土有可能出现裂缝,因此,在设计配合比、混凝土施工过程及养护期间应采取一定措施,以减小混凝土表面与内部温差值,使得混凝土表面与混凝土内部温差小于25℃,σ(1.15)ft,则可控制裂缝的不出现。采取如下措施:

(1)采用双掺技术。掺入粉煤灰和NNO2II型缓凝减水剂,粉煤灰掺入采用超量代换法,减水剂的缓凝时间15h(通过实验室测定结果表明),延缓混凝土的初凝时间,延缓混凝土水化热峰值的出现。(2)通过技术性能比较,石灰岩碎石的线膨胀系数较小,弹模低,拉伸值大,据相关资料表明,在相同温差下,温度应力可减小50%,能提高混凝土的抗拉强度,因此,选用石灰岩碎石作为粗骨料;控制骨料(砂、石)的含泥量,以减小混凝土的收缩,提高极限拉伸[3]。

(3)严格控制混凝土的入模温度在30℃左右。选择在傍晚开始浇注承台混凝土,对粗骨料进行喷水和护盖;施工现场设置遮阳设施,搭设彩条布棚,避免阳光直晒;在水箱中加入冰块,降低拌和水的温度;在基坑内设一大功率的鼓风机进行通风散热。

(4)埋设6层冷却管,每层冷却管配一潜水泵,在第一批开始混凝土初凝时由专人负责往冷却管内注入凉水降温,冷却水流速应大于15Lmin,冷却水采用嘉陵江水,持续养生7d。通过冷却排水,带走混凝土体内的热量,许多工程实践表明,此方法可使大体积混凝土体内的温度降低3～4℃[4]。

(5)浇注混凝土时,采用薄层浇注,控制混凝土在浇注过程中均匀上升,避免混凝土拌和物堆积过大高差,混凝土的分层厚度控制在20～30cm。

(6)设10台插入式振捣器,加强振捣,以期获得密实的混凝土,提高密实度和抗拉强度,浇注后,及时排除表面积水,进行二次抹面,防止早期收缩裂缝的出现。

(7)混凝土浇注后,搭设遮阳布棚,避免阳光曝晒承台表面。

(8)混凝土浇注后,混凝土表面用土工布覆盖保温,并洒水养生,使混凝土缓慢降温、缓慢干燥,减少混凝土内外温差。

(9)混凝土浇注后,每2h量测冷却管出口的水温和混凝土表面温度,若温差大于20℃时,及时调整养护措施,如加快冷却水的流通速度等措施,以控制温差小于20℃。

5　温度监测

承台混凝土入模温度为30～34℃,1.5d后中心温度最高达50℃,温升达20℃,3d后中心温度达57～60℃,温升27～30℃,经过10～12d降温阶段后,中心温度基本稳定。承台中心与侧面中心温度的最大温差为10℃,与承台表面的最大温差为17℃左右,因此,在养护阶段必须做好承台表面的保温措施,延缓承台表面的降温速度,减小温差。

6　结语

通过事先裂缝控制的验算及裂缝控制方案的周密考虑,成功地控制了承台裂缝的产生,施工后检查承台混凝土各表面整体光滑,未见收缩裂缝。从本工程的裂缝控制得出:裂缝控制应以合理的结构设计为基础,具体施工中从合理选材入手,加以事先裂缝控制验算并采取适当的控制措施,全方位、多层次地进行裂缝控制,才能做到真正意义上的裂缝控制.

参　考　文　献

[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]刘智弘,贺晓文,李金梅.混凝土结构裂缝问题的分析及控制措施[J].辽宁师专学报,2004(9):87～106

[3]张潭,梁正钦.浅谈水泥混凝土裂缝成因分析与处理[J].大众科技,2004(5):45～49

[4]GB5020422002,混凝土结构工程施工质量验收规范[S].