大體積混凝土施工的養(yǎng)護(hù)措施及溫度應(yīng)力計(jì)算

王瀟洲

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510650)

大體積混凝土［1］是指混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。保溫養(yǎng)護(hù)是大體積混凝土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。保溫養(yǎng)護(hù)的主要目的是通過(guò)減少混凝土表面的熱擴(kuò)散，從而降低大體積混凝土澆筑體的里外溫差值，降低混凝土澆筑體的自約束應(yīng)力;另外，降低大體積混凝土澆筑體的降溫速率，延長(zhǎng)散熱時(shí)間，充分發(fā)揮混凝土強(qiáng)度的潛力和材料的松弛特性，以提高混凝土承受外約束應(yīng)力時(shí)的抗裂能力，達(dá)到防止或控制溫度裂縫的目的。因此，選擇一種有效的保溫保濕養(yǎng)護(hù)方式以及采取綜合的施工技術(shù)措施，是控制混凝土內(nèi)表溫差和混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力，保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 工程概況及技術(shù)措施

1.1 工程概況

廣東某綜合大廈的28層主體塔樓采用筏板基礎(chǔ)，筏基底板面積為2 060 m2，板厚2.2 m，最大尺寸為58.5 m×45.5 m;筏板下設(shè)215根直徑為1.0 m的挖孔短樁。混凝土為 C35，S8泵送商品混凝土，設(shè)計(jì)要求筏板沿高度一次澆筑，水平方向不設(shè)后澆帶。筏板混凝土澆筑量超過(guò)4 500 m3，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工。

1.2 主要技術(shù)措施

1.2.1 混凝土原材料

水泥選用525號(hào)硅酸鹽Ⅱ型水泥，可提高抗硫酸鹽侵蝕性能并降低放熱速率。摻合料采用珠江電廠的Ⅰ級(jí)磨細(xì)粉煤灰。摻加適量UEA膨脹劑，從材料角度提高了混凝土抗裂能力。中砂的含泥量控制在2%以內(nèi)，5～40 mm碎石的含泥量控制在1%以內(nèi)。

1.2.2 混凝土配合比

水∶水泥∶砂∶石子∶粉煤灰∶UEA型膨脹劑∶DL-3型緩凝劑 =179∶298∶757∶1 046∶60∶40∶3.98(kg/m3)=0.601∶1.0∶2.54∶3.51∶0.201∶0.134∶0.013。

1.2.3 澆筑方法

混凝土的澆筑按混凝土自然流淌坡度、斜面分層、連續(xù)逐層推移、一次到頂?shù)姆椒ㄟM(jìn)行。澆筑方向沿橫向(短向)進(jìn)行，每次澆筑工作面不超過(guò)3 m，混凝土分4層澆筑，厚550 mm。在混凝土澆筑至高程時(shí)，用刮尺刮平多余浮漿，用鐵滾筒滾壓2～3遍，控制好終凝前混凝土表面的二次抹光，以防止表面龜裂。收頭時(shí)間控制在1.5 h內(nèi)，然后再實(shí)施保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施。

1.2.4 混凝土筏基測(cè)溫控制

筏基底板均勻布置15個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)沿垂直方向有1組4個(gè)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)(見(jiàn)圖1)，包括空氣溫度(A)，混凝土表面溫度(B)，中心溫度(C)，底部溫度(D)?；炷翝仓?，溫度上升階段每2 h測(cè)溫1次，持續(xù)測(cè)溫3～4 d，待溫度下降后，每8 h測(cè)溫1次。根據(jù)事先確定的溫控指標(biāo)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)工作。

2 筏基養(yǎng)護(hù)措施的溫控分析

2.1 筏基的貯水蓄熱養(yǎng)護(hù)措施

經(jīng)綜合分析比較，本筏基采用混凝土表面貯水蓄熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施，如圖2所示。較之草袋養(yǎng)護(hù)等其它養(yǎng)護(hù)方法，具有施工簡(jiǎn)單、保溫材料水資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，明顯降低了施工成本。

圖1 測(cè)溫?cái)嗝鏈y(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

圖2 混凝土表面貯水保溫保濕養(yǎng)護(hù)示意圖(單位:mm)

在終凝后的混凝土表面用磚砌筑貯水池，分格貯水。各貯水池長(zhǎng)3.0 m、寬2.0 m、高0.07 m，貯水高度為0.05 m。貯水的目的是利用水對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和蓄熱，在混凝土表面形成一道保溫屏障，再在貯水池上面覆蓋一層厚0.5 mm的塑料薄膜，塑料薄膜一方面防止水分蒸發(fā)和熱量散失，另一方面利用貯水池水面與塑料薄膜之間架空層(約厚5 mm)的空氣保溫，并且隔離了外界雨水和大氣溫度的變化對(duì)貯水池水溫的直接影響。最后養(yǎng)護(hù)14 d。14 d后，繼續(xù)保持混凝土表面濕潤(rùn)。

2.2 貯水蓄熱養(yǎng)護(hù)措施的溫控分析

2.2.1 混凝土筏基中心最高溫度Tmax

式中，Tj為入模溫度，3月上旬取26℃;Th=WQ/(Cγ)為混凝土內(nèi)部最高絕熱升溫值，其中，水泥用量W=298 kg/m3，525號(hào)水泥水化熱Q=461 kJ/kg，混凝土比熱C=0.97 kJ/(kg·℃)，混凝土密度γ=2 400 kg/m3;散熱系數(shù)ξ=0.63。則Tmax=63.18℃

2.2.2 混凝土筏基表面溫度Tb(t)

式中，Tq為大氣環(huán)境溫度，取22℃，則ΔT(t)=Tmax－Tq=41.18℃;H為計(jì)算厚度(m)，按單面暴露于空氣的平板看待，H=h+h';而h'=kλ/β為混凝土虛擬厚度(m)，λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，取2.33 W/(m·K);折減系數(shù)K取0.67;β為保溫層的放熱系數(shù)［W/(m2·K)］，β值按下式計(jì)算

式中，δi為第i層保溫材料厚度(m)，λi為第 i層保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)［W/(m·K)］，βq為空氣層的傳熱系數(shù)，可取 23.0［W/(m2·K)］。

2.2.3 混凝土筏基溫控分析及結(jié)論(表1)

表1 筏基里表溫差及溫控分析表

3 溫度應(yīng)力計(jì)算

3.1 混凝土筏基的綜合降溫差增量

3.1.1 各齡期混凝土的溫度升降Tm(t)推算

預(yù)計(jì)筏基中心在第三天溫度升到最高值(63.18℃)，推算出30 d各齡期(臺(tái)階步距為3 d)的降溫曲線圖，各齡期降溫差的增量ΔTm(t)見(jiàn)圖3。

圖3 筏基中心降溫曲線圖

3.1.2 各齡期混凝土的收縮當(dāng)量溫差增量ΔTy(t)各齡期混凝土的收縮值由計(jì)算。式中，ε0y為混凝土最終收縮值，取為考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)，由表2求得由此，混凝土的收縮當(dāng)量溫差 Ty(t)=εy(t)/α =14.58(1 －e－0.01t)，混凝土的線膨脹系數(shù)α=1.0×10－5/℃。

表2 非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)

則各齡期混凝土的收縮當(dāng)量溫差增量ΔTy(t)為

3.1.3 混凝土筏基的綜合降溫差增量ΔT(t)

ΔT(t)=ΔTm(t)+ΔTy(t)，可求得臺(tái)階步距為3 d的混凝土綜合降溫差增量(見(jiàn)表3)。

3.2 溫度應(yīng)力σx計(jì)算

式中，α =1.0 ×10－5/℃ ，泊松比 μ =0.15，各齡期混凝土彈性模量 Ei(t)=βE0(1－e－φt)，其中 φ 為混凝土中粉煤灰摻量為20%時(shí)所對(duì)應(yīng)的彈性模量調(diào)整系數(shù)，取0.99。

已知C35混凝土 E0=3.15×104MPa，求得各齡期混凝土彈性模量;Hi(t)為各齡期混凝土應(yīng)力松弛系數(shù)，可查有關(guān)文獻(xiàn)［2-3］(見(jiàn)表 3)。

3.2.1 混凝土外約束的約束系數(shù)Ri(t)

式中，地基水平阻力系數(shù) Cx取 8.5×10－2N/mm3，筏基厚 H=2 200 mm，筏基最大長(zhǎng)度尺寸 L=58 500 mm，得各齡期混凝土的約束系數(shù)Ri(t)(見(jiàn)表3)。

3.2.2 混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算(表3)

總降溫產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力σxmax為

3.2.3 混凝土筏基防裂性能判斷

混凝土控制溫度裂縫的條件為

C35混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 ftk=2.20 MPa，摻20%粉煤灰的強(qiáng)度影響系數(shù)λ'=1.03;其實(shí)際抗裂安全系數(shù) K=1.03×2.20/1.264=1.79＞［K］=1.15。滿足“混凝土一次整體澆筑，不留置后澆帶”的抗裂設(shè)計(jì)要求。

本筏基采用的表面貯水蓄熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施，同樣也延緩了混凝土內(nèi)部的降溫速率，有利于控制混凝土內(nèi)部的收縮裂縫。所以，降溫和收縮引起的溫度應(yīng)力得到了有效控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了大體積混凝土筏基在施工方案階段應(yīng)做的試算分析工作。對(duì)大體積混凝土筏基在澆筑前進(jìn)行溫度、溫度應(yīng)力的驗(yàn)算分析，其目的是為了確定溫控指標(biāo)及制訂溫控施工的技術(shù)措施，以防止或控制有害裂縫的發(fā)生，確保大體積混凝土筏基的施工質(zhì)量。

本筏基施工及養(yǎng)護(hù)期間的測(cè)溫記錄顯示，混凝土中心最高溫度達(dá)到62.5℃，內(nèi)表最大溫差為20.2℃，與計(jì)算值基本符合。本筏基采用的混凝土表面貯水蓄熱保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施，不僅有效地控制了混凝土內(nèi)表溫差始終在規(guī)定允許值范圍內(nèi)，而且延緩了混凝土內(nèi)部的降溫速率，有利于控制混凝土內(nèi)部的收縮裂縫，是保證大體積混凝土筏基施工質(zhì)量的關(guān)鍵性施工措施。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB50496—2009 大體積混凝土施工規(guī)范［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

［2］王鐵夢(mèng)．工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

［3］齊有軍．大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制探討［J］．鐵道建筑，2006(3):97-98．

［4］朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］．北京:中國(guó)電力出版社，1999.

［5］吳葉瑩．大體積混凝土施工期溫度裂縫計(jì)算分析［J］．鐵道建筑，2007(9):105-107．

［6］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB50204—2002 混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.