試論溫控措施對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響

周玉娥

中國葛洲壩集團(tuán)生態(tài)環(huán)境工程有限公司 湖北 武漢430032

1 引言

混凝土溫度應(yīng)力引起的裂縫變形對(duì)于混凝土的耐久性影響較大,在工程施工中引起較大的關(guān)注。在水泥混凝土澆筑的初期,水泥水化熱過程中產(chǎn)生熱量,使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度局部上升,進(jìn)而出現(xiàn)受熱膨脹情況,此時(shí)由于混凝土的彈性模量較小,升溫引起的受約束變形產(chǎn)生的應(yīng)力小,同時(shí)此階段由于存在高松弛特性,同樣會(huì)降低溫度應(yīng)力。隨著內(nèi)部溫度的降低,將會(huì)產(chǎn)生收縮情況,而此時(shí)混凝土的彈性模量較大,形變減小,因降溫引起的受約束變形產(chǎn)生的應(yīng)力大,此時(shí)的應(yīng)力主要為拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土自身的抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土即出現(xiàn)裂縫,對(duì)混凝土的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的影響。本文主要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力和混凝土澆筑過程中的溫度控制進(jìn)行分析。

2 工程概況

大崗山水電站擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩,壩頂厚10米;最大壩高210 m;壩頂中心線弧長約635米;壩體設(shè)置二十八條橫縫,平均壩寬22.6米,共設(shè)29個(gè)壩段。壩體不設(shè)縱縫。每個(gè)壩段澆筑層厚為1.5 米或3米,每個(gè)澆筑塊均為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。拱壩壩體受力結(jié)構(gòu)特性決定了混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)極其嚴(yán)格。

3 大體積混凝土裂縫質(zhì)量缺陷產(chǎn)生原因分析

3.1 混凝土因收縮造成裂縫,其中具體的原因包括兩種:其一,混凝土在澆筑剛完成后,表面水分蒸發(fā)過快,導(dǎo)致混凝土內(nèi)外蒸發(fā)速度差別很大,引起裂縫。其二,混凝土在剛澆筑完成后,蒸發(fā)速度的差異沒有引起裂縫,但在混凝土的硬化過程中,外界氣溫比混凝土的內(nèi)部溫度高,混凝土表面的蒸發(fā)快,固化時(shí)間短;內(nèi)部溫度低,固化時(shí)間慢。外部固化完成后其內(nèi)部仍然呈現(xiàn)一種塑性狀態(tài),因塑性收縮快而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生,此裂縫主要呈現(xiàn)不規(guī)則、細(xì)小,邊緣產(chǎn)生對(duì)角斜線狀裂縫。

3.2 在澆筑施工作業(yè)過程當(dāng)中極其容易產(chǎn)生垂直表面的裂縫。體積大的混凝土在澆筑時(shí)由于自重作用,會(huì)在垂直方向產(chǎn)生作用力。從大體積混凝土剛剛進(jìn)行澆筑施工作業(yè)開始截止到大體積混凝土沒有完全凝結(jié)為止,在此期間大體積混凝土如果受到了外界的干擾作用極其容易發(fā)生裂縫現(xiàn)象。另外,脫模劑在模板上的涂抹不均勻也會(huì)造成裂縫,脫模劑不均勻,模板的摩擦力也會(huì)對(duì)混凝土的沉降產(chǎn)生阻礙作用,而不均勻?qū)е碌哪Σ亮Σ痪鶆?沉降阻礙作用力存在差異,導(dǎo)致垂直表面產(chǎn)生裂縫。

3.3 大體積混凝土澆筑施工完成以后,待凝過程中會(huì)在其內(nèi)部釋放出來很多的水化熱量,產(chǎn)生的水化熱與結(jié)構(gòu)體積成比例增加,從而會(huì)造成大體積混凝土的內(nèi)部溫度發(fā)生不斷升高的現(xiàn)象,這樣就在大體積混凝土的內(nèi)外產(chǎn)生了明顯的溫度差異現(xiàn)象,同時(shí)這個(gè)溫度差會(huì)伴隨著混凝土體積的不斷增加而逐漸升高,這種溫度差最高會(huì)上升到大約五十度。如果在大體積混凝土在其澆筑施工作業(yè)的過程當(dāng)中,其表面受到外界不良干擾而發(fā)生收縮現(xiàn)象,那么一旦這種干擾過程其應(yīng)變能力就極其容易發(fā)生裂縫。

4 大體積混凝土澆筑施工中溫度應(yīng)力的形成探析

根據(jù)大體積混凝土的施工標(biāo)準(zhǔn)和工藝方法中規(guī)定,對(duì)于實(shí)體最小尺寸不低于1 m 的混凝土,或在施工之前根據(jù)設(shè)計(jì)需要會(huì)產(chǎn)生因膠凝材料水化反應(yīng)引起的溫度變化、溫度場易產(chǎn)生有害裂縫的情況,此混凝土均為大體積混凝土。大體積混凝土的溫度應(yīng)力主要分為三個(gè)階段:

4.1 混凝土早期階段:從澆筑施工作業(yè)開始到期間所產(chǎn)生的水化熱全部釋放完畢為止。該階段由于水化熱導(dǎo)致混凝土的內(nèi)部出現(xiàn)局部高溫,而此過程的彈性模量出現(xiàn)較大的變化,在溫度不斷變化的驅(qū)使作用之下,混凝土內(nèi)部應(yīng)力受到其表面應(yīng)力的影響而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力殘余。

4.2 中期階段:此過程水化熱過程基本結(jié)束,溫度開始進(jìn)行冷卻,此過程溫度應(yīng)力主要來自于混凝土的冷卻和外界溫度變化引起,該階段應(yīng)力與第一階段應(yīng)力疊加形成混合應(yīng)力。此過程階段的彈性模量基本變化不大。

4.3 晚期階段:該階段的溫度應(yīng)力來源主要是混凝土外界溫度的變化。此種混凝土應(yīng)力與前兩階段的殘余應(yīng)力進(jìn)行疊加形成了混凝土的晚期殘余應(yīng)力。

5 溫控措施對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響分析

5.1 骨料預(yù)冷措施影響 通過采取預(yù)冷骨料,將骨料入混凝土入倉的溫度控制在10℃,此時(shí)中心和表面的溫度均有所降低。典型澆筑塊中心的最高溫度由原來的56℃降低至46℃,采取預(yù)冷骨料后,溫度降低10℃;表面的最高溫度由原來的35℃降低至30℃,采取預(yù)冷骨料后,溫度降低5℃。

另外,采取骨料預(yù)冷工藝對(duì)底板的應(yīng)力也有一定的減少趨勢,通過采取骨料預(yù)冷方法,典型澆筑塊中心的最大溫度應(yīng)力由4 Mpa降低至2.9 Mpa,表面的最大溫度應(yīng)力由3.4 Mpa降低至2.6 Mpa,分別降低了1.1 Mpa和0.8 Mpa。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)通過采取骨料的預(yù)冷可以延緩混凝土底板拉應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)間,延緩拉應(yīng)力的時(shí)間可以確保底板能夠獲得足夠的強(qiáng)度,提升抵抗混凝土裂縫的能力。

5.2 通水冷卻的影響 由于大體積混凝土的體量較大,如果進(jìn)行自然冷卻,需要時(shí)間較長。早在上世紀(jì)30年代開始就使用預(yù)埋冷水管進(jìn)行冷水降溫的方式,隨著冷水冷卻的發(fā)展,冷水管的材質(zhì)和布設(shè)方式均得到發(fā)展和提升,關(guān)于冷卻效果的理論計(jì)算分析也得到發(fā)展應(yīng)用。通水冷卻的方式由原來的急速冷卻、晚冷卻逐漸向著緩慢冷卻和早冷卻方向發(fā)展,不僅提升冷卻效果,同時(shí)還能有效控制混凝土的降溫速率,有效控制溫差。

實(shí)際施工中,通過采取通水冷卻,典型澆筑塊的中心和表面的溫度均得到了有效控制,其中中心溫度降低10℃,最高溫度應(yīng)力降低0.7 Mpa。

5.3 表面保溫的影響 在混凝土的實(shí)際施工和應(yīng)用中,大體積混凝土產(chǎn)生的裂縫起初大部分均為表面裂縫,隨著后期的不斷發(fā)育,最終形成深層裂縫或貫穿性裂縫,直接對(duì)混凝土的使用性能產(chǎn)生影響,造成結(jié)構(gòu)安全威脅。引起表面裂縫的原因除了水分的蒸發(fā)造成縮水外,還有溫度應(yīng)力的影響。因此,可以通過表面保溫的方式來實(shí)現(xiàn)減少溫差的目的,進(jìn)而減小裂縫的產(chǎn)生和發(fā)育。

對(duì)于混凝土保溫材料的選擇使用,最初往往使用草席、草袋等材料,由于該類型材料來源廣、成本低,但隨著材料的耐水性和持久性等要求的提升,此類型材料逐漸不能滿足需求,目前多采取發(fā)泡泡沫材質(zhì)進(jìn)行保溫處理。對(duì)于混凝土壩上、下游面均需要采取保溫處理,對(duì)于極為嚴(yán)寒的地區(qū),還需采取臨時(shí)保溫措施,主要通過保溫被或砂層保溫,對(duì)于保溫要求嚴(yán)格的工程,也有同時(shí)使用保溫被和人造雪的情況,不僅能夠保證保溫效果,同時(shí)還能控制施工成本。

實(shí)際施工中,如果混凝土不采取保溫措施,由于熱量散失速率較慢,實(shí)際上混凝土澆筑后第7天出現(xiàn)最高溫度,達(dá)到57℃,而混凝土的表層熱量散失快,從第3天開始,熱量的散失速率大于體系內(nèi)的發(fā)熱速率,最高溫度為35℃。中心位置和表面的溫度差最大值出現(xiàn)在澆筑后的第9天,溫差達(dá)到24℃,對(duì)于混凝土的質(zhì)量控制極為不利。相同施工條件,若采取保溫措施后,澆筑塊中心位置的溫度最大值出現(xiàn)在第9天,此時(shí)溫度為58℃,溫度差異性不大,可見保溫措施對(duì)于結(jié)構(gòu)中心位置的溫升情況影響不大。對(duì)于表面情況,未采取保溫前,溫度從第3天開始就進(jìn)行下降,而采取保溫處理后,溫度從第10天后下降,此時(shí)的最高溫度達(dá)到53℃,相對(duì)保溫之前提升了18℃,而內(nèi)部和表層的溫度差也從原來的24℃控制到5℃,對(duì)于混凝土的裂縫控制極為有利。

根據(jù)實(shí)際施工數(shù)據(jù),在澆筑塊不采取保溫措施時(shí),中心位置在第31天開始出現(xiàn)拉應(yīng)力,在326天拉應(yīng)力達(dá)到最大值,為4 Mpa;表面位置在第16天開始出現(xiàn)拉應(yīng)力,在286天拉應(yīng)力達(dá)到最大值,為3.4 Mpa。在澆筑塊采取保溫措施時(shí),中心位置在第55天開始出現(xiàn)拉應(yīng)力,在376天拉應(yīng)力達(dá)到最大值,為3.5 Mpa;表面位置在第52天開始出現(xiàn)拉應(yīng)力,在326天拉應(yīng)力達(dá)到最大值,為3.4 Mpa。通過對(duì)澆筑塊保溫,中心位置的拉應(yīng)力呈現(xiàn)降低趨勢,降低約0.5 Mpa,并且可以延長表面出現(xiàn)拉應(yīng)力的時(shí)間,澆筑塊采取保溫措施后,表面拉應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間延長36天,為混凝土的熟化提供充足的時(shí)間,有效保證混凝土的使用強(qiáng)度。

6 結(jié)語

通過本文對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的影響因素(骨料預(yù)冷、通水冷卻、表面保溫)的分析,可以得到如下經(jīng)驗(yàn):

預(yù)冷骨料可以有效控制大體積混凝土的溫度,降低中心和表面的溫度差異,進(jìn)而降低溫度應(yīng)力,其中對(duì)表面拉應(yīng)力的延緩作用較為明顯,為混凝土的強(qiáng)度熟化提供充足的時(shí)間。采取冷卻水的方法可以在很大程度上使得大體積混凝土的內(nèi)部溫度受到控制,從而大大降低了大體積混凝土的內(nèi)部溫度應(yīng)力的作用。實(shí)踐證明表面保溫措施的應(yīng)用可以在很大程度上減小大體積混凝土的中心溫度應(yīng)力,提升了大體積混凝土的抗裂縫能力。