大体积混凝土结构裂缝控制措施
大体积混凝土结构裂缝控制措施 时间:2006-12-22 来源:中国涂料人 收集整理 作者:佚名 精品计算器推荐: 涂料计算器 | 墙砖计算 地砖计算器 | 地板计算 墙纸计算器 | 窗帘计算
一、概述
美国混凝土学会的定义:任何现浇混凝土,其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题,即最大限度减少开裂影响的,即称为大体积混凝土。 日本建筑学会的标准的定义是:结构断面最小尺寸在80cm以上;水化热引起混凝土内的最高温度和外界气温之差,预计超过25℃的混凝土,称为大体积混凝土。
我国《混凝土结构工程施工及验收规范》认为,建筑物的基础最小边尺寸在1~3m范围内就属大体积混凝土。
大体积混凝土结构的截面尺寸较大,裂缝一般在混凝土浇注短期内形成,此时设计荷载尚未作用于结构上,因此由外荷载引起裂缝的可能性很小。但由于水泥的水化作用是放热反应,大体积混凝土自身又具有一定的保温性能,因此其内部温升幅度较其表层的温升幅度要大得多,而在混凝土升温峰值过后的降温过程中,内部降温速度又比其表层慢得多,在些过程中,混凝土各部分的温度变形及由于其相互约束及外界约束的作用而在混凝土内产生的温度应力,是相当复杂的。一旦温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时,混凝土就会出现裂缝。
大体积混凝土结构的施工技术和施工组织都较复杂,施工时应十分慎重,否则易出现质量事故,造成不必要的损失。组织大体积混凝土结构施工,在模板、钢筋和混凝土工程方面有许多技术问题要逐个解决。本文着重介绍大体积混凝土的裂缝控制。
二、裂缝产生的原因
大体积混凝土结构裂缝的发生是由多种因素引起的。各类裂缝产生的主要影响因素如下:
1、水泥水化热的影响
水泥水化过程中放出大量的热量,且主要集中在浇筑后的7d左右,一般每克水泥可以放出500J左右的热量,如果以水泥用量350Kg/m3~550 Kg/m3来计算,每m3混凝土将放出17500KJ~27500KJ的热量,从而使混凝土内部升高。(可
达70℃左右,甚至更高)。尤其对于大体积混凝土来讲,这种现象更加严重。因为混凝土内部和表面的散热条件不同,因此混凝土中心温度很高,这样就会形成温度梯度,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。
2、混凝土收缩的影响
混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下的这种自发变形,受到外部约束时(支承条件、钢筋等),将在混凝土中产生拉应力,使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等三种。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化,后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。
3、外界气温湿度变化的影响
大体积混凝土结构在施工期间,外界气温的变化对防止大体积混凝土裂缝的产生起着很大的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度叠加之和组成。浇筑温度与外界气温有着直接关系,外界气温愈高,混凝土的浇筑温度也就会愈高;如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度的下降过快,会造成很大的温度应力,极其容易引发混凝土的开裂。另外外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响,外界的湿度降低会加速混凝土的干缩,也会导致混凝土裂缝的产生。
4、其他因素的影响
建筑物基础的不均匀沉降也会产生裂缝,这种裂缝会随着基础沉降而不断的增大,待地基下沉稳定后,将不会变化。
混凝土配合比不良会造成混凝土塑性沉降裂缝,一般是混凝土配合比中,粗骨料级配不连续、数量不够,砂率及水灰比不当所造成的裂缝。
水泥中的碱与活性骨料中的活性氧化硅起化学反应也会产生裂缝。
三、防止产生裂缝的措施
大体积混凝土的裂缝破坏了结构的整体性、耐久性、防水性、危害严重,必须加以控制,大体积开裂主要是水化热使混凝土温度升高引起的,所以采用适当措施控制混凝土温度升高和温度变化速度,在一定范围内,就可避免出现裂缝。这些措施包含了混凝土施工的全过程,包括选择混凝土组成材料、施工安排、浇筑前后降低混凝土的措施和养护保温等。
1、优选混凝土各种原材料
1.1、水泥的选择
理论研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化过程中释放了大量的热量。因此在大体积混凝土施工中应尽量使用低热或者中热的矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥,并尽量降低混凝土中的水泥用量,以降低混凝土的温升,提高混凝土硬化后的体积稳定性。为保证减少水泥用量后混凝土的强度和坍落度不受损失,可适度增加活性细掺料替代水泥。
1.2、骨料的选择
在选择粗骨料时,可根据施工条件,尽量选用粒径较大、质量优良、级配良好的石子。既可以减少用水量,也可以相应减少水泥用量,还可以减小混凝土的收缩和泌水现象。
在选择细骨料时,采用平均粒径较大的中粗砂,从而降低混凝土的干缩,减少水化热量,对混凝土的裂缝控制有重要作用。
1.3、掺加外加料和外加剂
掺加适量粉煤灰,可减少水泥用量,从而达到降低水化热的目的。但掺量不能大于30%。
掺加适量的减水剂,它可有效地增加混凝土的流动性,且能提高水泥水化率,增强混凝土的强度,从而可降低水化热,同时可明显延缓水化热释放速度。
2、设计优化措施
2.1、精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性的情况下,应尽可能地降低混凝土的单位用水量,采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值的抗裂混凝土。
2.2、增配构造筋提高抗裂性能。配筋应采用小直径、小间距。
2.3、避免结构突变产生应力集中,在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。
3、施工控制措施
3.1、控制混凝土入模温度
入模温度的高低,与出机温度密切相关,另外还与运输工具、运距、转运次数、施工气候等有关。
在温度较高的情况下进行施工,可以在施工现场对堆在露天的砂石用布覆盖,以减少阳光对其的辐射,同时对浇筑前的砂石用冷水降温。在搅拌过程中向混凝土中添加冰水。
如果是在冬季进行施工,因为要防止早期混凝土被冻问题,所以要求混凝土浇筑时应该具有较高的浇筑温度。在浇筑混凝土以前还应该对基础及新混凝土接触的冷壁用蒸汽预热,对原材料应视气温高低进行加热。
3.2、严格控制混凝土的浇筑速度,一次浇注的混凝土不可过高、过厚,以保证混凝土温度均匀上升。保证振捣密实,严格控制振捣时间,移动距离和插入深度,严防漏振及过振。
3.3、砼温度控制、监测与养生
1)、温度控制、监测
为降低大体积混凝土的水化热,在混凝土的内部通入冷却循环水,采用循环法保温养护,以便加快混凝土内部的热量散发。
为能够较准确地测量出砼内部温度,在砼中预埋测温管,用水银温度计测温。上下层温差控制在15~20℃之内。根据各测点的温度,可及时绘制出混凝土内部温度变化曲线,对照混凝土理论计算值,分析存在的问题,有的放矢地采取相应的技术措施。
3)、砼养护
砼养护是大体积砼施工中一项十分关键的工作。主要是保持适宜的温度和湿度,以便控制混凝土的内外温差,促进砼强度的正常发展及防止裂缝的产生和发展。
从砼浇筑完成到终凝这段时间的养护对砼而言十分重要。混凝土浇筑完毕后,在其顶面及时加以覆盖,要求覆盖严密,并经常检查覆盖保湿效果。其主要作用有二:一是蓄水保温,防止表面水分蒸发和抵抗受太阳辐射与刮风时温度骤变,二是保持内外温差的稳定。
3.4、健全施工组织管理:
在制订技术措施和质量控制措施的同时,还需落实组织指挥系统,逐级进行技术交底,做到层层落实,确保顺利实施。
四、结束语
对于混凝土裂缝,应以预防为主,为此需要精心设计、施工,掌握住它的基本知识,并根据实际采取有较措施,会使施工质量得到很好的保证。以上各项技术措施并不是孤立的,而是相互联系、相互制约的,设计和施工中必须结合实际、全面考虑、合理采用,才能起到良好的效果。
实践证明,在优化配合比设计,改善施工工艺,提高施工质量,做好温度监测工作及加强养护等方面采取有效技术措施,坚持严谨的施工组织管理,完全可以控制大体积混凝土温度裂缝和施工裂缝的发生。
收缩应力,如不超过混凝土的抗拉强度,则表示所采取的防裂措施能有效控制并预防裂缝的出现;如超过混凝土的抗拉强度,则可采取调整混凝土的浇筑温度、降低水化热温升值、减小内外温差、改善施工操作工艺和混凝土性能,提高抗拉强度或改善约束等技术措施重新计算,直至计算的应力在允许范围以内为止。
绝热温升公式:T(t)=(Mc·Q)/(c·ρ)
式中T(t)为绝热温升,Q为水泥水化热(J/kg),Mc为每立方米混凝土水泥用量(kg/m),c为混凝土的比热,ρ为每立方混凝土的质量密度,取2400kg/m。
计算出的1墩承台混凝土中心最高温度为55℃,2墩承台混凝土中心最高温度为56℃,必须采取有效温控措施,以降低混凝土内部温度。
5 防裂措施的实施
5.1 水泥的选用
初期选用强度等级为32.5R的矿渣酸水泥,水泥用量350kg/m。现场坍落度实测14~16㎝,从混凝土抗压强度(标准养护:温度(20±2)℃,湿度大于95%)统计来看,28天强度超过设计强度。有资料显示:水泥用量每增减10kg,温度亦相应升降1℃,该配合比水泥用量比常规设计少了40kg/m,温度也随之降低5℃。
5.2 外加剂
在大体积承台施工中,为了满足泵送要求,即坍落度16~18㎝,如单纯增加单位用水量,不仅多用水泥,加剧混凝土的干燥收缩,而且会使水化热增大,容易引起干裂。因此在施工中除调整级配外,还掺加了水泥用量1.2%的山西黄河高效泵送缓凝减水剂UNF-2C ,不仅使混凝土的工作性能有明显改善,同时又减少了12%的拌和水,节约11%左右的水泥,从而降低了水化热。在当时气温22℃时,混凝土初凝时间延长至12h。
5.3 粗细骨料
5.3.1 粗骨料
选用5~10mm和10~31.5mm两种级配的碎石,采用前旗武家村碎石场的碎石,含泥量0.6%,碎石每立方米混凝土用量为1180kg(826 kg +354kg)。
5.3.2 细骨料
大体积混凝土细骨料应首先选用中粗砂,本桥承台施工选用察右前旗东20km处的龙庄砂场,该砂子洁净,间断级配,含泥量1.7%,细度模数2.93,接近粗砂。由于采用中粗砂,减少了混凝土的干缩和水化热,这对大体积混凝土裂缝控制非常有利。
5.4 控制混凝土的出机温度
有关研究资料表明:石子、水、砂、水泥每升高1℃,则使混凝土出机温度分别升高0.342℃、0.313℃、0.258℃、0.088℃。由施工配合比分析,石子的比热较小,但每方混凝土石子所占重量46 %,而水的重量虽在每方混凝土中只占6.5%,但比热较大,因此对混凝土出机温度影响最大的是石子及水的温度。降低出机温度的最有效的办法是降低石子温度和水的温度。
1、2主墩承台施工阶段,气温较低,最高才28℃,由于内蒙古地区光照强烈,采用塑料布覆盖碎石和砂以降低集料温度,拌和水采用地下水,水温较低,只有10℃左右。
5.5 混凝土分层浇筑,埋设冷却水管
混凝土浇筑的厚度与水化热最高温升值的大小密切相关,厚度越大水化热温升值越高,厚度小水化热温升值亦小,因此,混凝土分层浇筑,可增加散热面,延长散热时间,使水化热最高温升值降低。因此在黑沟特大桥1、2主墩承台分三次浇筑,浇筑高度分别为1.20米、1.10米、1.20米,每次混凝土浇筑间隔时间按不超过7天控制。 ####3#3##33
通过冷却管来控制混凝土内部的最高温度、内表温差、降温速率是目前大体积混凝土温控的主要措施。承台冷却管布置3层,每层间距为1.15米,水管水平间距50cm,最外层水管距离混凝土边缘距离为50cm,如图1示;每层水管的进、出水口相互错开。冷却管采用直径5cm,壁厚2.5mm的钢管,冷却水为地下水。
在气温较高的地方进行大体积混凝土施工,冷却水可以采用冷水机组生产供给。
5.6 混凝土浇筑
1、2主墩承台施工工艺流程为:桩头凿除→场地清理→钢筋及冷却管制安→承台模板制安→第一层混凝土浇筑→施工缝处理→第二层承台混凝土浇筑→施工缝处理→第三层承台混凝土浇筑。
混凝土采用低水化热的泵送供料,坍落度16~20cm,初凝时间≥10h。为了加快施工进度,防止已浇筑的顶层混凝土产生裂纹,在施工中缩短第一次和第二次浇筑的最后一层混凝土的初凝时间,同时在满足混凝土泵送的前提下尽量降低其坍落度。当承台第一次浇筑混凝土强度达到一定数量后,人工凿除其表面的水泥砂浆和松弱层,再用空压机进行清洁。在下次浇筑混凝土之前,表面先浇水湿润,再对水平缝铺一层厚2cm的水泥浆(不低于30号),水泥浆宜随混凝土浇筑分块进行,并在砂浆初凝前完成第一层混凝土的覆盖。
浇筑承台混凝土由两处搅拌站供料,由混凝土泵车泵送布料,泵送管的软管直接伸入承台内,避免混凝土离析,混凝土分层浇筑、分层振捣,每层厚度为30cm,采用50型插入式振捣棒进行振捣。
5.7 混凝土测温
为了进一步摸清大体积混凝土水化热高低,不同深度温度场变化以及施工阶段早期温差发展规律,以便进一步制定养护措施,在混凝土不同部位及深度埋设了测温管,在混凝土浇筑后立即进行温度变化测定。
5.7.1 测温点布置
黑沟特大桥承台混凝土体积比较大,混凝土施工时气温比较理想,平均为20℃左右,在承台内部埋设了三层测温计,另外还设了4个测温孔,下端用钢板封闭。为防止进浆,测温孔管在浇筑前固定在承台钢筋上口超过混凝土顶面20cm处,管口用木楔塞住。
5.7.2 测温记录
测温方法如下:①.第1~3d,每2h测温一次。②.第4~10d,每4h测温一次。
除测量孔内温度外,还同时测量记录混凝土表面温度和大气温度,以掌握温差情况。 ##
6 混凝土养护
黑沟特大桥采用了“内降外保”的温控措施。
“内降”主要是采用循环冷却水进行降温,经实测:入管前水温10 ℃,出管后最高水温49℃,冷却水带走了大部分热量,经计算使内部温度整体降低15℃。
“外保”是通过采取措施,控制承台外表面温度,使承台内外温差不大于25℃,在本桥承台施工中,采用的是“蓄水法”养护,即在承台四周包裹花胶布和绒布,利用承台模板比混凝土顶面高20cm,将循环出的高温水注入承台上面,同时在模板四周经常用循环出水浇洒,以提高外表面的温度,降低内外温差,效果很好。通过外面保温,使混凝土表面降温速度减慢,以减小混凝土的内外温差,从而防止混凝土因温差过大引起变形而产生的温度裂缝。
7 温控结果
在承台顶层施工完7天后,两座承台混凝土均达到了设计强度的80%以上,经检测,发现通过黑沟特大桥承台大体积混凝土温控防裂缝施工,混凝土向阳的表面只有少量1~20㎝长、缝宽小于0.1㎜的微细裂缝,呈不规则分布,没有形成通缝,符合规范要求。在承台顶层混凝土施工完28天后,经检测,上述裂缝没有进一步发展,也没有新的裂缝产生。
8 结束语
通过黑沟特大桥承台大体积混凝土温控防裂缝施工,可以看出在北方高温差地区大体积混凝土水化热裂缝虽然不可避免,但是通过合理手段是可以控制的。一般来说可以从混凝土的的原材料、配合比入手,采用分层浇筑、埋设冷却管通水冷却、控制混凝土浇筑间歇期、覆盖保温养护等措施是行之有效的,黑沟大桥两个主墩承台混凝土温控值全部在标准范围之内,承台未发现有害温差裂缝,这说明内蒙古自治区黑沟特大桥大体积承台混凝土在高温差的环境中进行的温控措施是可行的,可以为类似气候条件下的大体积混凝土施工提供借鉴。
底板大体积混凝土温度监测分析与结论
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浙海大厦续建工程底板大体积混凝土温度监测分析与结论
浙海大厦续建工程主楼52层,基础底板设计为整板基础,浇筑面积为2350㎡,一般厚度
3.2m,总体积为7500m3,属于大体积混凝土工程。在混凝土浇筑前,对混凝土配合比进行了优化设计,选择低热水泥,掺入高效减水剂,减少水泥用量,提高混凝土的早期抗拉强度。整个底板分两次浇筑,第一次浇筑电梯井底板,浇筑时间从2002年12月2日晚上18:30分开始,到12月3日早晨4:00结束;第二次浇筑大楼基础底板,浇筑时间从2002年12月18日晚上19:00开始,到12月22日下午14:00全部浇筑完毕。在两次浇筑过程中,对混凝土进行了及时的养护。并对混凝土全场温度进行了认真的测量,第一次检测时间从12月2日到12月18日,历时16天;第二次检测从12月18日到1月9日,历时21天。
一、测温设备及测温点布置
本次测温采用热敏电阻作为测温传感器,传感器装入导热良好的金属套管内,并用环氧树脂密封,可保证传感器对混凝土温度变化作出迅速的反应。测温设备采用LD-C20-64智能巡测温度仪,仪器以集成模拟开关代替常规的继电器触点开关,大大地提高了仪表的可靠性,1点/秒的
巡测速度可确保即时检测到各时刻的温度值,并可随时打印即时的温度值。
测温点根据底板的浇筑方向、结构特点及预计温度场布置,在电梯井底板选择2个有代表性的测温点,基础底板选择10个有代表性的测温点。对每一个测点,沿深度方向布置上、中、下三个传感器,上传感器距离表面10cm,中传感器居中,距离底板面160cm,下传感器距离基底10-15cm。除埋在混凝土里面的传感器外,第一次温度检测过程中,另外使用了2个传感器分别检测养护层下混凝土的表面温度及大气温度;第二次检测时,另外使用了2个传感器检测混凝土的表面温度。
二、测温实施与结果
温度检测从2002年12月2日到2003年1月9日结束,期间每天有专人值班观察,如果上、中、下测点温度差超过了25℃,会立即告知有关人员。在浇筑初期,每间隔2小时依次打印测温数据,按照原始打印数据,将每一点的上、中、下三点的温度绘于一张图上。极少数时间段,由于仪器受到干扰,没有温度记录,整理数据时,已根据相邻时间测得的值进行了补充。
这次浇筑从12月18日晚上20点开始,到12月22日下午结束,浇筑时采取了养护措施,检测的温度数据没有多大异常。混凝土从一浇筑就开始水化发热,温度上升比较明显,中间传感器的温度基本上都在72小时达到峰值,维持峰值的时间约60-72小时,之后开始缓慢的下降。混凝土养护过程中,因为没有降雨等异常的天气情况出现,养护期间,各点的上中部位温度差没有超过20℃。12月29日,因施工需要,减少了表面覆盖层,表层温度开始下降,从原来的45℃左右降到35℃以下,此后,同一点中、上2个传感器的温渡差一直在30℃以上。由于此时各部分混凝土的强度已达到设计值的100%,基础底板未出现贯穿裂缝。
总结两次测温的过程,我们可以得出以下结论:1.混凝土在浇筑开始及其后8小时内就开始产生水化热,温度迅速上升,在72小时内可以达到各自的峰值,峰值维持期为60-72小时,此后温度开始缓慢下降。2.混凝土表面层的温度受气温影响比较大,随着气温的波动,混凝土的表层温度也有所波动,但波动幅度稍缓,从检测结果可以看出,混凝土的表层温度一般比气温高20-25℃。3.在地坑部位混凝土厚度达3.2m,其中心部位热量散发慢,温度较高,最高时温度超过了70℃,这时覆盖后的表层温度可达50℃左右,其内表温差仍保持在规定范围内。4.对于底板,由于混凝土浇筑时间和区域不同,升温情况各有差别,但其内表温差基本上保持在25℃以内。5.当气候降雨,混凝土表层积水,或混凝土养护层减薄以至取消时,基础底板的表层温度会大幅下降,造成混凝土内表温差超过25℃。
三、对高层建筑基础底板大体积混凝土施工的几点建议
1.优化混凝土配合比的设计。尽量选用水化热低和安定性好的水泥,并在满足设计强度要求的前提下,尽可能减少水泥用量,以减少水泥的水化热。控制石子、砂子的含泥量不超过1%和3%,提高混凝土的极限抗拉强度。
2.根据施工季节的不同,可分别采用降温法和保温法施工。夏季采用降温法施工,即在搅拌混凝土时掺入冰水,温度控制在5~10℃。混凝土浇筑后用冷水养护,注意水温和混凝土温度之差不超过20℃。或采用覆盖材料养护。冬季采用保温法施工,利用保温模板和保温材料防止冷空气侵袭,以达到减小混凝土内表温差的目的。
3.大体积混凝土施工时,如遇降雨、降雪,气温骤降,造成混凝土内表温差超限,当混泥土强度远低于设计强度时,过大的温度应力可使混凝土出现裂缝。因此,及时调整混凝土保温层厚度,及时养护混凝土,控制混凝土的内表温差,是防止裂缝的重要一环。
4.加强温度监测。制定详细的温度测试方案,特别是混凝土浇筑一周内的温度检测,通过信息化施工及必要的养护、防护措施,控制混凝土的内部温度与表面温度,以及表面温度与环境温度之差均不超过25℃。