1 概述

大體積混凝土是指最小斷面尺寸大于1m 以上的混凝土結(jié)構(gòu)。與普通鋼筋混凝土相比, 具有結(jié)構(gòu)厚, 體形大、混凝土數(shù)量多、工程條件復(fù)雜和施工技術(shù)要求高的特點(diǎn)。

大體積混凝土在硬化期間, 一方面由于水泥水化過程中將釋放出大量的水化熱, 使結(jié)構(gòu)件具有“熱漲”的特性; 另一方面混凝土硬化時(shí)又具有“收縮”的特性, 兩者相互作用的結(jié)果將直接破壞混凝土結(jié)構(gòu), 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。因而在混凝土硬化過程中,必須采用相應(yīng)的技術(shù)措施, 以控制混凝土硬化時(shí)的溫度, 保持混凝土內(nèi)部與外部的合理溫差, 使溫度應(yīng)力可控, 避免混凝土出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。

2 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土墩臺身或基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生是由多種因素引起的。各類裂縫產(chǎn)生的主要影響因素如下:

( 1) 收縮裂縫?；炷恋氖湛s引起收縮裂縫。收縮的主要影響因素是混凝土中的用水量和水泥用量, 用水量和水泥用量越高, 混凝土的收縮就越大。選用的水泥品種不同, 其干縮、收縮的量也不同。

( 2) 溫差裂縫。混凝土內(nèi)外部溫差過大會(huì)產(chǎn)生裂縫。主要影響因素是水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)部和混凝土表面的溫差過大。特別是大體積混凝土更易發(fā)生此類裂縫。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般要求一次性整體澆筑。澆筑后, 水泥因水化引起水化熱,由于混凝土體積大, 聚集在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā), 混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高, 而其表面則散熱較快, 形成了較大的溫度差, 使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力, 表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。此時(shí), 混凝齡期短, 抗拉強(qiáng)度很低。當(dāng)溫差產(chǎn)生的表面抗拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度, 則會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

( 3) 材料裂縫。材料裂縫表現(xiàn)為龜裂,主要是因水泥安定性不合格或骨料中含泥量過多而引起的。

3 大體積混凝土裂縫控制的理論計(jì)算

工程實(shí)例: 武漢市中環(huán)線南段××標(biāo)段××號橋墩直徑為1.2m, 混凝土及其原材料各種原始數(shù)據(jù)及參數(shù)為:

一是C30 混凝土采用P.S32.5 礦渣硅酸鹽水泥, 其配合比為: 水: 水泥: 砂: 石子:粉煤灰( 單位kg) =158: 298: 707: 1204: 68( 每立方米混凝土質(zhì)量比) , 砂、石含水率分別為3%、0%, 混凝土容重為2 440kg/m3。

二是各種材料的溫度及環(huán)境氣溫: 水18℃, 砂、石子23℃, 水泥25℃, 粉煤灰25℃, 環(huán)境氣溫20℃。

3.1 混凝土溫度計(jì)算

( 1) 混凝土拌和溫度計(jì)算: 公式T0=∑TimiCi/∑miCi 可轉(zhuǎn)換為:T0=[0.9 (mcTc+msTs+mgTg+mfTf) +4.2Tw(mw - Psms - Pgmg) +C1 ( PsmsTs +PgmgTg) - C2( Psms+Pgmg) ]÷[4.2mw+0.9(mc+ms+mg+mf) ]

式中: T0 為混凝土拌和溫度; mw、mc、ms、mg、mf—水、水泥、砂、石子、粉煤灰單位用量( kg) ; Tw、Tc、Ts、Tg、Tf—水、水泥、砂、石子、煤灰的溫度( ℃) ; Ps、Pg—砂、石含水率(%) ; C1、C2—水的比熱容(KJ/Kg?K) 及溶解熱(KJ/Kg) 。

當(dāng)骨料溫度>0℃時(shí), C1=4.2, C2=0; 反之C1=2.1, C2=335。

本實(shí)例中的混凝土拌和溫度為:T0=[0.9 ( 298×25+707 ×23+1204 ×23+68×25) +4.2×18 ( 158- 707×3%) +4.2×3%×707×23]÷[4.2×158+0.9( 298+707+1204+68) ]=21.02℃。

( 2) 混凝土出機(jī)溫度計(jì)算: 按公式T1=T0- 0.16( T0- Ti)式中: T1—混凝土出機(jī)溫度( ℃) ; T0—混凝土拌和溫度( ℃) ; Ti—混凝土攪拌棚內(nèi)溫度( ℃) 。

本例中, T1=21.02- 0.16×( 21.02- 25) =21.7℃。

( 3) 混凝土澆筑溫度計(jì)算: 按公式TJ=T1- ( α?τn+0.032n)?( T1- TQ)

式中: TJ—混凝土澆筑溫度( ℃) ; T1—混凝土出機(jī)溫度( ℃) ; TQ—混凝土運(yùn)送、澆筑時(shí)環(huán)境氣溫( ℃) ;τn—混凝土自開始運(yùn)輸至澆筑完成時(shí)間( h) ; n—混凝土運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)。

α—溫度損失系數(shù)( /h)本例中, 若τn取1/3, n 取1, α取0.25,則:

TJ=21.7- ( 0.25×1/3+0.032×1) ×( 21.7-25) =22.1℃( 低于30℃)

3.2 混凝土的絕熱溫升計(jì)算

Th=W0?Q0/(C?ρ)

式中:W0—每立方米混凝土中的水泥用量( kg/m3) ; Q0—每公斤水泥的累積最終熱量(KJ/kg) ; C—混凝土的比熱容取0.97(KJ/kg?k) ; ρ—混凝土的質(zhì)量密度( kg/m3)

Th=( 298×334) /( 0.97×2440) =42.1℃3.3 混凝土內(nèi)部實(shí)際溫度計(jì)算

Tm=TJ+ξ?Th

式中: Tj—混凝土澆筑溫度; Th—混凝土最終絕熱溫升; ξ—溫降系數(shù)查建筑施工手冊, 若混凝土澆筑厚度3.4m。則:ξ3取0.704,ξ7取0.685,ξ14 取0.527,ξ21 取0.328。

本例中: Tm(3)=22.1+0.704×42.1=51.7℃;Tm (7)=22.1+0.685×42.1=50.9℃; Tm (14)=22.1+0.527×42.1=44.3℃; Tm(21)=22.1+0.328×42.1=35.9℃。