汽輪機基礎大體積混凝土的溫度與裂縫控制

柯松山

新疆石河子天富2×125 MW南熱電廠位于瑪河西岸,南側緊鄰天山山脈,夏季炎熱干燥,晝夜溫度差最高達22℃。南熱電主廠房工程為框架剪力墻結構,建筑面積32 017 m2。汽輪機基礎底板長22.7 m,寬7.49 m,高2 m,底板混凝土強度等級為C30,采用商品混凝土,骨料級配為二級配,混凝土澆筑總量為340 m3,屬大體積混凝土。由于汽輪機基礎屬于重要結構,要求底板混凝土一次連續澆筑,不能留置施工縫。汽輪機基礎施工時間為2006年5月20日～25日,正處在夏季,在采取了一系列溫控措施后,汽輪機基礎混凝土未出現裂縫及其他缺陷,取得了較好的效果,保證了大體積混凝土工程質量。

裂縫形成的原因可分為兩類:1)結構裂縫,是由外部荷載引起的,包括結構計算中的主要應力以及次應力造成的受力裂縫;2)材料型裂縫,是由非結構計算應力引起的,主要是由溫度應力和混凝土的收縮引起的。本文主要探討材料型裂縫。

1.1 溫度裂縫

1 裂縫形成的原因

溫度裂縫產生的主要原因是混凝土內外溫差引起的溫度應力。大體積混凝土由于水泥水化過程中產生的水化熱累積,澆筑后3 d～4 d內混凝土內部溫度急劇上升引起混凝土膨脹變形,混凝土內部應力表現為壓應力,此時混凝土的彈性模量很小,由于溫度變化引起的受基礎約束的混凝土膨脹變形產生的壓應力仍舊很小。溫度降低峰值過后,混凝土由升溫期轉至降溫期,混凝土開始收縮,內部應力表現為拉應力。此時混凝土的彈性模量較大,降溫引起的受基礎約束的收縮變形會產生相當大的拉應力,當拉應力超過混凝土同齡期的抗拉強度時,就會產生溫度裂縫,對混凝土結構產生不同程度的危害。此外,在混凝土內部溫度較高時,外部環境溫度較低或氣溫驟降期間,內外溫差過大在混凝土表面也會產生較大的拉應力而出現表面裂縫。

1.2 收縮裂縫

1)干燥收縮。干燥裂縫多出現在混凝土養護結束后的一段時間內或混凝土澆筑完畢后的1周左右。干縮裂縫產生的主要原因:混凝土受外部條件影響,表面水分損失過快,變形較大,內部混凝土變形較小,較大的表面干縮變形受到混凝土內部約束,產生較大的拉應力而產生裂縫。相對濕度較低,水泥漿體干縮越大,干縮裂縫越易產生。混凝土干縮主要與混凝土水灰比、水泥成分、水泥用量、集料性質及用量、外加劑用量有關。2)塑性收縮。塑性收縮是混凝土終凝前,表面因失水過快而產生的收縮,一般在干熱或大風天氣出現。影響混凝土塑性收縮開裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結時間、環境溫度、風速、相對溫度等。

2 混凝土配合比設計

由于水泥用量直接影響到混凝土的水化熱溫升,所以混凝土配合比設計的原則是在滿足混凝土施工要求的基礎下盡量降低水泥用量,控制水化熱溫升。利用雙摻技術,以粉煤灰取代部分水泥,可以降低混凝土的水化熱溫升,有效地防止溫度裂縫。通過大量的試驗優選出混凝土配合比,如表1所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1)水泥:C30混凝土采用屯河水泥廠生產的“屯河牌”32.5R級礦渣硅酸鹽水泥。2)粉煤灰:采用Ⅰ級粉煤灰,質量符合GBJ 146粉煤灰混凝土應用技術規范和JGJ 28粉煤灰在混凝土和砂漿中應用技術規程。3)砂:采用瑪河河砂,細度模數2.71,含泥量小于2%,其化學指標符合規范規定,屬中粗砂。4)石:采用瑪河卵石,級配優良,粒徑0.5 mm～40 mm,各項指標符合規范要求。5)外加劑:采用FDN高效減水劑。6)拌合用水采用自來水。

3 溫控措施及現場溫控

3.1 混凝土分層

根據計算并考慮實際施工方便,汽輪機基礎C30混凝土分4層澆筑,每層澆筑厚度為500 mm。

3.2 混凝土的澆筑溫度

本工程采用商品混凝土,通過測量混凝土的出罐溫度估算出澆筑溫度,由于澆筑過程處于氣溫較高季節,運輸混凝土的攪拌車必須采取覆蓋、灑水等措施,盡量降低混凝土的澆筑溫度。

3.3 通水冷卻

1)水管布置。根據混凝土內部溫度分布特征,在距汽輪機底板混凝土上表面600 mm和下表面400 mm的位置設置上下兩層冷卻水管,冷卻水管為直徑30 mm的薄壁鋼管,其水平間距為900 mm,冷卻水管距其余混凝土面不大于900 mm,冷卻水管進出水口集中設置。2)冷卻水管使用及其控制。冷卻水管使用前應進行壓水試驗,防止管道漏水、阻水。混凝土澆筑到各層冷卻水管標高后開始通水,通水流量應達到30 L/min;嚴格控制進出水溫度,在保證冷卻水管進出水溫度與混凝土內部最高溫度之差不大于25℃條件下,盡量使進水溫度最低;通水全部結束后,應采取同強度等級水泥漿或砂漿封堵冷卻水管;考慮現場實際情況,在現場設置水槽,供冷卻水循環使用。

3.4 保溫及養護

為防止混凝土出現溫度裂縫,必須對混凝土進行保溫以減小內表溫差。具體做法:混凝土澆筑結束后,在其側面鋼模板外覆蓋一層塑料布(彩條布)保溫,在混凝土頂面沿四周邊用黏土筑小壩,并將側面保溫塑料布翻至壩內蓄100 mm深水進行保溫養護。

3.5 現場監測

混凝土測溫控制:為確保能夠真實反映各層混凝土的溫控效果,以便根據現場情況變化及時采取有效措施,在混凝土內部及周邊、表面對混凝土溫度變化進行觀測,測溫孔留設深度分別為:100 mm,300 mm,600 mm,900 mm,1 200 mm,1500 mm,1 800mm,分別布設在汽輪機基礎的各部位。測溫方法:材料選用15薄鐵皮管,一端封死,一端高出混凝土面150 mm,用軟塞封口,避免雜物落入,測溫工作從開始澆筑時第1天～第5天,每2 h測一次;第6天～第10天,每 4 h測一次;第11天～第14天,每8 h測一次,直至混凝土內外溫度同大氣溫度一致后方可停止測溫,操作人員隨時將檢測到的實時溫度值統計上報技術負責人,并依次對混凝土降溫養護工作提出建議,及時調整養護措施。

4 溫控效果分析

該工程我們把底板分為5個區域,對1 500 mm以下底部、1 500 mm～1 200 mm中下部、1 200 mm～900 mm 中部、900 mm～600 mm中上部及表面100 mm溫度進行監測,各測區的上、下最大溫度差在13℃～21℃之間,小于控制溫度25℃,底板中心最高溫度平均值為50℃,個別點達到52℃,根據測溫資料可知,基礎底板中心最高溫度基本出現在澆筑后的54 h～70 h,符合預期設計。由于采取了有效的溫度措施,初期溫降率較后期偏大,一般在3℃/d～5℃/d,中后期的溫降速率在1℃左右。

5 結語

結合工程實際情況,制定不產生溫度裂縫的溫控標準和溫控措施,并編制詳細的溫控方案加以落實和實施,對確保大體積混凝土的順利施工極其重要。大體積混凝土的溫控必須從材料、配合比、降溫措施入手,以保證大體積混凝土的可施工性、低熱性、溫度穩定性。實踐證明采用低熱水泥,運用雙摻技術、冷卻水管降溫、混凝土表面蓄水、外包保溫材料等溫控措施,能夠有效地控制大體積混凝土的溫度裂縫,也可以節約成本,社會經濟效益顯著。

[1] 李寶鋒.承臺大體積混凝土溫度裂縫控制措施[J].山西建筑,2008,34(15):123-124.