試論溫控措施對大體積混凝土溫度應力的影響

周玉娥

中國葛洲壩集團生態環境工程有限公司 湖北 武漢430032

1 引言

混凝土溫度應力引起的裂縫變形對于混凝土的耐久性影響較大,在工程施工中引起較大的關注。在水泥混凝土澆筑的初期,水泥水化熱過程中產生熱量,使得混凝土結構內部的溫度局部上升,進而出現受熱膨脹情況,此時由于混凝土的彈性模量較小,升溫引起的受約束變形產生的應力小,同時此階段由于存在高松弛特性,同樣會降低溫度應力。隨著內部溫度的降低,將會產生收縮情況,而此時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生的應力大,此時的應力主要為拉應力,當拉應力超過混凝土自身的抗拉強度時,混凝土即出現裂縫,對混凝土的結構產生不可逆轉的影響。本文主要對混凝土結構溫度應力和混凝土澆筑過程中的溫度控制進行分析。

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;壩體設置二十八條橫縫,平均壩寬22.6米,共設29個壩段。壩體不設縱縫。每個壩段澆筑層厚為1.5 米或3米,每個澆筑塊均為大體積混凝土結構。拱壩壩體受力結構特性決定了混凝土溫度控制標準極其嚴格。

3 大體積混凝土裂縫質量缺陷產生原因分析

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,表面水分蒸發過快,導致混凝土內外蒸發速度差別很大,引起裂縫。其二,混凝土在剛澆筑完成后,蒸發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部溫度高,混凝土表面的蒸發快,固化時間短;內部溫度低,固化時間慢。外部固化完成后其內部仍然呈現一種塑性狀態,因塑性收縮快而導致裂縫產生,此裂縫主要呈現不規則、細小,邊緣產生對角斜線狀裂縫。

3.2 在澆筑施工作業過程當中極其容易產生垂直表面的裂縫。體積大的混凝土在澆筑時由于自重作用,會在垂直方向產生作用力。從大體積混凝土剛剛進行澆筑施工作業開始截止到大體積混凝土沒有完全凝結為止,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生裂縫現象。另外,脫模劑在模板上的涂抹不均勻也會造成裂縫,脫模劑不均勻,模板的摩擦力也會對混凝土的沉降產生阻礙作用,而不均勻導致的摩擦力不均勻,沉降阻礙作用力存在差異,導致垂直表面產生裂縫。

3.3 大體積混凝土澆筑施工完成以后,待凝過程中會在其內部釋放出來很多的水化熱量,產生的水化熱與結構體積成比例增加,從而會造成大體積混凝土的內部溫度發生不斷升高的現象,這樣就在大體積混凝土的內外產生了明顯的溫度差異現象,同時這個溫度差會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的過程當中,其表面受到外界不良干擾而發生收縮現象,那么一旦這種干擾過程其應變能力就極其容易發生裂縫。

4 大體積混凝土澆筑施工中溫度應力的形成探析

根據大體積混凝土的施工標準和工藝方法中規定,對于實體最小尺寸不低于1 m 的混凝土,或在施工之前根據設計需要會產生因膠凝材料水化反應引起的溫度變化、溫度場易產生有害裂縫的情況,此混凝土均為大體積混凝土。大體積混凝土的溫度應力主要分為三個階段:

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

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

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

5 溫控措施對大體積混凝土溫度應力的影響分析

5.1 骨料預冷措施影響 通過采取預冷骨料,將骨料入混凝土入倉的溫度控制在10℃,此時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℃,采取預冷骨料后,溫度降低5℃。

另外,采取骨料預冷工藝對底板的應力也有一定的減少趨勢,通過采取骨料預冷方法,典型澆筑塊中心的最大溫度應力由4 Mpa降低至2.9 Mpa,表面的最大溫度應力由3.4 Mpa降低至2.6 Mpa,分別降低了1.1 Mpa和0.8 Mpa。同時還發現通過采取骨料的預冷可以延緩混凝土底板拉應力出現的時間,延緩拉應力的時間可以確保底板能夠獲得足夠的強度,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,如果進行自然冷卻,需要時間較長。早在上世紀30年代開始就使用預埋冷水管進行冷水降溫的方式,隨著冷水冷卻的發展,冷水管的材質和布設方式均得到發展和提升,關于冷卻效果的理論計算分析也得到發展應用。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展,不僅提升冷卻效果,同時還能有效控制混凝土的降溫速率,有效控制溫差。

實際施工中,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℃,最高溫度應力降低0.7 Mpa。

5.3 表面保溫的影響 在混凝土的實際施工和應用中,大體積混凝土產生的裂縫起初大部分均為表面裂縫,隨著后期的不斷發育,最終形成深層裂縫或貫穿性裂縫,直接對混凝土的使用性能產生影響,造成結構安全威脅。引起表面裂縫的原因除了水分的蒸發造成縮水外,還有溫度應力的影響。因此,可以通過表面保溫的方式來實現減少溫差的目的,進而減小裂縫的產生和發育。

對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,目前多采取發泡泡沫材質進行保溫處理。對于混凝土壩上、下游面均需要采取保溫處理,對于極為嚴寒的地區,還需采取臨時保溫措施,主要通過保溫被或砂層保溫,對于保溫要求嚴格的工程,也有同時使用保溫被和人造雪的情況,不僅能夠保證保溫效果,同時還能控制施工成本。

實際施工中,如果混凝土不采取保溫措施,由于熱量散失速率較慢,實際上混凝土澆筑后第7天出現最高溫度,達到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的發熱速率,最高溫度為35℃。中心位置和表面的溫度差最大值出現在澆筑后的第9天,溫差達到24℃,對于混凝土的質量控制極為不利。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在第9天,此時溫度為58℃,溫度差異性不大,可見保溫措施對于結構中心位置的溫升情況影響不大。對于表面情況,未采取保溫前,溫度從第3天開始就進行下降,而采取保溫處理后,溫度從第10天后下降,此時的最高溫度達到53℃,相對保溫之前提升了18℃,而內部和表層的溫度差也從原來的24℃控制到5℃,對于混凝土的裂縫控制極為有利。

根據實際施工數據,在澆筑塊不采取保溫措施時,中心位置在第31天開始出現拉應力,在326天拉應力達到最大值,為4 Mpa;表面位置在第16天開始出現拉應力,在286天拉應力達到最大值,為3.4 Mpa。在澆筑塊采取保溫措施時,中心位置在第55天開始出現拉應力,在376天拉應力達到最大值,為3.5 Mpa;表面位置在第52天開始出現拉應力,在326天拉應力達到最大值,為3.4 Mpa。通過對澆筑塊保溫,中心位置的拉應力呈現降低趨勢,降低約0.5 Mpa,并且可以延長表面出現拉應力的時間,澆筑塊采取保溫措施后,表面拉應力出現時間延長36天,為混凝土的熟化提供充足的時間,有效保證混凝土的使用強度。

6 結語

通過本文對混凝土溫度應力的影響因素(骨料預冷、通水冷卻、表面保溫)的分析,可以得到如下經驗:

預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,進而降低溫度應力,其中對表面拉應力的延緩作用較為明顯,為混凝土的強度熟化提供充足的時間。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部溫度受到控制,從而大大降低了大體積混凝土的內部溫度應力的作用。實踐證明表面保溫措施的應用可以在很大程度上減小大體積混凝土的中心溫度應力,提升了大體積混凝土的抗裂縫能力。