试论温控措施对大体积混凝土温度应力的影响

周玉娥

中国葛洲坝集团生态环境工程有限公司 湖北 武汉430032

1 引言

混凝土温度应力引起的裂缝变形对于混凝土的耐久性影响较大,在工程施工中引起较大的关注。在水泥混凝土浇筑的初期,水泥水化热过程中产生热量,使得混凝土结构内部的温度局部上升,进而出现受热膨胀情况,此时由于混凝土的弹性模量较小,升温引起的受约束变形产生的应力小,同时此阶段由于存在高松弛特性,同样会降低温度应力。随着内部温度的降低,将会产生收缩情况,而此时混凝土的弹性模量较大,形变减小,因降温引起的受约束变形产生的应力大,此时的应力主要为拉应力,当拉应力超过混凝土自身的抗拉强度时,混凝土即出现裂缝,对混凝土的结构产生不可逆转的影响。本文主要对混凝土结构温度应力和混凝土浇筑过程中的温度控制进行分析。

2 工程概况

大岗山水电站挡水建筑物为混凝土双曲拱坝,坝顶厚10米;最大坝高210 m;坝顶中心线弧长约635米;坝体设置二十八条横缝,平均坝宽22.6米,共设29个坝段。坝体不设纵缝。每个坝段浇筑层厚为1.5 米或3米,每个浇筑块均为大体积混凝土结构。拱坝坝体受力结构特性决定了混凝土温度控制标准极其严格。

3 大体积混凝土裂缝质量缺陷产生原因分析

3.1 混凝土因收缩造成裂缝,其中具体的原因包括两种:其一,混凝土在浇筑刚完成后,表面水分蒸发过快,导致混凝土内外蒸发速度差别很大,引起裂缝。其二,混凝土在刚浇筑完成后,蒸发速度的差异没有引起裂缝,但在混凝土的硬化过程中,外界气温比混凝土的内部温度高,混凝土表面的蒸发快,固化时间短;内部温度低,固化时间慢。外部固化完成后其内部仍然呈现一种塑性状态,因塑性收缩快而导致裂缝产生,此裂缝主要呈现不规则、细小,边缘产生对角斜线状裂缝。

3.2 在浇筑施工作业过程当中极其容易产生垂直表面的裂缝。体积大的混凝土在浇筑时由于自重作用,会在垂直方向产生作用力。从大体积混凝土刚刚进行浇筑施工作业开始截止到大体积混凝土没有完全凝结为止,在此期间大体积混凝土如果受到了外界的干扰作用极其容易发生裂缝现象。另外,脱模剂在模板上的涂抹不均匀也会造成裂缝,脱模剂不均匀,模板的摩擦力也会对混凝土的沉降产生阻碍作用,而不均匀导致的摩擦力不均匀,沉降阻碍作用力存在差异,导致垂直表面产生裂缝。

3.3 大体积混凝土浇筑施工完成以后,待凝过程中会在其内部释放出来很多的水化热量,产生的水化热与结构体积成比例增加,从而会造成大体积混凝土的内部温度发生不断升高的现象,这样就在大体积混凝土的内外产生了明显的温度差异现象,同时这个温度差会伴随着混凝土体积的不断增加而逐渐升高,这种温度差最高会上升到大约五十度。如果在大体积混凝土在其浇筑施工作业的过程当中,其表面受到外界不良干扰而发生收缩现象,那么一旦这种干扰过程其应变能力就极其容易发生裂缝。

4 大体积混凝土浇筑施工中温度应力的形成探析

根据大体积混凝土的施工标准和工艺方法中规定,对于实体最小尺寸不低于1 m 的混凝土,或在施工之前根据设计需要会产生因胶凝材料水化反应引起的温度变化、温度场易产生有害裂缝的情况,此混凝土均为大体积混凝土。大体积混凝土的温度应力主要分为三个阶段:

4.1 混凝土早期阶段:从浇筑施工作业开始到期间所产生的水化热全部释放完毕为止。该阶段由于水化热导致混凝土的内部出现局部高温,而此过程的弹性模量出现较大的变化,在温度不断变化的驱使作用之下,混凝土内部应力受到其表面应力的影响而产生内部应力残余。

4.2 中期阶段:此过程水化热过程基本结束,温度开始进行冷却,此过程温度应力主要来自于混凝土的冷却和外界温度变化引起,该阶段应力与第一阶段应力叠加形成混合应力。此过程阶段的弹性模量基本变化不大。

4.3 晚期阶段:该阶段的温度应力来源主要是混凝土外界温度的变化。此种混凝土应力与前两阶段的残余应力进行叠加形成了混凝土的晚期残余应力。

5 温控措施对大体积混凝土温度应力的影响分析

5.1 骨料预冷措施影响 通过采取预冷骨料,将骨料入混凝土入仓的温度控制在10℃,此时中心和表面的温度均有所降低。典型浇筑块中心的最高温度由原来的56℃降低至46℃,采取预冷骨料后,温度降低10℃;表面的最高温度由原来的35℃降低至30℃,采取预冷骨料后,温度降低5℃。

另外,采取骨料预冷工艺对底板的应力也有一定的减少趋势,通过采取骨料预冷方法,典型浇筑块中心的最大温度应力由4 Mpa降低至2.9 Mpa,表面的最大温度应力由3.4 Mpa降低至2.6 Mpa,分别降低了1.1 Mpa和0.8 Mpa。同时还发现通过采取骨料的预冷可以延缓混凝土底板拉应力出现的时间,延缓拉应力的时间可以确保底板能够获得足够的强度,提升抵抗混凝土裂缝的能力。

5.2 通水冷却的影响 由于大体积混凝土的体量较大,如果进行自然冷却,需要时间较长。早在上世纪30年代开始就使用预埋冷水管进行冷水降温的方式,随着冷水冷却的发展,冷水管的材质和布设方式均得到发展和提升,关于冷却效果的理论计算分析也得到发展应用。通水冷却的方式由原来的急速冷却、晚冷却逐渐向着缓慢冷却和早冷却方向发展,不仅提升冷却效果,同时还能有效控制混凝土的降温速率,有效控制温差。

实际施工中,通过采取通水冷却,典型浇筑块的中心和表面的温度均得到了有效控制,其中中心温度降低10℃,最高温度应力降低0.7 Mpa。

5.3 表面保温的影响 在混凝土的实际施工和应用中,大体积混凝土产生的裂缝起初大部分均为表面裂缝,随着后期的不断发育,最终形成深层裂缝或贯穿性裂缝,直接对混凝土的使用性能产生影响,造成结构安全威胁。引起表面裂缝的原因除了水分的蒸发造成缩水外,还有温度应力的影响。因此,可以通过表面保温的方式来实现减少温差的目的,进而减小裂缝的产生和发育。

对于混凝土保温材料的选择使用,最初往往使用草席、草袋等材料,由于该类型材料来源广、成本低,但随着材料的耐水性和持久性等要求的提升,此类型材料逐渐不能满足需求,目前多采取发泡泡沫材质进行保温处理。对于混凝土坝上、下游面均需要采取保温处理,对于极为严寒的地区,还需采取临时保温措施,主要通过保温被或砂层保温,对于保温要求严格的工程,也有同时使用保温被和人造雪的情况,不仅能够保证保温效果,同时还能控制施工成本。

实际施工中,如果混凝土不采取保温措施,由于热量散失速率较慢,实际上混凝土浇筑后第7天出现最高温度,达到57℃,而混凝土的表层热量散失快,从第3天开始,热量的散失速率大于体系内的发热速率,最高温度为35℃。中心位置和表面的温度差最大值出现在浇筑后的第9天,温差达到24℃,对于混凝土的质量控制极为不利。相同施工条件,若采取保温措施后,浇筑块中心位置的温度最大值出现在第9天,此时温度为58℃,温度差异性不大,可见保温措施对于结构中心位置的温升情况影响不大。对于表面情况,未采取保温前,温度从第3天开始就进行下降,而采取保温处理后,温度从第10天后下降,此时的最高温度达到53℃,相对保温之前提升了18℃,而内部和表层的温度差也从原来的24℃控制到5℃,对于混凝土的裂缝控制极为有利。

根据实际施工数据,在浇筑块不采取保温措施时,中心位置在第31天开始出现拉应力,在326天拉应力达到最大值,为4 Mpa;表面位置在第16天开始出现拉应力,在286天拉应力达到最大值,为3.4 Mpa。在浇筑块采取保温措施时,中心位置在第55天开始出现拉应力,在376天拉应力达到最大值,为3.5 Mpa;表面位置在第52天开始出现拉应力,在326天拉应力达到最大值,为3.4 Mpa。通过对浇筑块保温,中心位置的拉应力呈现降低趋势,降低约0.5 Mpa,并且可以延长表面出现拉应力的时间,浇筑块采取保温措施后,表面拉应力出现时间延长36天,为混凝土的熟化提供充足的时间,有效保证混凝土的使用强度。

6 结语

通过本文对混凝土温度应力的影响因素(骨料预冷、通水冷却、表面保温)的分析,可以得到如下经验:

预冷骨料可以有效控制大体积混凝土的温度,降低中心和表面的温度差异,进而降低温度应力,其中对表面拉应力的延缓作用较为明显,为混凝土的强度熟化提供充足的时间。采取冷却水的方法可以在很大程度上使得大体积混凝土的内部温度受到控制,从而大大降低了大体积混凝土的内部温度应力的作用。实践证明表面保温措施的应用可以在很大程度上减小大体积混凝土的中心温度应力,提升了大体积混凝土的抗裂缝能力。