大體積混凝土施工中表面保溫
和志發(fā),陳衛(wèi)國
(連云港開發(fā)區(qū)建設(shè)工程監(jiān)理公司,江蘇連云港222047)
摘 要:對于嚴(yán)寒地區(qū)寒潮是大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。因此,表面保溫尤為重要,本文從寒潮引起的混凝土表面溫度及應(yīng)力變化討論了大體積混凝土的表面保溫及防裂問題。并介紹了一種有效的保溫方法。
關(guān)鍵詞:大體積混凝土;冬季施工;表面保溫
中圖分類號: TU755.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B
1 概述
大體積混凝土發(fā)生裂縫主要是溫度裂縫和干縮裂縫。除混凝土本身的抗裂性外,混凝土內(nèi)外溫度差引起的超過抗拉極限的溫度裂縫是防止大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的重要部分。大體積混凝土產(chǎn)生裂縫90%以上是表面裂縫,而大多數(shù)發(fā)生在氣溫較低或寒潮襲擊的早期,從裂縫發(fā)生的部位看大多數(shù)為側(cè)面裂縫約占裂縫總數(shù)的60%~70%。如葛洲壩一期5個(gè)主要建筑物、龍羊峽工程部分統(tǒng)計(jì)資料見表1。
表1表明混凝土裂縫側(cè)面約占總數(shù)的66%,水平面裂縫為34%。因此,對混凝土側(cè)面保護(hù)尤為重要。本文擬從混凝土產(chǎn)生裂縫的諸多原因中取寒潮引起混凝土表面的溫度及應(yīng)力變化來討論大體積混凝土的表面保溫及防裂問題。
為防止寒潮產(chǎn)生的混凝土裂縫在混凝土表面覆蓋保溫材料是行之有效的措施,國內(nèi)外水電工程都有許多成功的經(jīng)驗(yàn)。由于各個(gè)工程的情況不近相同,對于保溫標(biāo)準(zhǔn)尚無統(tǒng)一的規(guī)范,但國內(nèi)外工程施工對熱交換系數(shù)β值提出了要求,如美國科貝壩要求β≤0.002 0 W/(m2·K),前蘇聯(lián)筑壩冬季施工β≤0.002 5~0.003 7W/(m2·K)。國桓仁地處嚴(yán)寒地區(qū),多年平均氣溫6.3℃,一月份平均氣溫為-15.5℃,平均每年寒潮19次,最大氣溫降幅13.6℃,據(jù)此要求β≤0.008 5 W/(m2·K)。
龍羊峽工程地處青藏高原,年平均氣溫5.8℃,最高氣溫34.1℃,最低氣溫-30.9℃,月平均最低氣溫-9.3℃,年平均寒潮12次,寒潮往往伴隨大風(fēng)(全年6級以上大風(fēng)有80次之多),最大寒潮降溫16℃。據(jù)此工程設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)對重要部位混凝土加強(qiáng)表面保溫,要求混凝土熱交換系數(shù)β≤0.004 2 W/(m2·K),新澆混凝土<0.004 2W/(m2·K)。
針對混凝土側(cè)面產(chǎn)生裂縫較多這一情況,先后采用了掛草袋、保溫被等措施,雖然能保證要求,但施工難度大且不經(jīng)濟(jì)。后采用保溫鋼模板(在鋼模板凹槽內(nèi)粘結(jié)泡沫塑料)對混凝土側(cè)面進(jìn)行保溫,這種作法具有制作簡單,施工方便,保溫效果好等優(yōu)點(diǎn)。
2 保溫層厚度確定
龍羊峽地區(qū)混凝土表面與空氣熱交換系數(shù)(βC)為0.084 W/(m2·K),泡沫塑料導(dǎo)熱系數(shù)(λ) 0.000 1 W/(m2·K),設(shè)計(jì)要求β≤0.004 2W/(m2·K)。代入δ=λ/βC(βC/β-1) ,得δ=0.029 m。
考慮到其它不利因素,取保溫層厚度為5 cm,并在主壩側(cè)面位置距混凝土表面分別為0、10、20 cm處埋設(shè)電子溫度計(jì)進(jìn)行了長期試驗(yàn)觀測。根據(jù)觀測資料齡期60 d內(nèi)共發(fā)生3次寒潮觀測結(jié)果見表2。
觀測結(jié)果表明:保溫鋼模板能削減寒潮85%, 20 cm處削減達(dá)97%以上,說明寒潮只對混凝土表面產(chǎn)生影響,引起較大的溫度梯度,容易使混凝土產(chǎn)生表面裂縫,這一成果與其它工程觀測結(jié)果相接近。另外混凝土表面初期仍按水化熱過程發(fā)展4 d成熟度達(dá)1 950℃·h,即滿足規(guī)范混凝土受凍條件。根據(jù)寒潮引起的混凝土表面溫度變化進(jìn)行反算取平均值保溫鋼模板下混凝土表面熱交換系數(shù)β=0.004 1 W/(m2·K)。工程實(shí)際采用β=0.004 2 W/(m2·K)。
3 寒潮引起的溫度徐變應(yīng)力
根據(jù)文獻(xiàn)[1]提出的寒潮引起的溫度徐變應(yīng)力計(jì)算方法對3次寒潮情況下(1)混凝土表面裸露;(2)有保溫鋼模板保溫的溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算:
3.1 表面裸露
3.2 保溫鋼模板表面
混凝土表面保溫鋼模板情況下的表面熱交換系數(shù)β=0.004 2 W/(m2·K),代入計(jì)算其結(jié)果見表3。
從表3可以看出寒潮引起的混凝土表面拉應(yīng)力的確比較大,也是引起裂縫發(fā)生的重要原因。在采用保溫鋼模板后,拉應(yīng)力降低74%~79%。因此,為了防止混凝土表面裂縫的發(fā)生,應(yīng)十分重視大體積混凝土表面保溫。
混凝土產(chǎn)生裂縫的原因是表面拉應(yīng)力超過相應(yīng)齡期的混凝土抗拉強(qiáng)度,而表面拉應(yīng)力主要由水化熱和初始溫差以及有寒潮襲擊時(shí)的溫度徐變應(yīng)力組成。混凝土壩一般是分塊、分層澆筑的,由于分層的影響,澆筑塊中的各層溫度不同,彈性模量也不同。加上澆筑溫度和外界氣溫等變化,澆筑塊中的溫度應(yīng)力變化是十分復(fù)雜的。水化熱和初始溫差形成的溫度徐變應(yīng)力的控制一般通過進(jìn)行一期冷卻(降低最高溫升)控制澆筑溫度及表面保溫來實(shí)現(xiàn)。而寒潮引起的混凝土表面溫度徐變應(yīng)力則由控制混凝土表面的熱交換系數(shù)β來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)測資料進(jìn)行計(jì)算,保溫鋼模板混凝土表面熱交換系數(shù)β=0.004 1 W/(m2·K),而設(shè)計(jì)要求混凝土熱交換系數(shù)β≤0.004 2W/(m2·K)。因此,從保溫方面來講保溫鋼模板滿足了設(shè)計(jì)要求,有效地控制了壩體混凝土的表面開裂,效果是好的。
大體積混凝土發(fā)生裂縫的原因極為復(fù)雜,其影響因素包括原材料方面、結(jié)構(gòu)方面、施工條件、混凝土質(zhì)量、混凝土標(biāo)號、外溫變化、溫度變化等因素。但寒潮是產(chǎn)生表面裂縫的主要原因,一般發(fā)生在混凝土7~40 d齡期內(nèi)。因此,在大體積混凝土施工時(shí),應(yīng)十分重視表面保溫工作,尤其是早期和發(fā)生裂縫較多的側(cè)面。根據(jù)保溫鋼模板的保溫效果和削減表面拉應(yīng)力的情況看,不失為一種制作簡單、施工方便、保溫效果好的施工方法。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱伯芳.寒潮引起的混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算[J].水力發(fā)電, 1985(3):13-18
[2] 陳聿倫.龍羊峽水電站主壩混凝土溫度設(shè)計(jì).[J]水力發(fā)電, 1987(9):59-62.
[3] 和志發(fā).龍羊峽工程混凝土溫度控制措施及裂縫分析[J].水利水電施工, 1989(2):33-39. |
