大體積混凝土施工中表面保溫
和志發,陳衛國
(連云港開發區建設工程監理公司,江蘇連云港222047)
摘 要:對于嚴寒地區寒潮是大體積混凝土產生裂縫的主要原因。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文獻標識碼: B
1 概述
大體積混凝土發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生裂縫的重要部分。大體積混凝土產生裂縫90%以上是表面裂縫,而大多數發生在氣溫較低或寒潮襲擊的早期,從裂縫發生的部位看大多數為側面裂縫約占裂縫總數的60%~70%。如葛洲壩一期5個主要建筑物、龍羊峽工程部分統計資料見表1。
表1表明混凝土裂縫側面約占總數的66%,水平面裂縫為34%。因此,對混凝土側面保護尤為重要。本文擬從混凝土產生裂縫的諸多原因中取寒潮引起混凝土表面的溫度及應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,國內外水電工程都有許多成功的經驗。由于各個工程的情況不近相同,對于保溫標準尚無統一的規范,但國內外工程施工對熱交換系數β值提出了要求,如美國科貝壩要求β≤0.002 0 W/(m2·K),前蘇聯筑壩冬季施工β≤0.002 5~0.003 7W/(m2·K)。國桓仁地處嚴寒地區,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(全年6級以上大風有80次之多),最大寒潮降溫16℃。據此工程設計強調對重要部位混凝土加強表面保溫,要求混凝土熱交換系數β≤0.004 2 W/(m2·K),新澆混凝土<0.004 2W/(m2·K)。
針對混凝土側面產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濟。后采用保溫鋼模板(在鋼模板凹槽內粘結泡沫塑料)對混凝土側面進行保溫,這種作法具有制作簡單,施工方便,保溫效果好等優點。
2 保溫層厚度確定
龍羊峽地區混凝土表面與空氣熱交換系數(βC)為0.084 W/(m2·K),泡沫塑料導熱系數(λ) 0.000 1 W/(m2·K),設計要求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,并在主壩側面位置距混凝土表面分別為0、10、20 cm處埋設電子溫度計進行了長期試驗觀測。根據觀測資料齡期60 d內共發生3次寒潮觀測結果見表2。
觀測結果表明:保溫鋼模板能削減寒潮85%, 20 cm處削減達97%以上,說明寒潮只對混凝土表面產生影響,引起較大的溫度梯度,容易使混凝土產生表面裂縫,這一成果與其它工程觀測結果相接近。另外混凝土表面初期仍按水化熱過程發展4 d成熟度達1 950℃·h,即滿足規范混凝土受凍條件。根據寒潮引起的混凝土表面溫度變化進行反算取平均值保溫鋼模板下混凝土表面熱交換系數β=0.004 1 W/(m2·K)。工程實際采用β=0.004 2 W/(m2·K)。
3 寒潮引起的溫度徐變應力
根據文獻[1]提出的寒潮引起的溫度徐變應力計算方法對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力進行計算:
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β=0.004 2 W/(m2·K),代入計算其結果見表3。
從表3可以看出寒潮引起的混凝土表面拉應力的確比較大,也是引起裂縫發生的重要原因。在采用保溫鋼模板后,拉應力降低74%~79%。因此,為了防止混凝土表面裂縫的發生,應十分重視大體積混凝土表面保溫。
混凝土產生裂縫的原因是表面拉應力超過相應齡期的混凝土抗拉強度,而表面拉應力主要由水化熱和初始溫差以及有寒潮襲擊時的溫度徐變應力組成。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,澆筑塊中的溫度應力變化是十分復雜的。水化熱和初始溫差形成的溫度徐變應力的控制一般通過進行一期冷卻(降低最高溫升)控制澆筑溫度及表面保溫來實現。而寒潮引起的混凝土表面溫度徐變應力則由控制混凝土表面的熱交換系數β來實現。根據實測資料進行計算,保溫鋼模板混凝土表面熱交換系數β=0.004 1 W/(m2·K),而設計要求混凝土熱交換系數β≤0.004 2W/(m2·K)。因此,從保溫方面來講保溫鋼模板滿足了設計要求,有效地控制了壩體混凝土的表面開裂,效果是好的。
大體積混凝土發生裂縫的原因極為復雜,其影響因素包括原材料方面、結構方面、施工條件、混凝土質量、混凝土標號、外溫變化、溫度變化等因素。但寒潮是產生表面裂縫的主要原因,一般發生在混凝土7~40 d齡期內。因此,在大體積混凝土施工時,應十分重視表面保溫工作,尤其是早期和發生裂縫較多的側面。根據保溫鋼模板的保溫效果和削減表面拉應力的情況看,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
[1] 朱伯芳.寒潮引起的混凝土溫度應力計算[J].水力發電, 1985(3):13-18
[2] 陳聿倫.龍羊峽水電站主壩混凝土溫度設計.[J]水力發電, 1987(9):59-62.
[3] 和志發.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. |
