大体积砼温度应力控制及应用难点.doc

大体积砼裂缝控制西南铝“1+4”热连轧技改项目是中国铝行业第一条最先进的热连轧生产线，也是西南铝业（集团）有限责任公司为实现跨越式发展，占领世界铝加工业至高点的关键。大型设备基础中关键是砼的浇筑质量。其中精轧机平面尺寸44.9449.44m，最大厚度达4.04m；粗轧机基础平面为60.833.04m，最大厚度达2m，均属于大体积砼，其砼量分别为9400m3和6000 m3，设计要求砼一次浇筑完成，不留施工缝。这种大体积砼要确保砼浇筑质量，必须控制好砼浇筑块体因水泥水化热引起的温升、砼浇筑块体的内外温差及降温速度，防止砼出现温度应力而导致砼出现有害裂缝。一、温度计算由重庆市九龙坡区建设工程质量监督站检测所提供的本工程所用大体积混凝土施工C25配合比，每立方米各项原材料用量及预控制材料温度如下：小南海P.S42.5R矿渣水泥 290Kg 20四川简阳中砂 636Kg 16 含水率6%中梁山石灰岩碎石 1178Kg 16 含水率3% 水 195Kg 10重庆珞璜电厂级粉煤灰 80Kg 20NNO-泵送剂 3.15 Kg 20UEA-H膨胀剂 25 Kg 201.1混凝土拌合物的温度T0=0.9（MceTce+MsaTsa+MgTg）+4.2Tw（Mw-WsaMsa-WgMg）+C1（WsaMsaTsa+WgMgTg）-C2（WsaMsa+WgMg）4.2Mw+0.9（Mce+Msa+Mg）式中 ：To混凝土拌合物的温度（）；Mw、Mce、Msa、Mg水、水泥、砂、石的用量（Kg）；Tw、Tce、Tsa、Tg水、水泥、砂、石的温度（）；Wsa、Wg砂、石的含水率（%）；C1、C2水的比热容（KJ/Kg.k）及溶解热（KJ/Kg）。当骨料温度大于0时， C1=4.2， C2=0。为了简便计算，粉煤灰和外加剂的重量均计算在水泥的重量内。Mce=290+80+3.15+25=398.15kgT0=0.9（398.152063616117516）+4.210（1950.066360.031175）+4.2（0.06636160.03117516）-0（0.066360.031175）4.2195+0.9（398.156361175)=15.41.2混凝土拌合物的出机温度T1= T00.16（T0-Ti）式中： T1混凝土拌合物的出机温度（）；Ti搅拌棚内温度（）；T1=15.40.16（15.4-20）=16.11.3混凝土拌合物浇筑完成时的温度T2=T1-（Tt+0.032n）（T1-Ta）式中：T2混凝土拌合物经运输至浇筑完成时的温度（）；a温度损失系数（h-1）；Tt混凝土自运输至浇筑完成时的时间（h）；n混凝土转运次数；Ta运输时的环境气温（）；T2=16.1-（0.250.5+0.0321）16.1-25=17.5混凝土拌合物浇筑完成时的温度计算时略去了模板和钢筋的吸热影响。有关的计算可以参照混凝土结构工程施工及验收规范中的附录三。1.4混凝土最高温升值Tmax=T2+mce/10+F/50式中：Tmax混凝土最高温度升值（）；mce水泥用量（kg）；F粉煤灰用量（kg）；Tmax=17.5+398.15/10+80/50=58.9另外，水泥水化热在混凝土内部产生的最高温度值Tmax也可按下式估算：Tmax=T2WQ/式中： T2混凝土拌合物经运输至浇筑完成时的温度（）；W每1m3混凝土中的水泥用量（kg/m3）；Q水泥的水化热（J/kg）；C混凝土的比热（J/kgK），一般取C=0.96 J/kgK；混凝土的密度，取2400kg/m3；根据经验，不同厚度浇筑板块的散热系数，当厚度h=1m时，=0.23；h=15m，=0.35；h=2m，=0.48；h=25m，=0.61；h=3m，=0.73；h=35m，=0.83；h=4；=0.95。本工程用42.5R矿渣水泥，W=252kg/m3，水泥的水化热Q=293J/kg，混凝土比热C=0.96 J/kgK，混凝土的密度，=2400kg/m3，h=3.65m，=0.86，混凝土拌合物经运输至浇筑完成时的温度T2=29.5（），则Tmax=T2WQ/=17.52902930.86/0.962400=49.2。1.5混凝土表面温度设计规定，对大体积混凝土的养护，应根据气候条件采取控温措施，并按需要测量浇筑后的混凝土表面和内部温度，将温差控制在设计要求的25范围以内。1.6保温材料厚度计算保温材料采用草袋，基础底板的厚度按3.65m计算，保温用的草袋厚度计算如下：=0.5H(Ta-T6)/1(Tmax- Ta) K式中：养护材料所需的厚度（m）；H结构物的厚度（m）；养护材料的导热系数（w/mk）；草袋取0.1 w/mk；1混凝土的导热系数（w/mk），取2.3 w/mk；Tmax混凝土中的最高温度（）Ta混凝土与养护材料接触面处的温度（），当内外温差控制在25时，则取Ta= Tmax-25T6混凝土达到最高温度时的大气平均浊温度（）；k传热系数的修正值。=0.53.650.1(33.9-25)/2.3(58.9-33.9)1.3=0.037(m)保温材料采用二层3cm厚的草袋。3.65m厚的基础底板由于表面至中心点的距离更近，其表面的温度会更高一些，保温层的厚度可相应减薄些。另附加一层塑料薄膜以保温。二、温度应力计算混凝土浇筑后18d左右，水化热量值基本达到最大，所以计算此时由温差和收缩引起的温度应力。2.1混凝土收缩变形值计算y（t）=y0 （1-e-0.01t）M1M2M3M10式中：y（t）各龄期混凝土的收缩变形值；y0标准状态下的混凝土最终收缩值，取3.2410-4；e常数为2.718；t从混凝土浇筑后至计算时的天数；M1M10考虑各种非标准条件的修正系数，按简明施工计算手册表5-55取用。根据已知条件和查表5-55，取值如下：M1=0.25 M2=0.9 M3=1 M4=1.62 M5=1.45 M6=1 M7=0.77 M8=0.21(截面积为647m2=24.283.65m)，则r=（24.28+3.65）2/647=0.09 M9=1 M10=0.76（按每1m3混凝土含75kg钢筋计算：EaAa/EbAb=2.01050.00096/2.81041=0.07）。y（t）=3.2410-4(1-2.718-0.0118)1.250.911.621.4510.770.2110.76=0.2310-42.2混凝土收缩当量温差计算Ty（t）=-y（t）/式中：Ty（t）各龄期混凝土收缩当量温差（），负号表示降温，y（t）各龄期混凝土的收缩变形值；混凝土的线膨胀系数，取1.010-5。Ty（18）=-0.2310-4/110-5=-2.3;2.3混凝土的最大综合温度差T=T2+2/3Tmax+Ty（t）-Th式中：T混凝土的最大综合温度差（）；T2混凝土拌合物经运输至浇筑完成时的温度（）；Tmax混凝土最高温升值（）；Ty（t）各龄期混凝土收缩当量温差（）；Th混凝土浇筑后达到稳定时的温度，一般根据历年气象资料取当地年平均气温（15）。 T=17.5+58.923+（2.3）1539.52.4混凝土弹性模量计算(t)E（e-0.0918）式中：(t)混凝土从浇筑后至计算时的弹性模量计算（Nmm2）；e混凝土的最终弹性模量（N/mm2），可近似取28d的弹性模量；t混凝土从浇筑后至计算时的天数。E(18)2.8104（12.7180.0918）2.246104N/mm22.5混凝土温度收缩应力计算由于基础底板两个方向的尺寸都比较大，所以需要考虑两个方向所受的外约束来进行计算。采用42.5R矿渣水泥拌制的混凝土,在养护温度41.2左右，龄期18d时的强度可达到设计强度的100%。C25混凝土的抗拉度设计值为1.3N/mm2。第一计算方法：E(t).aT/（）H（t）R式中：混凝土温度应力（Nmm）；H（t）考虑徐变影响的松驰系数，按简明施工计算手册中表557以18天时插入法计算取用；a混凝土的线膨胀系数，取1010（1/）R混凝土的外约束系数，当为可滑动的砂或混凝土垫层地基时，R0；混凝土的泊松比取0.15。=-2.2461041010-639.5/(1-0.15)0.3890=0另一种计算方法： max=ET(11/chL/2）H（t，）式中：=C/(HE(t)= 15010-2/(2.11047900)=9.5110-5L/2=9.5110-549440/2=2.35chL/2=ch2.35=5.29max=-ET(11/chL/2）H（t，）=-2.2461041010-639.5(11/5.29)0.389=-2.8 Nmm1.3N/mm2，不满足要求降温时混凝土的最大拉应力应小于混凝土的抗拉设计值。抗裂安全度应满足下式要求：K=fct/1.15式中fct混凝土的抗拉强度设计值；K抗裂安全度K=1.3/2.81.15不满足要求。三、 温度与收缩裂缝的控制措施轧机基础属大体积混凝土结构，截面和体积大，埋置深，混凝土一次浇筑量大，精轧机基础达九千多立方米，且要求一次浇筑完成，浇筑时间短而集中，故混凝土浇筑后，水泥与水发生化学反应产生大量的热量，且由于混凝土的体积大，热传导性差，几乎是绝热的，在升温阶段，水化热大量积骤在结构内部不易散发，导致混凝土内部温度不断升高，而混凝土表面散热较快，表面温度低，从而形成了较大的内外温差，中部混凝土温度高，发生体积膨胀，外部温度低生产体积收缩，约束了内部膨胀，因而在混凝土内部产生压应力，在混凝土表面产生拉应力，此时混凝土的抗拉强度很低，当超过该龄期的混凝土极限抗拉强度和变形极限，便会在混凝土表面产生裂缝。在混凝土降温阶段，热量逐渐散发，混凝土温度逐渐下降，而达到使用温度（最低温度）时产生内外温差，因降温使混凝土体积逐渐产生收缩，由于受到地基、老混凝土垫层的约束及结构边界受到外部约束，将会产生很大的温度收缩应力拉应力，常使基础产生有害的贯穿性裂缝。由于混凝土内部最高温升值理论值实测值为61.3, 因此将混凝土表面的温度控制在61.3-25=36.3左右，这样混凝土内部温度与表面温度，以及表面温度与环境温度之差均不超过25。实际精轧机基础施工在5月15日进行，当时气温在25左右，根据本基础特点，在方案上确定采取降低混凝土入模温度的措施来控制温差，和覆盖保温两种方法。即砂石骨料用凉水冲洗降温,搅拌用制冷机冰水降温，泵送混凝土掺加缓凝剂，降低浇筑时的水化热,在混凝土内部埋设循环冷却水管等措施。表面温度的控制采取一层塑料薄膜加两层草袋，保温保湿措施。混凝土浇注完成做好测温记录。两种方法计算出的最高温度分别为58.9、49.2，该温度为基础底板混凝土内部中心点的温升高峰值，该温升值一般都略小于绝热温升值，一般在混凝土浇筑后的7d左右产生，以后趋于稳定不再升温，并且开始逐步降温。但这个温度确是很高的，基础底部和四周如果受到较强的约束，足以使混凝土基础产生裂缝.混凝土自约束可能产生裂缝的控制: 从设计和施工两方面采取措施进行控制。设计方面采取砼垫层下做200mm厚防阻层、嵌岩基础四周粘贴100mm厚聚胺脂苯板滑动隔离层、大体积砼内部加设水平和竖向构造钢筋、以及砼中掺加UEA膨胀等措施；施工时采取控制施工中砼的实际温差在2025范围内，即可有效控制裂缝。重点是在施工时所采取的有利措施。为减少混凝土的水化热温升，降低混凝土的浇灌温度，减少基础的约束，提高混凝土的极限抗拉强度，减少温度收缩应力，预防裂缝的出现,本工程施工中确定采用如下技术措施防止自约束裂缝。3.1用中低热42.5级矿渣硅酸盐水泥配置混凝土；3.2粉煤灰，按配合比掺用级粉煤灰有降低水泥用量，从而降低水化热；3.3掺加缓凝型泵送剂，控制水灰比，减少用水量，改善和易性，同时将水泥初凝时间延缓，有利于降低浇筑强度，避免出现冷缝；3.4低混凝土入模温度，用低温水拌制混凝土，使混凝土入模温度控制在15左右，夏天炎热，可在水箱内置入制冷循环设备把水制冷，以降低拌制混凝土的入模温度。散装水泥增加库存时间，降低水泥温度，避免石子、砂等粗细骨料受高温及日照时间长而升温，洒水降温。3.5温度控制与砼养护轧机基础在轧机牌坊部位、主电机底座，对中导齿等部位预埋热电偶,在基础上沿中心线，在基础较厚的部位设置铜热电阻测温计（53铜电阻，测温配以XQC300型12点温度自动平衡记录仪）。在混凝土浇筑完升温阶段，开始5d，每隔12h测温一次，待升温趋于平衡后，降温阶段，每34h测温一次测混凝土内部温度的同时测外界气温（包括开始入模温度）根据编号顺序，记录所测温度数据，待测到混凝土温度下降小于规定值，并在浇筑完后的15d停止监测。测温原始记录要准确齐全，对测出的数据及时整理分析，当发现降温速度过快（1.5/d），内表温差过大（25）时，应采取局部或全部加厚保温层，即在混凝土表面覆盖两层草袋蓄热保温，塑料