劉俊凱 中石油東北煉化工程有限責(zé)任公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

控制大體積混凝土裂縫的技術(shù)措施

劉俊凱＊中石油東北煉化工程有限責(zé)任公司吉林設(shè)計(jì)院 吉林 132002

介紹大體積混凝土裂縫的概念、公式推導(dǎo)、影響裂縫的各項(xiàng)指標(biāo)以及施工中的預(yù)防措施,總結(jié)控制大體積混凝土裂縫的措施。

大體積混凝土 水化熱 溫度應(yīng)力 裂縫

現(xiàn)代建筑中時(shí)常涉及到大體積混凝土施工,如高層樓房基礎(chǔ)、大型設(shè)備基礎(chǔ)和水利大壩等。其主要特點(diǎn)為體積大,一般實(shí)體最小尺寸≥1m。其表面系數(shù)比較小,水泥水化熱釋放比較集中,內(nèi)部溫升比較快?；炷羶?nèi)外溫差較大時(shí),易使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫,影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用,所以必須分析其原因,采取措施來保證施工質(zhì)量。

1 大體積混凝土的裂縫

大體積混凝土內(nèi)出現(xiàn)的裂縫按深度的不同,分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種。

貫穿裂縫是由混凝土表面裂縫發(fā)展為深層裂縫,最終形成貫穿裂縫。它切斷了結(jié)構(gòu)的斷面,可能破壞結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性,有較嚴(yán)重的危害性;深層裂縫部分地切斷結(jié)構(gòu)斷面,也有一定危害性;表面裂縫一般危害性較小。

大體積混凝土在施工階段所產(chǎn)生溫度裂縫的原因:①由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生的;②結(jié)構(gòu)的外部約束和混凝土各質(zhì)點(diǎn)間的約束,阻止混凝土收縮變形?；炷量箟簭?qiáng)度較大,但抗拉強(qiáng)度卻很小,所以溫度應(yīng)力一旦超過混凝土能承受的抗拉強(qiáng)度時(shí),即會(huì)出現(xiàn)裂縫。這種裂縫的寬度在允許限值內(nèi),一般不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,但卻對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性有所影響,因此必須予以重視和控制。

2 產(chǎn)生裂縫的原因

2.1 公式的推導(dǎo)

當(dāng)基礎(chǔ)板相對(duì)地基有一溫差T時(shí),計(jì)算板內(nèi)約束應(yīng)力。此時(shí)只考慮對(duì)貫穿裂縫起控制作用的平均拉力,通過光彈試驗(yàn)證明主拉應(yīng)力理論是可以應(yīng)用到長(zhǎng)墻混凝土裂縫的分析中,概念清楚,簡(jiǎn)單實(shí)用。長(zhǎng)墻受地基約束計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 長(zhǎng)墻受地基約束計(jì)算簡(jiǎn)圖

在筏式底板的任意點(diǎn)x處,截取一段dx長(zhǎng)的微體,由于假定均勻受力,微體的高度取全高H,其厚度為t,承受均勻內(nèi)力為N(即σx的合力),地基對(duì)板的剪力為Q(τ的合力)。取水平投影(暫時(shí)忽略地基對(duì)板的垂直應(yīng)力σy)。

列出平衡方程∑x=0:

任意點(diǎn)的位移由約束位移與自由位移合成:

此微分方程的通解為:

以此類推,邊界條件定積分常數(shù)為:

得位移μ的表達(dá)式(端部位移μ,最大水平法向應(yīng)力、剪應(yīng)力都由位移導(dǎo)出):

根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果繪出水平法向力及剪應(yīng)力分布圖,見圖2。

從工程實(shí)踐方面可知,水平應(yīng)力σx是設(shè)計(jì)主要控制應(yīng)力,是引起垂直裂縫的主要應(yīng)力,其最大值在截面的中點(diǎn)x=0處,此處剪應(yīng)力τ=0,即最大主應(yīng)力:

圖2 長(zhǎng)墻的主要應(yīng)力圖形

在該值上乘以應(yīng)力松弛系數(shù)得徐變應(yīng)力:

為了較為確切計(jì)算早期混凝土的溫度應(yīng)力,考慮彈性模量的變化及松弛系數(shù)隨時(shí)間的變化,將溫差分為許多區(qū)段ΔT,各段內(nèi)將E(t)及H (t,τ)看作常量,最后疊加得考慮徐變作用的應(yīng)力(一般大塊或厚板均屬二維平面應(yīng)力):

式中,ΔTi為將從溫升的峰值至周圍氣溫總降溫差分解為n段的第i段溫差;Ei(t)為相當(dāng)于第i段降溫時(shí)的彈性模量;Hi(t,τi)為相當(dāng)于第i段齡期τi,經(jīng)過由t至τi時(shí)間的應(yīng)力松弛系數(shù),t為由峰值溫度降至周圍氣溫的時(shí)間。

應(yīng)用上述公式可計(jì)算任意時(shí)間的應(yīng)力狀態(tài),但根據(jù)裂縫出現(xiàn)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),澆注后15～30天出現(xiàn)較為不利的應(yīng)力狀態(tài),可按此階段進(jìn)行計(jì)算。從公式可看出,溫度應(yīng)力首先和溫差成正比,升溫為正,應(yīng)力為負(fù),即引起壓應(yīng)力;降溫為負(fù),應(yīng)力為正,即引起拉應(yīng)力;收縮值換算為當(dāng)量溫差,永遠(yuǎn)為負(fù)值,應(yīng)力為拉應(yīng)力,因此混凝土結(jié)構(gòu)的降溫與收縮同時(shí)發(fā)生時(shí),混凝土結(jié)構(gòu)將承受互相疊加的拉應(yīng)力,容易開裂,所以夏季施工的工程比秋冬季施工的更容易開裂。

2.2 水泥水化熱

水泥在水化過程中要釋放熱量,而大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面較厚,表面系數(shù)相對(duì)較小,所以水泥發(fā)生的水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失,以致越積越多,使內(nèi)外溫差增大。單位時(shí)間混凝土釋放的水泥水化熱與混凝土單位體積中水泥用量和品種有關(guān),并隨混凝土的齡期而增長(zhǎng)。由于混凝土結(jié)構(gòu)表面可以自然散熱,實(shí)際上內(nèi)部的最高溫度多發(fā)生在澆筑后的最初3～5天。

2.3 外界氣溫變化

大體積混凝土在施工階段的澆筑溫度隨著外界氣溫變化而變化,特別是氣溫驟降,會(huì)大大增加內(nèi)外層混凝土溫差,這對(duì)大體積混凝土是極為不利的。溫度應(yīng)力是由溫差引起變形而產(chǎn)生的,溫差愈大,溫度應(yīng)力也愈大。同時(shí),在高溫條件下,大體積混凝土不易散熱,混凝土內(nèi)部的最高溫度一般可達(dá)60～65℃,并且有較長(zhǎng)的延續(xù)時(shí)間,因此,應(yīng)采取溫度控制措施,防止混凝土內(nèi)外溫差引起過大的溫度應(yīng)力。

2.4 混凝土的收縮

混凝土中約20%的水分是水泥硬化所必須的,而約80%的水分要蒸發(fā)。多余水分的蒸發(fā)會(huì)引起混凝土體積的收縮,這是混凝土體積收縮的主要原因。如果混凝土收縮后,再處于水飽和狀態(tài),還可以恢復(fù)膨脹并幾乎達(dá)到原有的體積。干濕交替會(huì)引起混凝土體積的交替變化,這對(duì)混凝土是很不利的。

影響混凝土收縮的因素主要有水泥品種、混凝土配合比、外加劑和摻合料的品種以及施工工藝(特別是養(yǎng)護(hù)條件)等。

2.5 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的影響

由上述公式可看出,最大應(yīng)力不僅與高長(zhǎng)比(H/L)有關(guān),而且與底板長(zhǎng)度的絕對(duì)尺寸有關(guān)。長(zhǎng)度增加,應(yīng)力增加,但不是線性關(guān)系。在較短的范圍內(nèi),長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力的影響較大,超過一定長(zhǎng)度后,影響變微,其后趨近于常數(shù),無(wú)論長(zhǎng)度如何增加,應(yīng)力不變,見圖3。

圖中,1為Cx=3×10-2N/mm3;2為Cx= 10-1N/mm3;3為Cx=3×10-1N/mm3;4為Cx=6 ×10-1N/mm3;5為Cx=1N/mm3;6為Cx= 1.5N/mm3。

該圖顯示的是具有不變的H/L=1/10,具有各種不同水平阻力系數(shù)Cx。由于底板絕對(duì)尺寸的變化而有不同應(yīng)力的關(guān)系曲線。可以看出,Cx越小,應(yīng)力增加越緩慢;隨著長(zhǎng)度的增加,應(yīng)力增長(zhǎng)速度不斷下降。

圖3 溫度應(yīng)力與結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度關(guān)系

3 大體積混凝土的配制

大體積混凝土所選用的原材料應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)粗骨料宜采用連續(xù)級(jí)配,細(xì)骨料宜采用中砂。

(2)外加劑宜采用緩凝劑、減水劑;摻合料宜采用粉煤灰、礦渣粉等。

(3)大體積混凝土在保證混凝土強(qiáng)度及坍落度要求的前提下,應(yīng)提高摻合料及骨料的含量,以降低單方混凝土的水泥用量。

(4)水泥應(yīng)盡量選用水化熱低、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)的水泥,優(yōu)先采用中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、大壩水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥等。

但是,水化熱低的礦渣水泥的析水性比其它水泥大,在澆筑層表面有大量水析出。這種泌水現(xiàn)象不僅影響施工速度,同時(shí)影響施工質(zhì)量。因析出的水聚集在上下兩澆筑層表面間,使混凝土水灰比改變,而在掏水時(shí)又帶走了一些砂漿,形成一層含水量多的夾層,破壞混凝土的粘結(jié)力和整體性?；炷撩谒缘拇笮∨c用水量有關(guān),用水量多,泌水性大;且與溫度有關(guān),水完全析出的時(shí)間隨溫度的提高而縮短;此外,還與水泥的成分和細(xì)度有關(guān)。所以,在選用礦渣水泥時(shí)應(yīng)盡量選擇泌水性的品種,并應(yīng)在混凝土中摻入減水劑,以降低用水量。在施工中,應(yīng)及時(shí)排出析水或拌制一些干硬性混凝土均勻澆筑在析水處,用振搗器搗實(shí)后,再繼續(xù)澆筑上一層混凝土。

4 大體積混凝土的澆筑

澆筑方案除應(yīng)滿足每一處混凝土在初凝以前就被上一層新混凝土覆蓋并搗實(shí)完畢外,還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)大小、鋼筋疏密、預(yù)埋管道和地腳螺栓的留設(shè)、混凝土供應(yīng)情況以及水化熱等因素的影響,常采用的澆筑方法有以下幾種。

4.1 全面分層

即在第一層全部澆筑完畢后,再回頭澆筑第二層,此時(shí)應(yīng)使第一層混凝土還未初凝,如此逐層連續(xù)澆筑,直至完工為止。采用這種方案適用于結(jié)構(gòu)的平面尺寸一般不宜太大,施工時(shí)從短邊開始,沿長(zhǎng)邊推進(jìn)比較合適。必要時(shí)可分成兩段,從中間向兩端或從兩端向中間同時(shí)進(jìn)行澆筑。

4.2 分段分層

混凝土澆筑時(shí),先從底層開始,澆筑至一定距離后澆筑第二層,如此依次澆筑其他各層。由于總的層數(shù)較多,所以澆筑到頂后,第一層末端的混凝土還未初凝,又可以從第二段依次分層澆筑。這種方案適用于單位時(shí)間內(nèi)要求供應(yīng)的混凝土較少,不像第一種方案那樣集中。這種方案適用于結(jié)構(gòu)物厚度不太大而面積或長(zhǎng)度較大的工程。

4.3 斜面分層

要求斜面的坡度不大于1/3,適用于結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度大大超過厚度3倍的情況?；炷翉臐仓酉露碎_始,逐漸上移。

5 大體積混凝土養(yǎng)護(hù)溫度的控制

大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)不僅要滿足強(qiáng)度增大的需要,還應(yīng)通過溫度控制,防止因溫度變形引起混凝土的開裂。

溫度控制就是要控制混凝土的澆筑溫度和混凝土內(nèi)部的最高溫度。

在混凝土養(yǎng)護(hù)階段的溫度控制應(yīng)遵循以下幾點(diǎn):

(1)混凝土的中心溫度與表面溫度之間、混凝土表面溫度與室外最低氣溫之間的溫差均應(yīng)小于20℃;當(dāng)結(jié)構(gòu)混凝土具有足夠的抗裂能力時(shí),不大于30℃。

(2)采用通蒸汽養(yǎng)護(hù)法時(shí),混凝土的收縮值隨時(shí)間而增長(zhǎng),蒸汽養(yǎng)護(hù)的收縮值低于常溫養(yǎng)護(hù)的收縮值。混凝土從開始凝結(jié)就產(chǎn)生收縮,初期收縮變形發(fā)展較快,2～4周可分別完成全部收縮的25%～50%,12周后增長(zhǎng)緩慢,整個(gè)收縮過程可延續(xù)2年以上,最終收縮值為(2～5)×10-4,見圖4。

圖4 蒸汽養(yǎng)護(hù)混凝土的收縮值與時(shí)間的關(guān)系

(3)采用內(nèi)部降溫法來降低混凝土內(nèi)外溫差。內(nèi)部降溫法是在混凝土內(nèi)部預(yù)埋水管,通入冷卻水,降低混凝土內(nèi)部最高溫度。冷卻在混凝土剛澆筑完時(shí)就開始進(jìn)行,還有常見的投毛石法,均可以有效地控制因混凝土內(nèi)外溫差而引起的混凝土開裂。

(4)混凝土拆模時(shí),混凝土的溫差不超過20℃。其溫差應(yīng)包括表面溫度、中心溫度和外界氣溫之間的溫差。

(5)保溫法是在結(jié)構(gòu)物外露的混凝土表面以及模板外側(cè)覆蓋如草袋、鋸末、濕砂等保溫材料,在緩慢的散熱過程中,使混凝土獲得必要的強(qiáng)度,以控制混凝土的內(nèi)外溫差小于20℃。

(6)混凝土表層布設(shè)抗裂鋼筋網(wǎng)片,防止混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生干裂。

(7)減小地基水平阻力法,即在基礎(chǔ)底板與墊層之間設(shè)滑動(dòng)層,如鋪兩層油氈、施瀝青涂層以及用其他當(dāng)?shù)乜捎玫膲|層。

6 結(jié)語(yǔ)

在大體積混凝土施工時(shí),準(zhǔn)確計(jì)算混凝土拌合溫度、混凝土出機(jī)溫度、混凝土絕熱溫升、混凝土內(nèi)部實(shí)際溫度、混凝土表面溫度及混凝土內(nèi)部與表面溫差,有利于選取適宜的施工工藝、采取相應(yīng)的降溫與養(yǎng)護(hù)措施,從而避免出現(xiàn)混凝土溫度裂縫,以保證混凝土結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量。

1 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

2 李國(guó)勝.建筑結(jié)構(gòu)裂縫及加層加固疑難問題的處理—附實(shí)例[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

3 GBJ 10-89,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Build up the simulation model of the butyraldehyde distillation column process in butyl and octanol unit by using Aspen-plus process simulation software and compare the simulation result with the design value. Determine the optimal operation parametrical condition by using the sensitivity analysis.

Si mulation and Opti m ization of Butyraldehyde D istillation Column Process

Wang Hongjun,et al
(Nanjing Yangzi Petrolchem icalDesign Engineering Company,Nanjing210048)

butyraldehyde distillation column process simulation model

＊?jiǎng)⒖P:工程師。2005年7月畢業(yè)于吉林省建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)。一直從事土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話:(0432) 63958491,E-mail:liujunkai@cpene.com。

(修改回稿2011-04-20)