浅谈大体积砼温度控制计算_论文发表__墨水学术,论文发表,发表论

所属栏目：数学论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:284

副标题#e#
　　浅谈大体积砼温度控制计算
　　黄云海
　　（武钢建工集团建设公司湖北武汉430083）
　　摘要：从砼配合比的试配出发，比较选择符合的工建系统大体积砼施工的计算模型（局部系数根据现场情况经过调整），对用此配合比的砼施工后可能出现的内外温差、最高温度及最大内应力、砼安全系数做了详细的计算，从理论上证明按计算模型要求养护的大体积砼不会出现有害裂缝。根据施工后的温度监控记录和实物质量证明了此计算模型是可用的、有效的。
　　关键词：超大体积砼配合比温度及内应力计算计算模型
　　前言
　　砼裂缝分为微观裂缝和宏观裂缝，微观裂缝是肉眼看不见的，其分布是不规则、不贯通的。宏观裂缝是微观裂缝扩展而来的，一般不小于0.05mm。其产生的主要原因有三种：一是外荷载（按常规计算的主要应力）引起的，二是结构次应力（结构实际工作状态与计算假设模型的差异）引起的，三是变形应力（由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素引起的结构变形而产生的应力）引起的。建筑工程中大体积砼施工最大的难度在于如何有效控制砼变形应力，使之不出现有害裂缝（表面裂缝和贯穿裂缝）。而大体积砼结构所承受的变形主要是因温度和收缩而产生的。因此优化配合比，进行温度和内应力的计算，在砼施工前从理论上将砼变形应力控制在容许范围内，并加强养护，是使大体积砼避免出现有害裂缝的有效途径之一。抗裂缝温度计算公式有多种计算模型，根据现场实际情况，经过多种计算结果的比较，选择了一种比较符合工建大体积砼施工的计算模型，小心推论，大胆实践，结果证明这种计算模型是有效的。
　　1工程概述
　　武钢1#、2#焦炉改造工程由鞍山焦耐院设计，其焦炉基础的底板尺寸为27.4*82.2m，基础两边各27.4*8m的范围内底板厚1.5m，中间部分27.4*66.2m范围内底板厚1.0m，平均厚度为1.363m。底板下为长臂螺旋钻孔桩，直径为400mm，间距为1500*1500，每根桩分担的地基面积为2.25m2。基础砼标号为C25，共2472m3，属超大体积砼施工。2#焦炉基础从2003年10月25日早上8：00开始浇筑，10月26日早上8：00浇筑完毕，共用24小时，由2辆泵车8辆罐车一次浇筑完成。砼浇筑温度为20℃，施工期间大气平均温度为25℃。1＃～12＃测温孔于25日下午4：00覆盖，13＃～24＃测温孔于26日8：00覆盖。浇筑完初凝后根据计算模型要求采用一层塑料薄膜一层草袋洒水养护，8小时后水化热开始起作用，砼温度开始升高，根据预留的测温孔可知，砼最高温度出现在浇筑后的5天为52℃，持续2天，然后温度逐渐减退15天后趋于平稳，28天后经结构验收证明基础无有害裂缝，观感质量优良。同时根据计算模型可知，砼最高温度出现在浇筑后的7天，最高温为51.99℃，因此在下面计算中取3d，7d和28d计算龄期进行比较计算。
　　2砼配合比设计
　　2.1设计条件和工艺要求
　　（1）砼设计强度为C25，其配制强度按GBJ107以及砼拌站生产实际管理水平而定。如均方差取σ=3MPa，则C25砼R28的配制强度应≥29.9MPa。
　　（2）为降低砼水化热采用低水化热的32.5矿渣水泥。
　　（3）砼和易性指标
　　a）坍落度出机时，150±30mm
　　b）经时坍落度（1h后）保留坍落度应大于120mm
　　（4）砼凝固时间--按GB8076-87贯入阻力仪实测法
　　a）初凝时间不小于3.5小时
　　b）终凝时间不大于4.9小时
　　2.2底板施工配合比（㎏/m3）
　　强度等级 水灰比W/C 坍落度mm 水 水泥
　　325#矿渣 粉煤灰 砂 石子 外加剂
　　(CAS、FDN-2)
　　C25 0.433 150±30 180 290 84 702 1098 42、30
　　        
　　3温度计算
　　3.1当考虑到砼导热及升温阶段的散热因素，按下式计算砼绝热温度：
　　Th=#p#副标题#e#mc*Q/cρ*（1-emt）…………………………（1）
　　式中Th…………………砼t天的绝热温度℃
　　mc……………每立方米砼中水泥实际用量kg/m3
　　Q……………水泥水化热，矿渣32.5水泥3天为180kJ/㎏，7天
　　为256kJ/㎏，28天为334kJ/㎏
　　c………………砼比热，取0.97kJ/(㎏•℃)
　　ρ…………………砼的容重,取2400kg/m3
　　t……………水泥水化热升温龄期，取3、7、28天
　　m……………热影响系数，m=0.55+0.001Q0（矿渣），取0.84l/d
　　e-…………………负指数函数
　　计算得出：T3=20.62℃T7=31.80℃T28=41.61℃
　　同时利用插分法代入公式可计算得：
　　T4=24.05℃T5=26.99℃T6=29.70℃T8=32.25℃T9=32.87℃
　　3.2按下式计算砼中心温度：
　　T1(t)=Tj+Th*ξ(t)
　　式中T1(t)…………………t天砼中心计算温度℃
　　Tj…………………砼浇筑℃，取25℃
　　ξ(t)………t天砼降温系数，3天为0.45，7天为0.34，28天为0.04
　　计算得出：T1(3)=29.28℃T1(7)=30.81℃T1(28)=21.66℃
　　同时利用插分法代入公式可计算得：
　　T1(4)=30.10℃T1(5)=30.53℃T1(6)=30.69℃
　　T1(8)=29.70℃T1(9)=29.20℃
　　3.3按下式计算砼表层温度（表面下50~100mm）：
　　3.3.1计算保温材料厚度：
　　δ=0.5*h*λx*(T2-Tq)*Kb/(λ*(Tmax-T2))
　　式中δ………………保温材料厚度m
　　h………………砼施工厚度为1.363m
　　λx………………保温材料导热系数，草袋取0.14W/(m.K)
　　T2……………砼表面温度℃
　　Tq……………施工期大气平均温度℃
　　Tmax……………砼计算最高温度℃
　　计算时取T2-Tq=5℃，取Tmax-T2=25℃
　　Kb……………热修正系数，由草袋和薄膜养护取Kb=2.0
　　计算得出：δ=0.016m
　　3.3.2砼表面模板及保温层的传热系数：
　　β=1/[∑δi/λi+1/βq]
　　式中β………………砼表面模板及保温层的传热系数W/(m2.K)
　　δi………………各保温层的厚度，草袋和薄膜为0.016m，砼为0.05m
　　λi………………各保温材料的导热系数，草袋和薄膜为0.14W/(m.K)，
　　砼为2.33W/(m.K)
　　βq………………空气的传热系数为23W/(m2.K)
　　计算得出：β=5.58W/(m2.K)
　　3.3.3砼虚厚度：
　　h'=k*λ/β
　　式中h'………………砼虚厚度m
　　k………………折减系数，取2/3
　　λ………………砼导热系数为2.33W/(m.K)
　　计算得出：h'=0.279m
　　3.3.4砼计算厚度：
　　H=h+2h'
　　式中H……………砼计算厚度m
　　h……………砼施工厚度为1.363m
　　计算得出：H=1.921m
　　3.3.5砼表层温度：
　　T2(t)=Tq+4*h'*(H-h')*[T1(t)-Tq]/H2
　　式中T2(t)…………………t天砼表层温度℃
　　将上述符号数值代入公式得：
　　T2(3)=27.12℃T2(7)=27.89℃T2(28)=23.34℃
　　T2(4)=27.53℃T2(5)=27.74℃T2(6)=27.83℃
　　T2(8)=27.34℃T2(9)=27.09℃
　　3.3.6砼内平均温度：
　　Tm(t)=[T1(t)+T2(t)]/2
　　式中Tm(t)…………………t天砼平均温度℃
　　将上述符号数值代入公式得：
　　Tm(3)=28.20℃Tm(7)=29.35℃Tm(28)=22.50℃
　　Tm(4)=28.82℃Tm(5)=29.14℃Tm(6)=29.26℃
　　Tm(8)=28.52℃Tm(9)=28.15℃
　　由上述数据可知：T1(7)=30.81℃T2(7)=27.89℃Tm(7)=29.35℃都是本组数据中最大值，因此，砼最高温度理论上出现在浇注后的第7天，砼计算最高温度为：Tmax=25+T2=25+26.99=51.99℃（T2为算术平均值），砼实测最高温度为52℃，出现在第七天，与理论计算数据相吻合。
　　4应力计算
　　4.1地基约束系数
　　（1）单纯地基阻力系数CX1：C10素砼垫层，取CX1=1.0
　　（2）桩的阻力系数：CX2=Q/F
　　式中CX2……………桩的阻力系数（N/mm3）
　　Q……………桩产生单位位移所需的水平力（N/mm）。桩与底板固接，
　　Q=4*E*I*[Kn*D/#p#副标题#e#（4*E*I）]3/4，其中E为桩砼的弹性模量取
　　2.8*104N/mm2，I为桩的惯性距取1.26*109mm4，Kn为地基水平
　　侧移刚度取0.01N/mm3，D为桩直径取400mm。
　　F……………每根桩分担的地基面积mm2
　　（3）大体积砼瞬时弹性模量：E(t)=E0*(1-e-0.09t)
　　式中E(t)……………t天砼弹性模量（N/mm2）
　　E0……………28天砼弹性模量，取2.8*104N/mm2
　　t………………砼龄期
　　计算得出：E(3)=0.66*104N/mm2E(7)=1.31*104N/mm2E(28)=2.58*104N/mm2
　　（4）地基约束系数：β(t)=(CX1+CX2)/h*E(t)
　　式中β(t)……………t天地基约束系数（l/mm）
　　h………………砼施工厚度（mm）
　　将上述符号数值代入公式得：
　　β(3)=4.88l/mmβ(7)=9.64l/mmβ(28)=18.97l/mm
　　4.2砼干缩率和收缩当量温差
　　（1）砼干缩率
　　εY(t)=εY0*(1-e-0.01t)*M1*M2*…*M10
　　式中εY(t)……………t天砼干缩率
　　εY0………………标准状态下砼极限收缩值，取3.24*10-4
　　M1*M2*…*M10………………各修正系数，
　　M1………………水泥品种，矿渣水泥取1.25
　　M2………………水泥细度5000，取1.35
　　M3………………骨料品种石灰岩，取1.00
　　M4………………水灰比0.433，取1.07
　　M5………………水泥浆量0.175，取0.95
　　M6………………初期养护时间7d，取1.00
　　M7………………环境相对湿度80%，取0.70
　　M8………………水力半径倒数0.1，取0.76
　　M9………………机械振捣，取1.00
　　M10……………配筋率0.7%，取0.82
　　以上∑M1*M2*…*M10=0.75
　　将上述符号数值代入公式得：
　　εY(3)=0.072*10-4εY(6)=0.14*10-4εY(7)=0.16*10-4εY(10)=0.23*10-4εY(28)=0.59*10-4εY(31)=0.65*10-4
　　（2）收缩当量温差：
　　TY(t)=εY(t)/α
　　式中TY(t)……………t天收缩当量温差℃
　　α……………砼线膨胀系数，取1*10-5（1/℃）
　　将上述符号数值代入公式得：
　　TY(3)=0.72℃TY(6)=1.4℃TY(7)=1.6℃TY(10)=2.3℃TY(28)=5.9℃TY(31)=6.5℃
　　（3）结构计算温差（以3天划分一区段）：
　　ΔTi=Tm(i)-Tm(i+3)+TY(i+3)-TY(i)
　　式中ΔTi……………i区段结构计算温差℃
　　TY(i)……………i区段收缩当量温差℃
　　Tm(i)…………i区段砼平均温度℃，用插分法计算Tm(6)=29.26℃，
　　Tm(10)=27.85℃，Tm(31)=22.20℃
　　将上述符号数值代入公式得：
　　ΔT3=-0.37℃ΔT7=2.17℃ΔT28=0.84℃
　　（4）各区段的拉应力σi=Ei*α*ΔTi*Si*[1-1/ch(βi*L/2)]
　　式中σi……………i区段的内拉应力（N/mm2）
　　Ei……………i区段砼弹性模量（N/mm2）
　　ΔTi……………i区段结构计算温差℃
　　Si……………i区段松弛系数，取S3=0.57，S7=051，Si=0.335
　　βi……………i区段地基约束系数（l/mm）
　　L……………砼最大尺寸（mm）
　　ch……………双曲余弦函数
　　将上述符号数值代入公式得：σ3=-0.013N/mm2σ7=0.134N/mm2σ28=0.067N/mm2
　　（5）到指定期砼内最大应力：σmax=[1/(1-ν)]*∑σi
　　式中σmax……………到指定期砼内最大应力（N/mm2）
　　ν……………泊桑比，取0.15
　　将上述符号数值代入公式得：σmax=0.222N/mm2
　　（6）安全系数：K=ft/σmax(≥1.15)
　　式中K……………大体积砼抗裂安全系数，应≥1.15
　　ft……………到指定期砼抗拉强度设计值，取1.3N/mm2
　　将上述符号数值代入公式得：K=5.86＞1.15（安全）
　　5温度实测
　　为了进一步了解大体积砼各部位水化热的大小，不同深度温度升降的变化和施工阶段的早、中、后期温差的发展规律，根据本基础的平面尺寸、形状以及厚度，布置测温孔24个（均匀布置），测温孔采用φ48.5*3.5的钢管埋入砼中，深1.0m，采用人工测温记录，测温点被砼覆盖2小时后即开始测温。砼浇筑完#p#副标题#e#毕后，根据大体积砼早期升温快、后期降温较慢的特点，在砼温度应力计算的基础上，确定测温时间为28天，混凝土浇捣后3天每4小时测读一次，3～14天内每6小时测读一次，以后每12小时测读一次，若遇温度突变或温差过大应记录一次。
　　实测结果：最高温度出现在砼浇筑后的第5天为52℃，持续时间为2天，第8天温度以每天1.5～2℃减退，15天后砼温度趋于平稳为35℃，内外温差小于25℃。
　　6结语
　　6.1抗裂缝温度计算公式有多种计算模型，根据现场实际情况和综合比较，选择了一种比较符合工建大体积砼施工的计算公式，该公式比较完整地考虑到水泥水化热随时间而变化、砼保温材料的厚度、砼计算厚度与实际厚度的关系等因素，但是完全根据此公式计算得出的结果与实测值有一定差距，因此对其中一些计算参数进行了修正，例如：原式中热影响系数m值随浇筑温度改变而改变取值。对m值采用同济大学王铁梦专家意见（见《大体积砼温控理论计算》——同济大学王铁梦编），即热影响系数m值与水泥品种、用量有关即m=0.43+0.0018W（普硅水泥）或m=0.63+0.0018W（早强水泥）；或m=0.55+0.001W（矿渣水泥）（W为水泥用量），此m值代入公式计算结果与实测相吻合（Tmax理=51.99℃，Tmax实=52℃）。
　　6.21#焦炉基础底板施工蓝图与2＃焦炉一样，砼配合比也与其一致，1#焦炉基础于2003年12月29日早上8：00开始浇筑，12月30日早上8：00浇筑完毕，共用24小时，砼浇筑时温度为5℃，施工期间大气平均温度为6℃，浇筑完初凝后用一层塑料薄膜一层草袋洒水养护，8小时后水化热开始起作用，砼温度开始升高，根据预留的测温孔可知，砼最高温度出现在浇筑后的5天为34℃，持续2天，然后温度逐渐减退15天后趋于平稳，28天后经结构验收证明基础无有害裂缝，观感质量优良。
　　根据本文的计算模型将相关数据代入可得，砼最高温度出现在浇筑后的7天，最高温为33.22℃与实际温度比较吻合，由此可知本计算模型比较符合工建大体积砼施工的温度控制。
　　6.3为有效控制裂缝的出现和发展，必须从控制砼的水化升温、延缓降温速率、减少砼收缩、提高砼的极限拉伸强度等全方面考虑，结合实际采取措施。例如：（1）采用低水化热矿渣水泥；（2）充分利用砼的后期强度，减少水泥用量。根据实验表明，每减少10Kg水泥，其水化热将使砼的温度相应减低1℃；（3）掺加粉煤灰等掺合料或减水剂、缓凝剂等外加剂，改善和易性、降低水灰比，以减少水泥用量，降低水化热；（4）采用低温水搅拌砼，降低砼入模温度，以降低温度差，使砼内外控制在25℃以内；（5）做好砼保温保湿养护工作，充分发挥砼徐变特性，降低温度应力；（6）采取长时间养护，规定合理的拆模时间，延缓砼降温时间和速度，充分发挥砼的“应力松弛效应”。
　　6.4利用本计算模型得出最高温度出现在第7天，而实际在第5天就出现了最高温，并持续2天，这个时间差使得本计算模型还需进一步完善。
　　6.5本计算模型能否普遍适用于工建大体积砼施工的温度控制还需在以后施工中验证、完善。
　　参考文献
　　[1]《建筑施工手册》（第四版）中国建筑工业出版社（第19章，砼工程）
　　[2]《大体积砼温控理论计算》同济大学王铁梦编，中国机械工业出版社；
　　[3]《混凝土强度检验评定标准》（GBJ107-87）中国城乡建设环境保护部编，中国计划出版社出版；
　　[4]《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119-2003）中华人民共和国建设部编，中国建筑工业出版社；
　　[5]《混凝土及预制混凝土构件质量控制规程》（CECS40：92）中国建筑科学研究院编，中国计划出版社出版；
　　[6]《混凝土结构构造手册》（第三版）中国有色工程设计研究院总院编，中国建筑工业出版社；