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大体积砼温控指标的确定
大体积砼温控指标的确定
1问题的提出
1.1在《砼结构工程施工及验收规范》(GB50204-92)中第4.5.3条:
对大体积砼的养护,应根据气候条件采取控温措施,并按需要测定浇筑后的砼表面和内部温度,将温差控制在设计要求的范围以内;当设计无要求时,温差不宜超过25℃。
1.2在《电力建设施工及验收技术规范》(建筑工程篇)中,第3.2.24条的第5款:
砼浇筑完毕后即开始测温,必要时应采取保温养护措施,砼的温升梯度宜不大于15℃/M,控制砼内外温差宜不大于25℃。
1.3在实际工程施工中,由于设计对砼的温控指标不作具体要求,即是有也是按上述规范的要求提出,往往施工单位也是将上述的指标作为温控的主要指标而加以利用。
但经过多年的实践,作者在施工中发现,仅仅按上述的规范要求是远远不够的,换句话说,就是在大体积砼的施工过程中,仅仅控制内外温差是不科学的,也是不安全的,影响大体积砼内部温度应力的因素很多,许多工程实践证明,其它的影响因素也许正是导致大体积砼开裂的主要因素。
2大体积砼内部与温度应力变化有关的参数
2.1目前国内大体积砼温应力计算所采用的公式有以下两种:
(1)详细计算公式:
式中:
各龄期砼基础所承受的温度应力
----各龄期砼的弹性模量
----砼线性膨胀系数1.0×10-5
----各龄期综合温差,均以负值代入
----油松比,当基础为双向受力时取0.15
----各龄期砼松弛系数
cosh----双曲余弦函数
L----基础的长度
其中:
H----基础底板厚度
Cx----总阻力系数(地基水平剪切刚度),N/mm3,此处
Cx=Cx1+Cx2,其各定义为:
Cx1---软土地基侧向刚度受桩影响系数;
(Q为桩产生单位侧移时的水平力,N/mm;F为每根桩分担的地基面积(mm2)。
)
当桩与地基交接时,
式中:
Kh----侧向压缩刚度系数1
E----桩的弹性模量2
J----桩的惯性矩
D----桩的直径
(2)简化计算:
式中的参数同上。
2.2从以上两公式中各参数的定义分析,与温度应力变化相关的参数有:
(1)砼的弹性模量,这主要与砼的设计强度以及龄期有关。
E(t)=E(0)(1-e-0.09t)
式中:
E(t)----任意龄期的弹性模量
E(0)----最终的弹性模量,一般的成龄的弹性模量,与砼的设计强度有关。
砼的强度增长与砼内的温度有关,也就是说,砼的弹性模量与砼内部的实际温度有关。
在实际计算时,应按砼内部28天的平均温度(理论)进行修正。
(2)各龄期砼的综合降温差:
△T(t)=△T¹(t)+△Ty(t)
式中:
为最终收缩(mm/mm),标准状态下
m1…m2…m10为考虑各种非标准条件的修正系数
△T¹(t)----砼内温度实际下降的数值,可由差分法算得。
在砼温度应力计算公式中,ΔT不是单指砼的降温差,而是考虑了砼在凝结硬化过程中的体积收缩,并将其折算成当量温差而加以考虑。
而砼的收缩主要与以下因素(m1m2……m10)有关:
(a)水泥品种;(b)水泥标号;(c)水泥细度;(d)骨料;(e)水灰比;(f)水泥浆体含量(%);(g)养护时间;(h)加荷龄期;(i)空气湿度;(j)应力比;(k)配筋率;(l)砼入模操作方式等。
因此在各阶段砼温度应力计算时,ΔT实际包含两部分的内容,一是在此阶段砼的降温差,二是在此阶段因砼的收缩而折算的当量温差。
在此我们可以看出,砼的温度应力与砼的内外温差并无直接的关系。
(3)应力松弛系数:
在计算砼的温度应力时,徐变所导致的松弛,提高了砼的长期抗拉强度,即提高了砼的极限变形能力。
其松弛的程度同加荷时砼的龄期有关,龄期越早,徐变引起的松弛亦越大;其次同应力作用时间长短有关,时间越长则松弛亦越大。
即:
求解
非常复杂,以下两表给出了一般条件下的应力松弛系数。
一般条件下应力松弛系数表表--3
=2
=5
=10
=20
t
t
t
t
2
1
5
1
10
1
20
1
2.25
0.426
5.25
0.510
10.25
0.551
20.25
0.592
2.5
0.342
5.5
0.443
10.5
0.499
20.5
0.549
2.75
0.304
5.75
0.410
1075
0.476
20.75
0.534
3
0.278
6
0.383
11
0.457
21
0.521
4
0.225
7
0.296
12
0.392
22
0.473
5
0.199
8
0.262
14
0.306
25
0.367
10
0.187
10
0.228
18
0.251
30
0.301
20
0.186
20
0.215
20
0.238
40
0.253
30
0.186
30
0.208
30
0.214
50
0.252
0.186
0.200
0.210
0.251
忽略砼龄期影响的松弛系数表(一般在简化计算中应用)表---4
t-
(天)
0
0.25
0.5
0.75
1
3
10
20
40
H(t)
1
0.667
0.626
0.617
0.611
0.570
0.462
0.347
0.306
0.283
应力松弛系数永远小于1,这主要是由于砼结构的徐变所引起的。
但这一参数又是以时间为变量的函数,也就是说,随着时间的推移,砼内因温度而引起的应力将逐渐减小,这对大体积砼的后期养护及抗裂是有利的,但如何充分利用砼的徐变,而在大体积砼施工中加以考虑呢?
依据徐变及应力松弛的概念分析,H(t,τ)与发生约束应力大小无关,而与发生约束变形时砼龄期τ1有关,与其后至某一时间t的间隔时间长短有关。
砼的龄期越早(越小),经历时间越长,应力松弛越显著。
也就是说,尽可能让随时间陆续出现的温度级差越小,延续时间越长,亦即尽可能缓慢地降温,缓慢地收缩和沉降,也就是“利用时间控制裂缝”。
这就引出另一概念“降温速度”。
降温速度是指在单位时间(一般按天计)内砼内的最高或平均温度降低的量。
在此我们同样可以看出,在砼的养护过程中,并不是控制砼内的温度梯度,更不是控制砼的内外温差,而是控制砼内的降温速度。
换句话说,是控制今天与昨天的降温差,而不是控制某一时刻砼体的内外温差,当然,控制好内外温差,对控制降温差是有用的。
经过许多工程实践证明,如果在其它条件不变的情况下,砼的降温速度小于1.5d/℃时,砼是安全的。
在《电力建设施工及验收技术规范》(建筑工程篇)中,所要求砼的温升梯度宜不大于15℃/m,这一概念实际上也是不正确的,由于在砼体中,温度基本上是按下图分布的,也就是说,温度梯度按
h厚度mm
梯度(k)
0t温度℃
数学的概念来理解应是一个曲线函数(k=ah),而非是一个常量15℃/m。
因此,在实际工程中,用给定的一个常量(15℃/m)来控制砼体中的温度场的变化不是很科学的,也是难以实现的。
(4)结构长度:
L
通过三维,二维及一维温度应力应变分析,可以得出以下结论:
从上式可知,结构物最大应力与长度无关,但是在最大应力之前的应力仍与长度有关,见下图:
0.56
0.454
3
0.3
2
0.2
1
0.1
0
2060100140180220260280
温度应力与结构长度关系
1---CX=3*10-2N/mm2;2--CX=10*10-2N/mm2;3--CX=30*10-2N/mm2;4--CX=60*10-2N/mm2;5--CX=1N/mm2;6--CX=1.5N/mm2;
(5)与基础底板厚度H的关系:
基础底板厚度一般情况下均远远小于基础长度,一般情况下,基础均按一维或二维散热考虑,那么,基础底板厚度越大则内部升温越高,温度越高则综合降温差越大。
(6)基地总阻力系数:
Cx
a.Cx1对一般软粘土:
1~3×10-2N/mm2
对一般砂质粘土:
3~6×10-2N/mm2
特别坚硬粘土:
6~10×10-2N/mm2
风化岩、低标号砼:
60~100×10-2N/mm2
100号以上配筋砼:
100~150×10-2N/mm2
b.当有桩时,则应计算:
Cx2=Q/F
F---为每根桩所分担的地基面积
Q---为桩产生单位侧移时的水平力
(7)从上述分析可知,地基约束、基础长度、基础厚度等因素对温度应力的影响较砼的综合降温差以及应力松弛的影响较小。
3、砼中应力的变化过程:
砼浇筑入模以后,砼将开始凝固。
一旦终凝,砼与边界条件(地基约束或周边基础)的相对关系将固定下来,也就是说,砼基础的长度将因地基的约束而不能自由伸缩。
地基对其的约束越大,这种变化的可能性就越小。
而此时砼的凝结硬化过程则刚刚开始,随着砼温度的升高,在此过程中势必在砼内产生压应力,虽然这种压应力较小,但这显然是利的因素,一般情况下,可不考虑。
在降温阶段,砼的温度应力将经过以下几个阶段:
A:
温度下降而引起的拉应力与砼升温过程中所产生的压应力相互抵消,即:
σ=0。
此过程较短,一般在降温的第一天到第二天此过程就结束。
B:
砼因综合降温差而引起的拉应力与砼的抗拉强度相互平衡,即:
。
砼温度应力控制的主要目的也就是要确保此公式的成立。
C:
砼因综合降温差而引起的拉应力超过砼的抗拉强度而产生裂缝,即:
。
一般情况下,升温过程中产生的压应力因为有利于砼抗裂所以可以不计,仅计算砼在降温过程中所产生的温度应力。
在大体积砼施工过程中,如何提高砼的抗拉强度,以及如何降低砼内的温度应力是两个最主要的问题。
4、大体积砼施工中的几点建议
4.1关于温控指标的确定
A.从上文分析可以看出,在大体积砼的养护过程中,不能简单地控制砼的内外温差,而应当控制砼的综合降温差,这是两个不同的概念,内外温差只能引起砼的表面裂缝,不可能直接引起砼的惯穿裂缝,也就是说,内外温差不会直接导致砼产生有害裂缝;而综合降温差将有可能直接导致砼产生有害裂缝。
当然,所有的裂缝都是从表面裂缝发展而成的,一但产生表面裂缝,将有可能由此而引起砼产生有害裂缝,虽然许多大体积砼配置了抗裂钢筋,但因为钢筋只能阻止裂缝的扩展,不能阻止裂缝的产生。
因此,在大体积砼的养护过程中,应严格控制综合降温差。
作者从许多的工程实践数据分析,在其它条件不变的情况下,28天内综合降温差控制在30℃以内是安全的。
B.从前文分析可知,由于在砼养护阶段影响综合降温差的许多因素已确定下来,但延长养护时间、提高砼表面空气湿度、推迟加荷龄期仍然对控制综合降温差有利,因此可将延长养护时间、提高砼表面空气湿度、推迟加荷龄期作为在大体积砼的养护过程中控制主要指标。
延长养护时间一般要确保28天,特别是在冬季以及在季节变化无常的秋季及春季更应特别注意。
大体积砼的早期裂缝一般发生在14~28天之间,也就是养护的后期,因为此时往往拆模后开始下一道工序,基础表面缺乏必要的保护。
砼表面空气湿度一定要大于计算时所选用的数值。
南方由于空气湿度较大,一般容易满足,而北方由于气候干燥,大风较多,很容易使砼表面干燥,所以要特别加强养护,保持砼表面湿润。
夏季以洒水为主,其它季以砼体内的水分自养为主。
保持砼表面湿润的方法很多,有条件的可喷洒砼养生液,没有条件的可用塑料布养护。
有些砼的裂缝并非完全由于砼的温度应力引起的,也可能是由于砼受外力(结构荷载)而引起的,见下图:
结构荷载结构荷载
Mmax
图--03
在大体积砼的养护初期,砼的抗裂能力较低,如果此时加载,将有可能使结构荷载引起的应力与砼的温度应力在某一截面达到或超过砼的抗裂强度,因此在砼养护阶段推迟加荷龄期对大体积砼的养护是非常必要的。
C.为充分利用砼的应力松弛系数的有利因素,在砼降温过程中严格控制降温速度也是非常必要的。
在许多工程的实际中,在其它条件不变的情况下,在开始降温的3天内,控制砼的降温速度不大于2.5℃/d,在以后的降温阶段控制砼的降温速度不大于1.5℃/d,对大体积砼是安全的。
4.2在上述影响砼温度应力的参数中,许多因素只能在砼浇筑以前考虑,一旦砼入模后,可供控制的参数非常有限。
因此大体积砼的温度应力控制重点同样应放在前期参数的确定上,例如:
水泥品种的选择,水灰比的确定,水泥用量的确定,配合比的确定,浇筑砼的季节选择(砼入模温度的控制),浇筑方式的确定,砼内绝热温升及最高温度的控制等等。
只有前期准备充分,参数确定合理,才能为后期养护提供必要的保证,才能确保大体积砼不产生有害裂缝。
参考资料:
(1)、《建筑物的裂缝控制》王铁梦著,上海科学技术出版社。
(2)、《砼结构工程施工及验收规范》(GB50204-92)
(3)、《电力建设施工及验收技术规范》(建筑工程篇)
(4)、《简明施工手册》
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