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 建筑论文
建筑大体积混凝土温度裂缝分析及其控制技术研究
发布时间:2018-08-04 点击: 发布:中国论文期刊网

1导论

1.1建筑大体积混凝土应用背景

在经济不断发展的背景下,科学技术也随着进步在基础建筑中使用的材料也在不断的更新进步,从最开始的土、草、木到石头,然后发展到烧砖,到近现代出现的混凝土。现代混凝土结构工程的发展方向一直都是高、大、深及复杂的结构,不仅在民用建筑和工业建筑中大量的使用混凝土,其还在很多超限高层建筑基础、大型桩基承台、大型转换层级大型设备基础中出现。与此同时,混凝土还在水利水电、码头海洋工程以及市政工程中广泛的运用。现代混凝土材料的创新和施工技术的不断发展也促进了大体积混凝土的应用。混凝土的抗拉强度和抗压强度相差的比较大,抗拉强度是抗压强度的1/10左右,因此属于脆性材料。浇筑混凝土之后很容易由于水化热引起的应力过大造成裂缝。从20世纪90年代起开始注重混凝土耐久性概念,在学术界和工程界范围内越来越重视大体积混凝土的开裂问题,国内的专家学者们也以这个问题为核心进行了大量的工程实践和学术研究。在工程界最早引起专家对这个问题的重视的是20世纪20年代初建设的奥瓦希坝,这个工程结束不仅就开始出现诸多的裂缝。依据相关报道,日本的森川大头坝1958年8月在4个坝段的上游面大量的出现垂直裂缝。前苏联的马康宽缝重力坝(1956-1961年)更是有用严重的裂缝问题,其中的三个坝段都出现了横向发展的裂缝。此外,我国的侵葛重力坝和恒仁大头坝也出现国相似的裂缝,仅仅运行了7年在基础上已经侵入的裂缝。例如在上海西郊虹桥开发区广场大厦施工的过程中,就发现了超过23208条温度裂缝,其中存在深层裂缝和贯穿裂缝1608条。
深层裂缝和基础贯穿性裂缝这两种裂缝在大体积混凝土裂缝中对混凝土结构造成很大的危害,不单对结构的整体性形成了破坏,还将结构断面的受力面积减小,进而应力分布图就会发生变化,导致应力的重新分布,混凝土建筑物的受力状态和约束条件也会发生改变,最终工程浇筑后就会出现局部破坏,甚至会出现整体性的破坏。即使出现的裂缝对结构整体性破坏不会产生影响,但是也会在一定程度上危害到结构的适用性、安全性及耐久性。
大量的混凝土实验研究及工程实测可以证明,通常在混凝土浇注的初期会形成大体积混凝土裂缝。混凝土浇注后水化凝结的过程中会有大量的水化热释放出来,会使混凝土的内部温度急剧升高,进而受热膨胀,但同时会受到基础约束和其他混凝土的约束作用,所以在浇注块初期内部会产生压应力。相对于混凝土内部,表面温度比较低,相应的产生拉应力。当混凝土所受的拉应力大到超过其抗拉强度之后,混凝土就会开裂。
大体积混凝土在浇注后易出现裂缝而且不宜控制的原因具体如下:
一是材料方面。因为现代工程结构的发展方向是高、大、深、复杂,因此对于混凝土材料强度的要求会越来越高,这在混凝土组成成分变化上得到了体现:水泥的用量在单位体积内不断增多,进入水灰比就渐渐的减小,导致其中未水化的颗粒增多,混凝土使用中增添了大量的添加剂和超细掺合料,出现这些变化情况都可能使混凝土早期产生的水化热的热量增大,短时间内其内部的温度急速上升,内外产生较大的温差,导致温度裂缝的出现。
二是工程设计施工方面。现代工程结构一直想高、大、深、复杂的方向发展,因此混凝土的用量在持续的增加,大量的混凝土在浇注过程中的养护难度也越来越大,例如保温保湿等,导致在浇注早期大体积混凝土出现裂缝,设计院在进行结构设计的时候,没有对于大体积混凝土温度应力对结构产生的影响进行准确的考虑,所以也就没有相关的设计方案。很多施工单位在施工过程中没有对《代替机混凝土施工规范》进行严格的遵守,仅仅只是看中施工进度,缺少对于工程质量的把控,因此对于早期裂缝的产生不能及时的避免。
三是环境影响。工程结构的使用越来越广泛,尤其是大体积混凝土结构需要承受,比如更加严酷的寒潮、高温、干湿交替及强腐蚀环境,使得对大体积混凝土早期开裂的有效控制存在着更大的挑战。
综上所述,能够看出大体积混凝土温度裂缝的研究,不仅要研究裂缝产生的结构状态,还要全面研究材料的组成、结构设计、结构计算、构造设计及施工工艺热物理力学性能。混凝土进行不同的配合比,就会出现很大的产别,工程实际的地形、周边环境及地质条件都会对几何尺寸、施工过程、构造设计及结构的计算产生较大的影响。
目前,控制大体积混凝土温度裂缝主要采用的方案有实时监控、优化材料配合比等,但是对于大体积混凝土温度场和应力场的瞬时分布情况也是难以预测的。因此在实际工程施工中,对于大体积混凝土从多个方面都进行严格的考虑,包括设计、选材、施工等方面,以便于对其在时间域和空间域上的变化情况及时的掌握。本文对建筑大体积混凝土温度裂缝进行分析并研究其控制技术,其中对于大体积混凝土实际工程监测进行模拟,对于温度场、应力场进行完整的模拟,针对设计和施工提出优化的建议,对于大体积混凝土因水化热过大引起的温度裂缝进行有效的防止,进而保障大体积混凝土的安全性、适用性和耐久性。

1.2国内外建筑大体积混凝土研究现状

1.2.1国外建筑大体积混凝土研究现状

最早在建造混凝土水坝中开始运用大体积混凝土,现代生产技术和生产力在不断的提升,因此建筑领域就在不断的扩大,大体积混凝土在船坞、核电站压力壳、大型设备的基础及高层建筑的基础得到逐渐的运用,比如大型混凝土或刚劲混凝土结构。
在1990年前,一般建造的混凝土水坝体积是比较小的,因此使用的混凝土强度和水化热都是比较低的,强度增长的比较慢,放热的时间就比较长,混凝土就具有较小的温度应力,但是后来坝体一直在增大,水泥的放热比较小,但是其内部蓄热是比较大的,因此温度应力就会增大,因此在设计及施工中控制坝体混凝土的裂缝是一个比较重要的研究课题。从1930年以后,工程师就开始注意到大体积混凝土出现温度裂缝的问题,逐渐认识到大体积混凝土产生裂缝的根本原因是水泥水化热引发的温度应力。基于此美国对于大体积混凝土进行了较为全面的研究,然后提出开发了多种技术措施,这些原理和方法至今在各种大体积混凝土中得到比较广泛的应用,具体的技术措施如下:
(1)采用低热水泥
在1932-1935年美国建造99m的Morris坝的时候,第一次研制出了低热水泥,即对于水泥中C3A、C3S的含量进行限制,进而对于水泥的水化热进行降低。之后就发现这种水泥强度增长速度比较慢,基于这方面的考虑渐渐就使用C3S含量比较高的中热水泥。之后的研究中在水泥中掺入一些混合材料,比如火山灰、蛋白石粉、粉煤灰及浮石粉等,渐渐就将目标集中在添加粉煤灰和矿渣上面,然后制定了相应的标准。后来又渐渐的开发出了效果更佳的低热膨胀水泥。
(2)降低水泥用量
1930年以前,美国在建造水坝时针对水泥的用量有一天不成文的规定:水泥的用量在内部坝体混凝土中不应该少于225,在外部坝体混凝土中的用量不得少于338。虽然混凝土具备不低的强度,但坝体依然会出现很多裂缝。后来就运用了一系列降低水泥用量的方式,同时混凝土的施工工艺在持续的改进,因此水泥的用量就逐渐的降低,具体表现在大坝混凝土中水泥的平均用量由1930年的225直接降到了现在的胶凝材料总用量的160左右(其中还含有掺合料);此外,混凝土碾压技术也在不断的开发和利用,进一步降低的水泥的用量;在混凝土中降低水泥用量和吸收混凝土中热量的主要措施就是在其中埋入大粒径石头;之后对于减少水泥用量的新措施进行了开发,比如改善骨料配级、加大骨科粒径、使用地流动性甚至干硬性混凝土、掺加外加剂和外掺料、利用混凝土后期强度(90天、180天强度)及采用碾压技术等。
(3)开发新的混凝土施工工艺、施工技术
目前已经在大体积混凝土温度裂缝控制中开发和使用工艺技术有:合理进行分缝分块、用聚合物浸渍混凝土、混凝土通仓纵缝浇筑法及使用强力振捣设备等。
(4)降低混凝土的浇筑温度
将混凝土的浇筑温度进行降低的具体办法有:降低混凝土浇筑温度、低温走廊预冷混凝土及用掺冰的水拌合混凝土等。当下已经发展到在任何条件下都可以使搅拌机出料口混凝土的温度不大于7.2℃。
(5)降低混凝土浇筑块的温度
降低混凝土浇筑块温度通常使用的方法就是在混凝土中预埋冷却水管,让其中的循环冷却水将大量的水化热带走,进而将大体积混凝土中的最高温升进行降低。
(6)对混凝土的表面进行保温,控制大体积混凝土内外的温差
工程实践证明对混凝土进行表面保温,尽量控制好大体积混凝土内外的温差是一种非常经济、简便、有效的措施,尤其是在普通民用建筑物的基础筏板、设备基础等中非常适用于不很厚大的混凝土。
(7)对大体积混凝土的力学性能、热力学性能等进行研究、评定
对于大体积混凝土的力学性能、热力学性能的研究和评定方面已经取得一定的成果,体现在已经发展出一些较为系统的计算方法,可以对大体积混凝土中的温度应力进行较为准确的预测和计算。

1.2.2国内建筑大体积混凝土研究现状

“工业建筑温度伸缩缝问题”早在上个世纪的50年代就在建筑领域中成为一个规范性的问题。但在工程实践中却经常性的出现反常性的现象:有的工程较短但是会出现很严重的开裂,有的工程长度远远超出规范但是却不存在开裂的情况,所以这种现象引起了广大工程师和专家学者的强烈的关注,之后就开始研究具有重大工程意义的实践性课题——温度应力、温度控制和裂缝控制的研究。
从工程方面来说,一般情况下,国内对于大体积混凝土运用经验公式对其中心最高温度、表面温度以及施工温度应力进行计算,这种计算具备简化计算、易于运用的特征。但是运用经验公式对于温度进行计算的时候并没有对混凝土内部温度的连续性及连续变化的外界气温产生的影响进行综合的考虑,与此同时,浇筑厚度的温度修正系数运用的也是经验值,因此对于实际施工过程中温度场的变化不能进行准确的反映,再加上没有对徐变的影响进行考虑,最终不能将混凝土的应力场进行准确的反映。所以根据经验公式计算的结果在实际工程做到“了解温度应力,及时采取有效措施”是非常难的。如今有较多的学者已经在已有的工作基础上对于快速发展的计算机技术进行了有效运用,再与多个学科的基本理论进行综合,对于入模温度、水泥水化热散热规律、地基约束、外界温度变化、混凝土的弹性模量的变化、养护措施及徐变等这些对于混凝土产生影响的因素进行考虑,运用有限差分法或有限单元对一、二级三维大体积混凝土温度场进行求解,通常温度应力都是运用有限单元得到结果的。
在相关的文献资料中对于近期大体积混凝土温度与裂缝控制研究结果进行了系统的总结,比如在文献中对于各种工业结构裂缝控制的方法进行重点的阐明,同时也提出了一些在实际工程中已经成功实施的,能够对于大体积混凝土温度裂缝进行有效控制的方法;还有文献从理论角度出发,对于温度场和温度应力的计算方法进行较为详细的介绍,并且阐明其在水工结构分析中已经得到了较为广泛的应用。
此外,在工程界混凝土应力场及温度场的仿真计算也得到了重视。在其仿真计算中考虑到有很多的随机性,例如获得温度场,首先要对边界条件进行近似处理,其次要考虑到气温、水泥、日照温度的随机性,再次就是要估算混凝土从原材料到出机、浇筑的温度,第四是由于组成混凝土配比的随机性造成的绝热温升的随机性,第五是混凝土热学指标的随机性,其中包括有导热系数和导温系数等,往往这些参数的换算都是半经验半理论的,属于统计参数。从温度应力的获得方面讲,一方面是随机温度场的随机性,另一方面是视为随机性更为合理的混凝土材料力学特性,包含弹性模量、徐变度等,这些随机性的存在很大程度上证明运用随机性对混凝土的温度场分布进行分析是一个必然的发展趋势。

1.3研究意义及目的

本文主要某次工程大体积混凝土基础工程所采取的温控措施并对本工程的温度监测数据结果进行了分析并得出一些相关的结论,同时以对此工程的温度场和温度应力场进行了有限元模拟,与实测的数据相对比以及对温度应力发展进行了分析,这些工作为今后高层以及超高层建筑大体积混凝土工程的施工提供了经验数据和参考方案,也为进一步的理论研究提供了参考依据。

1.4论文主要研究内容以及本文框架

论文的研究内容主要分为六个部分,具体的论文结构内容如下:
第一部分是绪论部分,主要阐述了建筑大体积混凝土应用的背景及其研究的现状,介绍了本文的研究意义、目的及内容。
第二部分主要分析了建筑大体积混凝土温度裂缝的成因及其影响因素,分析了产生大体积混凝土温度裂缝的原因,继而讨论了部分影响大体积混凝土温度裂缝的因素。
第三部分介绍了大体积混凝土的温升预测,包括混凝土的热学性能与力学性能,还有水泥水化热。
第四部分主要分析了建筑大体积混凝土温度经验计算与温控数据。
第五部分主要分析了建筑大体积混凝土有限元模拟。
第六部分主要介绍了建筑大体积混凝土温度裂缝的主要防控措施。

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