基于现场温度实验的混凝土浇筑初期裂缝产生机理及防裂措施--中国期刊网

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基于现场温度实验的混凝土浇筑初期裂缝产生机理及防裂措施

发表时间：2021/4/20 来源：《基层建设》2020年第33期作者：解振豪1 邵晨光2

[导读] 摘要：国民经济的发展推动城市化的进步,这也导致了相关工程的迅速发展。

        安徽水安建设集团股份有限公司安徽省合肥市 230601
        安徽省大禹水利工程科技有限公司安徽省蚌埠市 233000
        摘要：国民经济的发展推动城市化的进步,这也导致了相关工程的迅速发展。混凝土材料由于其高质量、低价格受到施工人员的广泛应用,而混凝土裂缝是导致工程质量问题的主要因素。因此,混凝土的防裂一直是工程界长期关心及致力研究的课题。
        关键词：温度梯度；混凝土；初凝时间；措施
        随着经济的发展，各种工程的建设进度有了很大提升，混凝土是大多数工程中使用的一种施工材料。基于此，本文在温度梯度实验基础上，采用精细模型和有限元仿真法，分析混凝土在浇筑层间歇期间表层温度梯度变化和分布规律，由此得到实际温度梯度条件下混凝土内部温度应力的发展和变化过程，论述了类似应力条件下混凝土层面可能出现的开裂隐患和裂缝内部机理，再提出预防这种开裂风险的温控措施。
        一、混凝土概述
        混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它由胶凝材料、颗粒状集料(或骨料)、水，以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经均匀搅拌，密实成型，养护硬化而成的一种人工石材。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点。这些特点使其使用范围广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业、机械工业、海洋开发、地热工程等，混凝土也是重要的材料。此外，混凝土的技术性质在很大程度上由原材料的性质及其相对含量决定。同时也与施工工艺(搅拌、成型、养护)有关。因此，必须了解其原材料的性质、作用及其质量要求，合理选择原材料，这样才能保证混凝土质量。
        二、某坝高温季节施工温度梯度现场实验观测结果及温度场反馈
        某坝处干热河谷，全年连续施工，高温季节最高温度达40℃以上，属典型的干热河谷气候。根据工程防裂需要，大坝采用低温浇筑、水管冷却和表面保温等综合温控措施。为准确获取大坝施工期层间歇期间表层混凝土温度梯度及相应应力变化规律，进行温度梯度现场实验。该浇筑仓位于361.8m～364.8m高程，共布置两层冷却水管，间距采用1.5m×1.5m布置。温度计沿高程方向共布置6个，测点处于仓面中间，距离侧面边界11m。温度测量采用自组研发的温度梯度自动监测仪，自动进行温度监测记录。为对该浇筑仓其他区域温度场进行模拟，还建立一精细仿真模型，冷却水管的管壁周围网格尺寸达到毫米级。
        对大坝浇筑的每一仓混凝土温度场进行反演分析，冷却水温、通水流量、浇筑温度、环境温度均采用现场实际监测数据。重点对实验仓温变过程进行精细反演，该仓混凝土层间歇时间7d，温度监测主要获取这7d的数据。结果表明，靠近表层的点受表面气温、水养护等外界边界条件影响大，约在1d左右达到最高值后，在后面连续3d基本保持稳定；离上表面较远点基本上随时间变化而逐渐升高。因此，反馈仿真计算结果能较好反映工程实际温度场分布规律，为温度应力场仿真结果准确性提供了保障。
        三、现场温度梯度实验应力场模拟及开裂机理
        在现场温度梯度实验及温度场反馈分析基础上，对混凝土温度应力场展开仿真模拟分析，分析其可能发生的开裂机理。
        1、混凝土温度变化并不受初凝时间影响，混凝土收仓后内部点随水化反应的进行，温度逐步升高，大约在3d后，内部温度超过表面温度，温度峰值约出现在龄期为5～6d左右，不同高程点受水管冷却效果影响，其温度稍有差异，表面点则受气温影响大，呈现昼夜震荡趋势。

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        2、与温度过程相对应，在初凝时间12h内，假定混凝土弹模为0，新浇筑混凝土内部无应力，混凝土初凝时间过后内部应力才随温度的变化而变化，内部点应力温升阶段总体表现为压应力，表面点则受气温影响显著，温升时为压，温降时主要体现为拉应力，导致表面点为拉应力的原因是昼夜温差温降过程作用所致，混凝土收仓后前两天即使表面温度大于内部，由于每日温降过程使表面仍体现为拉应力；龄期3d后外表面温度将低于内部混凝土温度，此时将形成一个昼夜温差与内外温差叠加的组合效应。从表层混凝土应力过程与允许应力对比情况来看，混凝土在早龄期期间拉应力基本上接近甚至超过允许拉应力，表明一般情况下，仓面早龄期混凝土存在较大的开裂风险，现场预防措施控制不当时，就可能出现仓面裂缝。
        四、早龄期混凝土应力影响因素与防裂措施
        为进一步了解不同边界条件下、不同影响因素对处于仓面间歇期的混凝土温度和应力影响，以方便工程采用相应温控防裂措施提供依据，进行多种方案的对比分析。
        1、不考虑初凝时间对混凝土应力的影响。初凝时间对仓面应力的影响较突出，本仓混凝土实际收仓时间为凌晨3:00左右，实测气温表明，此后温度一直呈上升趋势，若未考虑混凝土初凝时间，则随气温的上升，表面将会出现压应力，早期压应力的出现显然将有利于后期防裂。但实际上由于初凝时间的存在，这个压应力储备过程并不存在。在12h混凝土初凝后，混凝土表面气温达到一天的峰值，此后一直下降，因此峰值过后混凝土最初就以拉应力为主，而无压应力储备。因此，若未不考虑初凝时间影响，仿真计算获得结果可能会误导或弱化对早龄期混凝土开裂风险的认识。
        2、不同收仓时间对混凝土应力的影响。取本文所指实验仓，考虑一种理想边界条件，其混凝土初凝时间为12h，间歇期间仓面日昼夜温差10℃保持不变，温度最高、最低值分别出现在3:00点和15:00点，对比分析该仓混凝土分别在日温度最高和最低时收仓对混凝土表面温度应力的影响。若在每日温度最低时收仓，则混凝土将在日最高温时完成初凝，此后环境温度降低，初始应力将表现为拉应力；反之，若在日均温度最高时收仓，初凝过后仓表面应力将先为压应力，对防裂有利。对比而言，混凝土在高温时段时收仓，更有利于降低表面拉应力，降低开裂风险。因此，根据现场浇筑能力及混凝土初凝时间，将收仓时间控制在温度较高时段，有利于混凝土温控防裂。
        3、不同初凝时间对混凝土应力的影响。不同初凝时间、收仓时间和每日最高温度和最低温度出现的时间，将综合影响到混凝土早龄期表面应力的发展和变化规律，因而在施工期应结合具体情况，择优控制。
        4、防裂措施与方案。结合上述分析，合理规划收仓时间能降低表面开裂风险，混凝土初凝时气温处于一日间的最低值时为最优，而混凝土最佳收仓时间则可根据初凝时间反推而得。另外，早龄期混凝土还必须确实做好表面保温和养护工作，尽可能减小昼夜温差或短周期温降带来的不利影响，同时要避免出现因养护不当带来的局部缺陷，如此才能有效避免层间歇期间早龄期混凝土开裂风险。
        五、结论
        1、现场温度梯度实验能较好反映混凝土层间歇期间的仓面温度梯度分布情况，有利于合理评估早龄期混凝土真实应力状态及风险。
        2、对普通混凝土而言，在昼夜、内外温差综合作用下，混凝土一旦初凝过后，就可能出现较大开裂风险，需做好早期表面养护和保温工作。
        3、早龄期混凝土应力安全状态评估必须考虑初凝时间的影响，否则可能弱化或误导对混凝土开裂风险的判断。
        4、混凝土完成初凝时间最好是每日气温达到最低时，由此可反推最佳收仓、开仓时间，结果表明，通过合理优化收仓时间能有效降低早龄期混凝土开裂风险。
        参考文献：
        [1]张国新.混凝土坝低温入仓致裂问题探讨[J].水利水电技术，2015(07).
        [2]艾永平．特高拱坝施工期温控防裂问题的探讨[J]．水力发电学报，2015(03).
        [3]刘毅.混凝土早期弹模反应动力学模型及其应用[J].水利水电技术，2016(42)．
        [4]王振红.基于现场温度梯度实验的干热河谷高温季节混凝土裂缝产生机理及防裂措施[J].水利水电技术，2015(01).
        [5]李仁江.基于现场温度实验的混凝土浇筑初期裂缝产生机理及防裂措施[J].水力发电学报，2015(05).