【硕士论文】桥梁大体积混凝土温控与防裂.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着我国交通事业的迅速发展，大跨度桥梁大量出现，在桥梁中大体积混 凝土承台、锚碇、塔等亦随之大量出现。目前所生产的水泥放热速度较过去大 为提高，这使得大体积混凝土的温度裂缝问题日益突出，已成为普遍性的问题。 大体积混凝土在固化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和约束作 用，由此而产生的温差和温度应力是导致混凝土出现裂缝的主要因素，从而影 响结构的整体性、防水性和耐久性，成为结构的隐患。因此大体积混凝土在施 工中必须考虑裂缝控制。 大体积混凝土温度裂缝问题十分复杂，涉及到结构、建筑材料、施工、环 境等多方面因素，工程建设领域目前对桥梁中所使用的大体积混凝土的研究还 不够深入、全面，相关的规范条文还不够完善，对很多工程实践中的问题只能 依靠经验处理，缺乏适当的理论依据，这会造成许多不必要的人力、物力、财 力的浪费，大体积混凝土施工质量控制的结果也不很理想。 在总结大体积混凝土温度裂缝产生的原因的基础上，本文结合四川天池金 沙江大桥8 # 主墩承台温度控制的工程实践，以及对承台试块的模拟试验，研究 分析了大体积混凝土内部温度场和温度应力变化的规律和工程中采用的温控措 施的实际效果。 本文在大体积混凝土工程中所采用的温度监测和裂缝控制措施，为今后同 类工程施工提供了有用信息，也为今后开展深入的理论研究提供了试验和理论 参考依据。 关键词：桥梁；承台；大体积混凝土；水化热；裂缝控制；试块 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 a b s t r a c t w i t ht h er 印i dd e v e l o p m e n ti ni n 抒a s t m c t u r e ，l o n g s p a i lb r i d g e st o g e t h e rw i t h ， p i l ec 印s 、a n c h o r a g eb l o c k sa n dt o w e r sm a d eo fm a s sc o n c r e t eh a v ef o u n dw i d e 印p l i c a t i o n n o w a d a l y s ，t h em e 衄a lr e l e a s es p e e do ft h ec e m e n ti sc o m p a r a t i v e l y m u c hf a s t e rt h a nt h a ti nt h ep a s t ，t h i sm a k e st h em e m a lc r a c kp r o b l e mo ft h el a 唱e m a s sc o n c r e t em o r eo u t s t a i l d i n ga n dc o r 啪o n t h eh e a to fh y d r a t i o nr e l e a s i n g 舶mt h el a r g em a s sc o n c r e t ew h i l ei th a r d e n i n g l e a d st ot h e t e m p e r a t i l r ec h a n g e a n dc o n c r e t ec o n t r a c t i o n t h i sc a u s e st 1 1 e c o 玎e s p o n d m gs t r e s s e sw h i c ha r et h em a i nf a c t o r s t of o n l lc r a c k si nt h em a s s c o n c r c t es m j c n j r e s o b v i o u s l y ， c r a c k sw i l li n n u e n c e u n f a v o u r a b l yt h eu n i 慨 w a t e 单m o f i n ga n dd u r a b i l i 移o fs t m c t l l r ea 1 1 d b e c o m eah i d d e nt r o u b l e t h u s ，c r a c k c o n t r o lm u s tb ec o n s i d e r e dw h i l eal a 唱em a s sc o n c r e t es t m c t u r ei si nc o n s t n l c t i o n ， t h em e r i l l a lc r a c k i n gp r o b l e mo ft l l el a r g em a s sc o n c r e t ei sv e r yc o m p l i c a t e d ， w h i c hi sr e l a t e dt os 劬c t u r e ； b u i l d i n gm a t e r i a l ，c o n s t m c t i o n ， a n de v e nt h e c i r c u m s t a n c e t h ec u r r e n tr e s e a r c ho nh e a to fh y d r a t i o ni nl a r g em a s sc o n c r e t ei sn o t e n o u 曲a i l dc o m p r e h e n s i v e t h ec o v e r i n ga r e ai nt h er e l a t e dc o d e si sl i r i l i t e da n d n a r r o w m a r l yi s s u e sa p p e a r i n gi nc o n s t n l c t i o nh a v et ob es o l v e db a s e do ne x p e r i e n c e ， r a m e rt h a nt h e o r y t h i sp h e n o m e n am a yl e a dt ot h ew a s t eo fl a b o u r ，m a t e r i a la i l d 6 n a n c i a lr e s o u r c e b a s e do nt h ef a c t o rr e s e a r c hw h i c hl e a dt ot h em e m l a lc m c k i n gi nl a r g em a s s c o n c r e t ea n dc o m b i n e dw i m m es i t et e s to ft e m p e r a t u r cc o n 仃o lo f8 拌p i l ec 印i nt l l e t i a n c h ib r i d g ea c r o s sj i n s h a 砌v e r ，廿l i st h e s i ss t u d i e sa 1 1 da j l a l y z e st h er u l e sf o r c h a n g i n go fi 蛐e rt e m p e r a t u r en e l da n dt e m p e r a t u r es 订e s si nl a 唱em a s sc o n c r e t e ， a n dd i s c u s s e st h ea c t u a le f r c c t so fm e a s u r e sf o rh e a to fh y d r a t i o nc o n n d la d o p t e di n c o 玎s 协l c t i o n t kt e m p e r a h j r em o n i t o r i n ga n dc r a c k i n gc o n t r o lm e a s u r e m e n t sf o ra c t l l a lm a s s c o n c r c t ei n t h i st h e s i sw i un o t o n l yp r o v i d eu s e 血l i n f o r m a t i o nf b rs i m i l a r e n g 血e e r i n gp r o j e c t ，b u ta l s ob eu s e da saa v a i l a b l er e f e r e n c ef o r l e o 巧s t u d ya i l d 西南交通大学硕士研究生学位论文第l | | 页 t e s t k e yw o r d s ：b r i d g e ；p i l ec 印；l a 唱em a s sc o n c r e t c i h e a to fh y d r a t i o n ； c r a c kc o n t r o l ：t e s tc u b e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 大体积混凝土的定义 大体积混凝土的定义：一般认为体积很大的现场浇筑的混凝土，其尺寸大 到必须采取措施以对付水泥水化发出的热量及伴随发生的体积变化，尽量减少 温度裂缝。各种不同类型的大体积混凝土结构，由于所处环境的差异，对混凝 土的温控及防裂要求也不完全相同，但各类大体积混凝土的共同要求就是控制 减少裂缝。 对大体积混凝土的定义哺3 各国及组织大同小异，如： ( 1 ) 国际预应力混凝土协会f i p 规定：凡是混凝土一次浇筑最小尺寸大于 o 6 m ，特别是水泥用量大于4 0 0 k m 3 时，应考用水化放热慢的水泥或采取其他 降温散热措施； ( 2 ) 美国混凝土协会a c i 对大体积混凝土的定义为：体积大到必须对水泥的 水化热及其带来的相应体积变化采取措施，才能尽量减少开裂的一类混凝土； ( 3 ) 日本建筑学会标准j a s s a 规定：结构断面最小尺寸在8 0 c m 以上，水化 热引起的混凝土内最高温度与外界气温之差，预计超过2 5 的混凝土，被称为 大体积混凝土； ( 4 ) 前苏联规范中定义：当混凝土在施工期间被分为若干独立的混凝土构件 时，要确定单独构件在水化热作用下的温度问题的混凝土； 1 2 桥梁大体积混凝土的特点 近2 0 年来，我国桥梁事业飞跃发展，修建了许多大跨度的桥梁。随着跨度 的不断增加，桥梁中的基础、锚碇、桥墩、承台、主塔、主梁零号块等构件的 体积相应亦增大。这些桥梁构件亦属于大体积混凝土范畴，相应地，就存在着 大体积混凝土中的各种特点。 在桥梁中，基础和锚碇的设计强度较低，多采用低标号的水泥，单方混凝 土的水泥用量小，属于水工大体积混凝土一类；而桥墩、承台、主塔和主梁零 号块的设计强度较高，多采用高标号的水泥，单方混凝土的水泥用量多，属于 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 桥梁大体积混凝土一类。 桥梁大体积混凝土与水工大体积混凝土都属于大体积混凝土范畴，有着大 体积混凝土所共有的属性。如：( 1 ) 结构尺寸和体积庞大，混凝土用量巨大；( 2 ) 对构件除平常的强度、刚度和稳定性以外，还有整体性、防水性和抗渗性等要 求；( 3 ) 受温度应力的影响比较明显，必须做好温控防裂措施等。 但是，它们也有属于各自的特点。与水工大体积混凝土相比，桥梁大体积 混凝土有以下的特点：( 1 ) 单位体积的混凝土水泥用量较大，水泥水化产生的 热量较多，绝热温升较大，温度峰值较高，内外温差和温度梯度较大，升温和 降温速度较快；( 2 ) 体积相对较小，部分结构为薄壁型结构，中心最高温度位 置距表面距离较小，受外界气温的影响更明显；( 3 ) 混凝土设计标号高，按受 力情况配筋且配筋率较高，其温度应力受钢筋的影响较明显。 1 3 大体积混凝土裂缝形成的原因及影响因素 1 3 1 大体积混凝土裂缝形成的原因 大体积混凝土常见的质量问题就是混凝土结构产生裂缝。开裂主要与水化 热、温差、混凝土收缩等因素有关，是由于混凝土的变形受到约束而产生的。 如果没有约束，则混凝土可以自由伸缩，就不会出现裂缝。与约束有关的因素 如下： 1 、水化热与约束1 ：大体积混凝土在浇筑振捣以后，水泥开始产生大量 的水化热，由于混凝土表面散热的影响，混凝土中心温度向表面递减，由温度 的不同导致混凝土内外变形不统一，中心混凝土与边缘混凝土变形不一致，因 而产生温度应力。由所受约束的不相同而导致产生温度应力大小也不相同。当 混凝土抗拉应力不能抵抗温度应力的作用时，结构就会产生裂缝。 在全约束条件下，温度应力最大，最容易导致产生裂缝。在弹性约束条件 下，混凝土结构受到部分约束，处于既有应力又有变形的状态，应力相对较小， 可能产生裂缝。在完全没有约束的条件下，结构成为自由体，结构变形等于结 构的自由变形，无约束变形，温度应力为零，结构自由伸缩，不产生裂缝。 然而，关键的问题是对约束的认识，除了上述外部约束之外，还有内部约 束。由于内外温度不同，相同体积的内、外混凝土的变形是不一致的，内部变 形大，外部变形小，变形小的外部混凝土成为内部混凝土的约束。当外部混凝 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 土的抗拉应力不足于抵抗内部的变形应力时，就会产生裂缝。这就能解释大体 积混凝土表面在完全无外约束的条件下仍然会产生裂缝的现象。 2 、地基和老混凝土与约束：当混凝土浇筑在比较坚硬的基岩或老混凝土上 时，混凝土浇注初期的水化热升温，产生膨胀，受到岩石或老混凝土的约束， 将产生较小的压应力。这是因为早龄期混凝土的弹性模量小，还处在塑性状态 的缘故，所以，当后期出现较小的温降时，即可将压应力抵消。而当混凝土温 度继续下降时，由于基岩或老混凝土对温降引起的收缩变形约束的结果，混凝 土块内将出现较大的拉应力，但混凝土块由最高温度降至施工期准稳定温度场， 需要经历很长的时间，混凝土的强度和弹性模量在一定时间内，都会随着龄期 而增长，只要对基础块混凝土进行适当的温度控制，凭借混凝土本身的抗拉强 度，是可以防止开裂的。 在这种约束当中，比较危险的情况是：当基础块混凝土，在早龄期遇到气 温骤降，在混凝土块表层，首先出现表面裂缝，而在后期混凝土块继续降温过 程中产生的拉应力，使表面裂缝不断向纵深发展，因而形成破坏性的深层裂缝 和贯穿性裂缝。 3 、温差与约束：在施工期间，外界气温的突然下降会引起混凝土开裂。 因为，外界气温下降越多，则内外温差越大，温差越大，温度应力就越大。更 本质地说，由于温差大，外部混凝土与中心混凝土的变形差变得更大，变形差 越大，结构所承受的变形应力越大，当应力差出现负值时，则会出现裂缝。在 实际工程中，常采用多种方法使混凝土表面保温，尽量减小内外温差，从而减 少变形差，变形差小了，则外部混凝土对内部混凝土的约束也小了。外部混凝 土对内部混凝土的变形约束小到足以让内部混凝土伸缩而外部混凝土不会开 裂。 4 、混凝土收缩与约束】：混凝土的收缩，也是产生裂缝的重要原因。由于 对混凝土各项性能的特殊要求，实际所需拌合水比水泥水化所需的水要多得多。 拌合水中只有约2 0 的水是水泥水化所必须的，其余的都要被蒸发掉。水分蒸 发之后，引起混凝土收缩，当收缩受到约束时，则产生收缩应力，当收缩应力 大于当时混凝土的抗拉应力时，则裂缝随之产生。 混凝土收缩的约束也有外约束和内约束。外约束来自于接触面，内约束来 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 自于变形差，然而收缩的内约束与温差的内约束是不同的。温差的内约束是外 部混凝土对内部混凝土的变形约束，收缩的内约束是凝固后的混凝土骨架对本 身收缩变形的约束，一般情况下，混凝土的凝固速度大于混凝土结构内的水分 蒸发速度，当凝固后的混凝土不断蒸发水分时，混凝土也不断收缩，当收缩应 力大于混凝土本身的抗拉能力时，则出现收缩裂缝。 为了使水泥硬化速度尽量与水分蒸发速度相匹配，施工中常采用缓凝剂， 缓凝剂能有效的使混凝土在完全硬化定型之前蒸发掉多余的水分，混凝土在收 缩时不再受到强烈约束。同时，缓凝剂能推迟水化热峰值的到来，达到降低水 化热的目的。 1 3 2 大体积混凝土几种裂缝之间的联系 大体积混凝土中的裂缝主要有三种，表面裂缝、深层裂缝和基础贯穿裂缝。 其中，表面裂缝不可能完全避免，但要做到尽量减少和及时采取必要的补救措 施。而后两种裂缝则要尽量避免，在设计和施工中，着重预防。 混凝土的表面裂缝是其它裂缝产生的充分条件。其产生的原因是混凝土在 收缩变形和混凝土自身的非线形温度场约束，或者由于气温骤降，引起混凝土 表面很大的降温和很陡的温度梯度，表层混凝土受内部混凝土的约束，而产生 温度应力，当混凝土温度应力大于同龄期的抗拉强度时，就会产生表面裂缝。 大体积混凝土表面裂缝的形成与发展，混凝土的浇筑温度、强度极限、浇 筑质量、龄期、外界气温、边界条件、施工过程中所处的地理位置、拆模时问 和结构尺寸等有关。一般情况下，在大体积混凝土中，由气温骤降引起的温度 应力与抗裂能力是主要矛盾。当混凝土的强度和浇筑质量较差，混凝土的抗裂 能力不能保证时，主要矛盾是混凝土的抗拉能力。当混凝土的抗拉能力得到保 证时，矛盾的主要方面就转化为气温骤降引起的温度应力。但是，在某些特殊 条件下，其它的一些因素也可能转化为主要矛盾。 表面裂缝发展的另一种形式就是演变为深层裂缝。当表面裂缝形成以后， 仍然长期暴露，比如浇注块顶面和拆模后的侧面，但没有采取有效的补救措施， 如果混凝土的中心温度太高，由于内部混凝土快速持续降温，形成一种非线形 温度场，混凝土各部分之问变形不一致而变成一种约束，就将产生温度应力。 这种温度应力在表面裂缝端部形成应力集中，使表面现象裂缝向纵深发展，如 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 果把这些裂缝是在接近基础约束区，可使基础贯穿裂缝向约束区以上发展：如 果这些表面裂缝是出现在脱离基础约束区较远的部位，则将发展成深层裂缝。 所以，防止裂缝首要的是防止表面裂缝，特别是基础部位、上游迎水面和其它 结构应力集中的部位。 表面裂缝如果不受其它因素的影响，一般不会发展成为深层裂缝和基础贯 穿裂缝。基础贯穿裂缝产生的主要原因是，由于混凝土浇筑温度过高，加上混 凝土水化热温升，形成混凝土的最高温度。当降到施工期的最低温度，即产生 基础温差，这种由于均匀降温产生的温度应力，当其大于同龄期混凝土的抗拉 强度时就产生裂缝，这种裂缝是混凝土变形受外界约束而发生的，所以它的整 个断面均受拉应力，一旦发生，就会形成贯穿性裂缝。导致大体积混凝土产生 基础贯穿裂缝主要有以下几种情况”： l 、浇注温度高，在基础约束区的混凝土，由于浇筑温度高加上水泥水化热 温升，形成最高温度，后期降温产生的温度应力过大，致使混凝土开裂，产生 基础贯穿裂缝： 2 、基础块薄层长间歇，在间歇期间，容易遭遇气温骤降，先产生表面裂缝， 有了表面裂缝，再和内部温降的应力叠加，极容易发生贯穿性裂缝； 3 、老混凝土的约束产生的贯穿裂缝，在施工中由于某种原因某些特殊原因， 结构混凝土块浇到某一高程，被迫停浇，经过一段时间或一个冬季后再继续浇 筑，这样原浇的混凝土块就成为老混凝土，老混凝土的弹性模量已很高，接近 于稳定值，内部温度已下降，对新浇上层混凝土产生约束力，当上层降温，产 生的温度应力超过混凝土的抗拉强度时，就可能出现裂缝，如果上层又有表面 裂缝，就更可能产生贯穿性裂缝。 基础贯穿裂缝的危害性最大，它不但引起应力的重分布，改变了结构的受 力条件，而且使结构的整体性、稳定性、渗透性、耐久性受到严重的影响，而 且也会使钢筋混凝土的钢筋暴露于外界，加速其腐蚀作用，进而更加改变结构 的受力。因此，基础贯穿裂缝要从源头上制止，杜绝其产生的条件，做到有备 无患。 1 3 3 大体积混凝土产生裂缝的影响因素 大体积混凝土产生裂缝的影响因素和裂缝形成的原因有着直接的联系。因 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 此，追寻其产生的原因，可知有哪些影响因素会使大体积混凝土产生裂缝。大 体积混凝土在施工阶段及建成后所产生的裂缝，是其内部矛盾发展的结果。实 质就是约束与反约束的关系，当约束的量小于反约束的量时，不可避免会产生 各种温度裂缝。因此，如何控制约束和反约束的关系是重点。 大体积混凝土产生裂缝，一方面是混凝土由于内外温差而产生应力和应变， 另一方面是结构物的外部约束和混凝土各质点间的约束，而产生的应力和应变。 一旦温度应力超过混凝土的抗拉应力时，即会出现裂缝。温度裂缝产生的主要 有以下几个影响因素： 1 、水泥水化热。这是最主要影响因素。在大体积混凝土中，水泥在水化过 程中要散发一定的热量，由于断面较厚，水泥散发的热量聚集在结构内部不易 散失，因而会导致混凝土内部温度持续的上升。水泥水化热引起的温度变化与 混凝土的配合比有关，如水泥和粉煤灰的用量，单位体积水泥水化放热量，并 随混凝土的龄期按指数关系增长，一般在1 5 3 天达到最高温度。 由于混凝土导热性能差，浇筑初期强度和刚度都较小，对水化热引起的急 剧温升而产生的变形约束不大，相应的温度应力也较小。随着龄期的增长，弹 性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也愈来愈大，以至产生了很大的 拉应力。当混凝土抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。 2 、外界气温。在大体积混凝土施工中，由于受温差控制的影响，表面温度 和由水化热引起的中心温度是相对统一的。外界气温愈高，混凝土浇筑温度也 高，相应地就会增加结构的中心温度。当外界气温下降时，特别是气温突然下 降时，会大大增大混凝土的内外温差和温度梯度，因变形差更大，从而产生更 大的温度应力，这对大体积混凝土的施工极为不利。因此，在气温变化幅度较 大时，通常都采用养护措施以保证温差在控制范围内，以达到控制温度裂缝的 目的。 3 、混凝土收缩。混凝土中含有大量空隙、粗孔及毛细孔，孔隙中存在水 分，而水分的活动将影响到混凝土的一系列性质，这种由于湿度变形引起 的收缩与裂缝的产生有很大关系。混凝土的收缩变形主要有以下几种形式： 自由收缩。它是混凝土硬化过程中由于化学作用引起的收缩，是化学结 合水与水泥的化合结果，它与外界湿度变化无关。自由收缩可能是正的变形， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 也可能是负的变形。 塑性收缩。混凝土浇筑前2 0 个小时，水泥水化反应激烈，分子链逐渐 形成，出现在泌水和水分急剧蒸发现象，引起失水收缩，此时骨料与胶合料之 间产生不均匀的收缩变形。塑性收缩的量级很大，可达l 左右，所以大体积混 凝土经常在浇筑4 1 5 小时内，表面上尤其是在养护不良的部位出现龟裂，裂缝 无规则，既宽且密，往往沿钢筋分布，属表面裂缝。 碳化收缩。它是指大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起 的收缩变形。碳化收缩只有在适中的湿度约5 0 左右才发生，且随二氧化碳浓 度的增加速度加快，它与干燥收缩一起导致表面开裂和面层碳化。 干缩。水泥石在干燥和水湿的环境中要产生干缩和湿胀作用，最大的收 缩发生在第一次干燥之后。 实际工程中，混凝土的收缩主要是由其温差造成的，因此，在计算只需采 用修正系数的方式就能达到需要的精度。 4 、约束条件。结构在变形变化中，必然会受到一定的约束或抑制， 阻碍其变形。只要弄清楚变形与约束的辩证关系，就能采取必要的措施达到阻 止产生裂缝的目的。约束种类可概括为两类，外约束和内约束。外约束是指结 构手的边界条件，一般指支座或其它外界因素对结构物变形的约束。内约束是 指大断面的结构，由于内部非均匀的温度及收缩分布，名质点变形不均匀而产 生的相互约束。具有大断面的结构，其变形还可能受到其他物体的宏观约束， 同样会产生应力。 5 、徐变性质。结构物在任意内应力作用下，除瞬时弹性变形外，其变形 值随时间的增加的现象称为徐变变形，结构物的最终变形由弹性变形和徐变变 形两部分组成，徐变变形也会导致结构物的开裂。当结构物随某一固定约束变 形时，由于徐变性质，其约束应力将随时间下降，称之为应力松弛。徐变引 起的应力松弛有其不利的一面，如随时间变化的变形荷载可以引起异号应力， 在压应力区引起的拉应力特别是当降温速度大于升温速度时，更容易引起开裂。 1 4 桥梁大体积混凝土裂缝控制现状 随着社会的进步，人们的要求越来越高，为了适应社会的需要，高层、大 跨和多功能的建筑亦随之产生，与其相适应的大体积混凝土得到了广泛的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 但随之而产生的由水泥水化引起的温度裂缝未得到广泛重视，给经济和社会影 响带来严重影响和损失。 大体积混凝土多出现在水工结构当中。2 0 世纪3 0 年代，美国从胡佛坝 即开始研究温度应力对混凝土开裂的影响，在水管冷却、宽缝冷却、预冷骨料 和采用预制混凝土块之间选择了水管冷却，因为其施工方便、效果显著。之后 在全世界范围内得到广泛应用，成为混凝土大坝施工中的一项重要措施。国内 在建国以后，建设了一系列的大坝，也进行了更加深入的研究，取得了一定的 成绩。 国内一些机构主要针对由荷载引起的裂缝做了大量研究，而对桥梁大体积 混凝土的温度裂缝的研究则较少。对温度裂缝有一定研究的主要是水工大坝与 港口等，而在桥梁建设中，没有得到足够重视。 在大体积混凝土中，对于浇筑温度，美国规定不超过3 2 o ；日本土木工 程学会旖工规范规定不超过3 0 o ，日本建筑学会规范规定不超过3 5 0 ，原 苏联规范规定：当浇筑表面系数大于3 的结构时，混凝土从搅拌站运出时的温度 不应超过3 0 3 5 0 ；原西德规范规定：新拌混凝土卸车时的温度不得超过3 0 0 。在我国，水工混凝土结构工程施工及验收规范f s d j 2 0 7 8 2 ) 和混凝 土结构工程施工及验收规范规定：大体积泥凝土浇筑温度不宜超过2 8 0 。 我国电力建设施工及验收规范规定不超过3 0 0 。 对于内外温差，混凝土结构工程施工及验收规范2 1 规定：大体积混凝 土温差不宜超过2 5 o 。我国上海地区深基础施工指南规定不超过3 0 0 。 而在钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程中仅规定：“基础大体积混凝 土连续施工时，应实测内部温差”，但并无具体控制值。 在桥梁的建设当中，属于大体积混凝土的温控防裂只采取了少量几项措施， 包括：掺粉煤灰、加减水剂和采用冷却水管。但这远远是不够的，大体积混凝 土的温控要从材料就开始做起，再加上合适的施工措施，才能达到避免的目的。 通过查寻资料及现场调查，特别是在冷却水管的设计上，管材、管径、埋设方 式、间距、通水温度、通水速率等都是凭经验，没有一套行之有效的方法可以 解决这些问题。 目前，对桥梁大体积混凝土的温度控制研究还不是很多，在工程实践中，很 多概念、标准也不统一，这给施工及质量控制带来一定的难度。目前，桥梁工 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 程界正在对这个问题作积极努力的探索，从材料、机理、施工、监测等各个方 面进行研究。 1 5 本文的结构与研究内容 本文的结构与研究内容如下： 第1 章绪论。阐述了大体积混凝土的定义，桥梁大体积混凝土与水工大 体积混凝土的共同性质和各自特点，温度裂缝形成的原因及影响因素，以及桥 梁大体积混凝土在国内外的研究现状。 第2 章大体积混凝土温度场的计算。介绍了大体积混凝土温度场与温度 应力的基本计算方法，以及在计算中各种参数的来源和计算公式，还简单说明 了在实际工程温控中的手算方法。 第3 章大体积混凝土裂缝解决对策。根据过去的经验积累，指出解决大 体积混凝土裂缝的各种对策，主要包括材料与施工两方面。 第4 章桥梁承台模拟试验。以承台为对象建立一个试块模型，模拟其温 度场和温度应力场的分布，以确定在承台计算中各种参数的取值，并提出了对 承台的建议。 第5 章桥梁承台温控实例。结合现场监测的数据，运用结构有限元软件 m i d a s 模拟的结果，指出在理论计算温度及应力预测时需要注意的细节，以及 实测数据与理论计算产生差别的原因。 结论。对全文作一个总结，得出一些认识和结论，对需进一步研究的内容 提出了建议。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章大体积混凝土温度场的计算 2 1 热传导理论简述 考虑均匀的、各向同性的固体，从中取出一无限小的六面体d x d y d z ，在单 位时间内从左界面d y d z 流入的热量为q 。d y d z ，绎右界面流h 的热量为g 州。d y d z ， 流入的净热量为 b ；一g 。m 蛔池 在固体的热传导中，热流量口( 单位时问内通过单位面积的热量) 与温度 梯度成卯融正比，但热流方向与温度梯度方向相反，即 吼：一五罂( 丑。导热系数，k j ( m h ) ) ( 2 一1 ) 将热流量展开为泰勒级数并只取前二两项，得 一，+ 芸幽一兄罢a 窘 mm d r 则沿x 方向流入的挣热量为 ( q ，吨。胁：丑窑出舭 司王里，沿y 方向和z 方向流入的净热量分别为五窘蚴及五窘蚴。 设由于水泥水化热作用，在单位时间内单位体积中发出的热量为q ，则在 体积d x d y d z 内单位时间发出的热量为q d x d y d z 。 在时间d r 内，此六面体由于温度升高所吸收的热量为 c d 娑d 砝d y d z 式中，c 比热，k j ( k g ) ；f 时间，h ；p 密度，k g i 。 南热量的平衡，温度升高所吸收的热量必须等于从外面流入的净热量与内 南热量的平衡，温度升高所吸收的热量必须等于从外面流入的净热量与内 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 部水化热之和，即 印署d 砒= k 窘+ 寄+ 窘 + q d 幽弦 简化后得固体中热传导方程如下： 罂：盘f 娶+ 婴+ 娶1 + 旦 ( 2 - 2 )= 盘l _ + _ + _ l + 二l z - zj a r i 舐2却2瑟。jc p 式中，日导温系数，a = a c p ，m 2 h 。 由于水化热作用，在绝热条件下混凝土的温度上升速度为 塑：旦：堕 ( 2 3 ) f 0 1 c 0c p 式中，曰混凝土的绝热温升，： 矿水泥用量，k g m 3 ； g 单位重量水泥在单位时间内放出的水化热，k j ( k g ) 。 由式( 2 3 ) 热传导方程可转化为： 雾钏( 窘+ 等+ 窘卜筹 c 2 钔 瓦钏i 萨+ 矿+ 可j + 瓦 屹。4 2 2 边值条件 热传导方程确立了温度与时间、空间的关系，但方程的解无限多，必须知 道初始条件和边界条件才能确定温度场。初始条件与边界条件合称边值条件。 初始条件是物体内部的起始温度分布规律，边界条件是混凝土与周围介质之间 的温度相互作用的规律。1 初始条件中的温度分布在实际情况下多可以认为是常数，即当f = 0 时 r ( x ，y ，z ，0 ) = 瓦= 常数 ( 2 5 ) 在边界条件中，第一类边界条件，即混凝土表面温度是时间的已知函数， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 丁( r ) = 厂0 ) ；第二类边界条件，即混凝土表面的热流量是时间的已知函数， 一z 罢= 行) ，式中“ 为表面外法线方向；但在实际工程中，这两类边界条件都 不实用。第三类边界条件，即当混凝土与空气接触时，假定经过混凝土表面的 热流量与混凝土表面温度，和气温乃之差成正比，即 一旯娶：p 一瓦) ( 2 _ 6 ) 一几= d i 一一i( 2 一 ) 式中，表面放热系数，k j ( m 2 h ) 。 第四类边界条件，即当两种不同固体接触时，如果接触良好，则在接触面 上温度和热流量都是连续的，边界条件如下： f 互= 正 1 要：五要 一 如果两固体之间接触不良，则温度是不连续的，正正，此时需要引入接 触热阻，假设接触缝隙中的热容量可以忽略，那么接触面上热流量就保持平衡， 因此边界条件为 2 3 水化热计算中的重要参数 2 3 1 水泥水化热 在大体积混凝土的温度应力计算当中，水泥的水化热起决定作用。水泥水 化热是依赖于龄期的，主要有三种表达式，常用的为指数式： q ( r ) = q 0 ( 1 一p )( 2 9 ) 扣碍媚i 嵋i 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 式中，q ( f ) 在龄期r 时的累积水化热，k j k g ： g f 一。时的最终水化热，k j 瓜g ； f 龄期，d ； m 常数，随水泥品种、比表面及浇筑温度不同而不同。 根据某些试验资料，常数川的数值见表2 一l 。 表2 ，1 常数聊 浇筑温度( ) 5l o1 52 02 5 ( 1 ，d )o 2 9 50 3 1 8 o 3 4 0o 3 6 2o 3 8 4 2 3 2 混凝土绝热温升 在温度场的计算中实际使用的是混凝土绝热温升口。绝热温升可以通过实 验测定，也可以通过估算确定，如果条件允许，当直接采用绝热温升试验设备 直接测定。但是，当混凝土的绝热温升缺乏实测数据时，可根据水泥水化热按 下式估算： 嘶，1 ：壁垒迎竺! ( 2 一l o ) c o 式中，、卜水泥用量( 蚝) 5 c 混凝土比热( k c a l l ( g ) ； p 混凝土密度( k m 3 ) ； f 混合材用量( 妇) ； q ( f ) 在龄期f 时的累积水泥水化热，k j | 喝； 豇一折减系数，对于粉煤灰，可取j j = 0 2 5 。 影响混凝土绝热温升的主要因素包括：水泥品种、水泥用量、混合材料品 种与用量和浇筑温度。但是，在大体积混凝土有限元结构软件的计算中，绝热 温升的取值并不完全是通过实测或理论计算就可得到，其取值与气温和浇筑温 度有关。绝热温升的理论取值是从混凝土开始搅拌即开始计算的。也就是说， 浇筑温度与绝热温升同时考虑了浇筑前的水泥水化放热。因此，在有限元结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 软件的水化热计算中，浇筑温度一般按实际取值，而绝热温升则应扣除浇筑前 的那一部分水泥水化放热量。 2 3 3 混凝土导温系数 混凝土的导温系数与其组成材料有关，而骨料的比例约为8 5 9 0 ，因 此，导温系数的大小主要由骨料的导热系数确定。按下式计算： 口：三 ( 2 1 1 ) c d 式中，日混凝土的导温系数，( m 2 h ) ； 兄混凝土的导热系数，( k j m f h ) ： r 混凝土的比热，( k j k ) ； ，9 混凝土的密度，( k m 3 ) 。 2 3 4 混凝土表面对流系数 在大体积混凝土的水化热计算中，有三种重要的散热渠道，一是表面散热， 二是冷却水管散热，三是地基散热。因此，混凝土的表面对流系数是一个重要 的影响参数。其计算根据上海同济大学试验研究引按下式取值： a = 5 4 6 v + 6 ( w 佃2 k ) ( 2 1 2 ) 式中，口混凝土表面对流系数，( w ，h 2 k ) ； r 一风速，州s 。 通常情况下，计算中使用的单位是k c 彬( m 2 h ) ，因此可以进行单位换算： 1 千卡( 米2 时) ( 1 k c a l ( m 2 - h ) ) = 1 1 6 2 7 9 瓦( 米2 开尔文) ( w ( m 2 k ) ) 2 3 5 冷却水管对流系数 在水化热计算中，冷却水管中的对流系数亦是一个重要的参数。在m i d a s 水化热分析中采用的经验公式8 1 如下： 卯= 4 7 5 v + 4 3 ( 2 1 3 ) 式中，h 卜_ 冷却水管的管道对流系数，k c a l ( m 2 _ h - ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 矿一冷却水的流速，c i i l s 。 2 4 大体积混凝土计算经验公式 在实际工程中，大体积混凝土的温度和温度应力要严格理论求解太过繁杂。 因此，一些专家根据现场实测数据和大体积混凝土水化放热变化规律，采用简 化近似求解的方式，得出经验公式，直接应用于大体积混凝土工程温控实践当 中。主要包括：最高温度、表面温度、温差、温度应力、保温材料厚度和冷却 水管流量设计的计算。 2 4 1 最高温度 混凝土中心最高温度l 按下式5 1 计算 瓦。= t + 氏。- 氢) ( 2 1 4 ) 式中，乃混凝土的浇筑温度( ) ： 一混凝土的最高绝热温升( ) ，其按下式取值 酢。= 碟。- k 1 足2 - k ，k 。 其中，口混凝土理论绝热温升。 k ，水泥标号修正系数； k ：水泥品种修正系数 足，水泥用量修正系数 k 。模板修正系数。 k ) 、托、为、肠取值参见表2 2 。 吼) _ f 龄期混凝土的降温系数。计算值见表2 3 。 混凝土的降温系数与龄期、浇筑层厚度、水泥水化放热速度和气温等有关 具体取值按实际情况酌情丽定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 表2 2k l 、砭、恐、砀修正系数 水泥标号 水泥品种水泥用量模板修 修正系数修正系数修正系数 正系数 k 1 尥肠 k d 2 7 5o 7 4 矿渣水泥钢模板 3 2 5 o 8 61 0 毕罴 1 o 4 2 51 o o 普通硅酸盐水泥木模板 5 2 51 1 31 2w 为实用水泥量1 4 表2 3 不同龄期和浇筑厚度的氕1 值 浇筑层 不同龄期f 天 厚( m ) 3691 21 51 82 12 42 7 1 0 00 3 6 o 2 9o 1 7o 0 9 0 0 5o 0 30 o l 1 2 5o 4 20 3 1o 1 90 1 lo 0 7o 0 40 0 3 1 5 0o 4 9o 4 6o 3 80 2 9o 2 1o 1 50 1 20 0 80 0 5 2 5 0o 6 5o 6 2o 5 90 4 8o 3 80 2 90 2 30 1 9o 1 6 3 o oo 6 8o 6 7o 6 3o 5 70 4 5o 3 6o 3 0o 2 5o 2 l 4 0 0o 7 4o 7 3o 7 2o 6 50 5 50 4 6o 3 7o 3 00 2 5 注：本表适用十棍凝土况筑温厦为2 0 3 0 0 的工市呈 2 4 2 表面温度 混凝土的表面温度t b 按下式5 1 计算： 瓦= 瓦+ 斋矗7 一向7 ) z ( 2 1 5 ) 式中，瓦( r ) 龄期为t 时混凝土表面温度( ) ； l 龄期为t 时大气温度( ) ： 正龄期为t 时混凝土最高温度与气温之差( ) ； 卜龄期为t 时混凝土的计算厚度( m ) ； 汴：日= 向+ 2 向 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 厅一实际浇筑厚度； 忍l 龄期为t 时混凝土的虚厚度( m ) 注：五，= 胁口1 4 1 a 一混凝土的导热系数( w m k ) ； 群一计算折减系数，根据试验资料可取o 6 6 6 ； 伊一混凝土模板及保温层的传热系数( w m + m - k ) 。 2 4 3 内外最大温差 f = 乙。一毛，) 2 4 4 温度应力计算 温度应力按下式9 1 计算： 旧。 口 丁1 “ 亡蒂丽葛 式中，最龄期为f 时混凝土弹性模量( m p a ) ( t ) 混凝土徐变松驰系数； 卜混凝土最大综合温差( ) ； 矿一混凝土泊松比； 口混凝土线膨胀系数l t ； 尺k 混凝土弹性模量变化系数。 大体积混凝土温度应力安全系数凰 式中，月r _ 混凝土抗拉应力 盯。计算温度应力。 月。 世= 上 仃x ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 4 5 保温材料厚度的计算 根据不同龄期混凝土温度计算结果，混凝土在不同龄期养护所用保温材料 厚度按下式吨计算： j ：k ! ：! 罂堕二翼2( 2 _ 1 9 )j = k - 7 _ i 兰( 2 1 9 ) 丑【瓦。一瓦) 式中，卜传热修正系数，见表2 4 ： 陪一混凝土结构厚度( m ) ； 五保温材料导热系数( w m - k ) ，见表2 5 ； n 混凝土表面温度( ) ； 死养护期间第t 天的平均气温( ) ； 丑，混凝土导热系数( w 佃。k ) ； 丁m a x 混凝土最高温度( ) 。 表2 4 保温材料传热修正系数k 取值 序号 保温层种类 k 1 恐 1 保温层纯粹由容易透风的保温材料组成 2 6 3 0 2 保温层由容易透风的保温材料组成，但在混2 o2 3 凝土面层上铺一层不易透风的保温材料 3 保温层由容易透风的保温材料组成，并在保1 61 9 温层上再铺一层不易透风的材料 4 保温层由容易透风的保温材料组成，而保温1 31 5 层上面和下面各铺一层不易透风的保温材料 5 保温层纯粹由不易透风的保温材料组成 1 31 5 注；( d 蜀表示风速4 m 的情况，恐表示风速 4 m 时的情况； 属于不易透风保温材料的有油布、帆布、棉麻毡、胶合板、安装很好的模板，属于 容易透风的保温材料有稻草板、锯末、砂子、炉渣、油毡、草袋等。 2 4 6 冷却水管流量设计 冷却水管流量设计，是在不考虑混凝土表面散热以及结构不产生裂缝的条 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 表2 5 各种保温材料导热系数 值 材料名称 见材料名称旯 木模0 2 3粘土砖o 4 3 钢模 5 8 油毡 0 0 5 草袋 o 1 4 沥青矿棉0 0 9 o 1 2 木屑 0 1 7沥青玻璃棉毡o 0 5 炉渣0 4 7泡沫塑料制品0 0 3 0 0 5 粘土 1 3 8 1 4 7 泡沫混凝土 0 1 0 干砂 o 3 3 水 0 5 8 湿砂 1 3 1 空气o 0 3 件下，根据能量守恒规律，即水泥水化产生的热量等于冷却水带走的热量，得 出下式2 如： m 2 = 刍丝坠二墨! ( 2 2 0 ) c 、t t 式中，c l 混凝土比热；( k c a l 瓜g ) ； 尬混凝土的质量( 虹) ； 不产生裂缝的最高温度( ) ； c 2 冷却水的比热( k c a 批g ) ； 正时间t 内水的流量( m 3 s ) ； r