補償收縮混凝土在超長地下構(gòu)筑物中的應用

摘　要:通過一超長地下構(gòu)筑物的設計實例,說明了補償收縮混凝土在混凝土結(jié)構(gòu)中對降低溫度應力、減少結(jié)構(gòu)伸縮縫設置的作用,以推廣使用該技術(shù),達到更好解決混凝土收縮裂縫問題的效果。

關(guān)鍵詞:補償收縮混凝土,超長地下構(gòu)筑物,伸縮縫

引言

　　在工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)中,一般現(xiàn)澆的連續(xù)墻式結(jié)構(gòu)、地下構(gòu)筑物及設備基礎(chǔ)等是容易由溫度收縮應力引起裂縫的結(jié)構(gòu),這類結(jié)構(gòu)均以永久伸縮縫或施工縫來釋放溫度應力。我國現(xiàn)行GB5001022002 混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范規(guī)定:現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下連續(xù)式結(jié)構(gòu),處于室內(nèi)或土中條件下的伸縮縫間距為30 m ,露天條件下為20 m。為避免永久式伸縮縫帶來的缺點,在一些工程中采用臨時性的伸縮縫即后澆帶的辦法控制裂縫。而伸縮縫較多的結(jié)構(gòu)要求設置止水帶,這樣就增加了特殊材料的用量,施工麻煩,不易做好,容易滲漏。特別是當混凝土施工工藝由半機械化轉(zhuǎn)到現(xiàn)代化泵送工藝后,由于水灰比大,含砂率高,水泥用量多,澆灌速度快,工程裂縫的險情增加了,裂縫控制難度也隨之而增大。

　　補償收縮混凝土技術(shù)很好地解決了混凝土收縮裂縫問題,并且得到了廣泛應用[ 125 ] 。

1 　工程概況

　　某用于化工管道運輸?shù)牡叵鹿芎?總長330 m ,頂板面距地面1. 2 m,管涵截面凈空尺寸為4. 0 m(寬) ×3. 5 m(高) ,底板厚350 mm,側(cè)壁及頂板厚300 mm。施工開始時間為6 月。

　　對于地下管涵等結(jié)構(gòu),其特點為:1) 常采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土超靜定結(jié)構(gòu),溫差和收縮變化復雜,約束作用較大,容易引起開裂;2) 混凝土強度等級較高,水泥用量較大,壁厚較小,收縮變形較大;3) 水化熱溫升較高,降溫散熱較快。因此,對于此類結(jié)構(gòu),收縮與溫差的共同作用是引起混凝土裂縫的主要因素。計算地下管涵結(jié)構(gòu)時,一般采用“地基上長墻”模型。通過對此類結(jié)構(gòu)的裂縫調(diào)查分析,得出如下一些規(guī)律:1) 一般情況下,裂縫經(jīng)常垂直于較長方向;2) 收縮及溫差越大或變化速度越快,越容易開裂;3)結(jié)構(gòu)材料越薄(溫差梯度越大,承受均勻溫度收縮的層厚越小) 越容易開裂;4) 結(jié)構(gòu)的地基對結(jié)構(gòu)的約束作用越大,越容易開裂。

2 　補償收縮混凝土原理

　　補償收縮混凝土通過在混凝土中摻入適當比例的微膨脹劑,不但可以補償混凝土自身的硬化收縮,更重要的是通過膨脹產(chǎn)生當量負溫,以降低混凝土的溫差從而達到減小溫度應力的作用。最終提高混凝土結(jié)構(gòu)自身的抗裂能力,同時微膨脹劑水化后產(chǎn)生鈣礬石填充于混凝土內(nèi)部的毛細孔隙中,降低了混凝土的孔隙率,增加了其密實性,也提高了混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B能力。

　　另外,補償收縮混凝土在養(yǎng)護期間的限制膨脹率ε2 = (2～4)×10 - 4 ,而普通混凝土不具有膨脹性能,其總收縮S m = (4～6) ×10 - 4 。混凝土的極限拉伸值εp = (1～2) ×10 - 4 , 當S m >εp 時,即開裂。對于補償收縮混凝土來說,其抗裂條件為ε2 - S m >εp 。

　　可見,補償收縮混凝土通過膨脹來補償混凝土的收縮,以抵消鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在收縮過程中產(chǎn)生的全部或大部分拉應力,從而不裂或控制在無害裂縫。為防止較長的連續(xù)結(jié)構(gòu)由于混凝土收縮和溫度應力引起開裂,必須每隔一定的距離設置伸縮縫。王鐵夢推導了伸縮縫間距的計算公式

(1)

　　式中: L ——伸縮縫間距;

　　　　Cx ——地基水平阻力系數(shù);

　　　　E ——C25 混凝土彈性模量, E = 2. 8 ×104 N/ mm2 ;

　　　　H ——板或墻的計算厚度, H = 1 m;

　　　　T ——綜合溫差, ℃;

　　　　α——混凝土的線膨脹系數(shù),α= 1 ×10 - 5 ℃- 1 ;

　　　　εp ——混凝土極限拉應變。

　　由式(1) 可以看出,在影響伸縮縫間距的因素中,地基水平阻力系數(shù)反映了地基剛度對結(jié)構(gòu)的約束作用;綜合溫差反映了溫度應力對結(jié)構(gòu)的影響。一般情況下,地基剛度多為天然地基自身特有的系數(shù),因此,如能使得結(jié)構(gòu)中的溫差減小,即可增加伸縮縫設置的間距,減少伸縮縫的數(shù)量。

3 　補償收縮混凝土結(jié)構(gòu)的計算

　　因本工程地處長江漫灘邊,地下水位較高,因此較多的伸縮縫將會引起漏水隱患的增多,同時增加施工難度及工程造價。因此,設計人員經(jīng)方案比較后決定通過使用補償收縮混凝土來降低結(jié)構(gòu)中的溫度應力,以達到盡量少設伸縮縫的目的。根據(jù)氣象資料,南京地區(qū)6 月份的日平均氣溫為24 ℃,地下1. 5 m 處,最冷月份土壤平均溫度按5 ℃考慮。連續(xù)式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度縫間距按式(1) 計算。參數(shù)計算如下。

　　1) Cx :按軟粘土,承載力80kN/ m2～150 kN/ m2 ,基礎(chǔ)埋深小于5 m 時Cx 取(1～3) ×10 - 2 N/ m3 ,偏安全取3 ×10 - 2 N/ m2 。

　　2) T1 :混凝土結(jié)構(gòu)物水化熱溫升值T′取5 ℃(壁厚按300 m計) ,入模溫度以6 月份計24 ℃,則

(2)

　　式中: K1 ——425 號水泥,取1. 0 ;

　　　　　K2 ——普通硅酸鹽水泥,取1. 2 ;

　　　　　K3 ——水泥用量修正系數(shù), K3 = W/ 275 , W 取400 kg ,即

　　　　　K3 = 400/ 275 = 1. 455 ;

　　　　　K4 ——鋼模板,取1. 0 。

　　代入式(2) 得:

℃,

T1 = 24 + 8. 8 = 32. 8 ℃。

　　3) 收縮當量溫差計算:

(3)

　　其中,

　　為標準狀態(tài)下的極限收縮, = 3. 24 ×10 - 4 。其中水灰比取為0. 6 ,配筋率為0. 5 %。M4 = 1. 42 , M10 = 0. 9 , 其余取1. 0 , t 為30 d。分別代入式(3) 和式(4) 得:

℃,

　　4) 膨脹當量溫差計算:采用摻入膨脹劑的混凝土,配筋率P= 0. 79 %時,限制膨脹率為0. 02 %。配筋率P = 0. 54 %時,限制膨脹率為0. 03 %。T2 =ε2/α,偏安全計ε2 取0. 02 % ,則T2=ε2/α= 2 ×10 - 4/ (1 ×10 - 5) = 20 ℃。

　　5) 綜合溫差T 計算:

T = T1 + Ty ( t) - T2 = 32. 8 + 10. 7 - 20 - 5 = 18. 5 ℃。

　　6) 極限拉應變εp 計算:

εp = 0. 5 Rt (1 + p/ d) ×10 - 4 = 1. 19 ×10 - 4 。

　　考慮混凝土徐變影響(應力松弛) 偏安全只考慮50 % ,則:

εp = 1. 5 ×1. 19 ×10 - 4 = 1. 78 ×10 - 4 。

　　故伸縮縫平均間距計算為:

　　若采用普通混凝土,綜合溫差T = 38. 5 ℃,則L = 25. 2 ×0. 665 = 16. 7 m ,即16. 7 m 應設一道伸縮縫。

　　若土壤平均溫度為10 ℃時,綜合溫差T = 13. 5 ℃,

　　數(shù)學上無解,物理上可無限長不設縫。根據(jù)以上計算,并考慮到實際的工程情況,最終采用三道伸縮縫將其分為4 段,每段約長85 m?，F(xiàn)已投入使用數(shù)年,經(jīng)設計者現(xiàn)場查看,未出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)自身的開裂與滲漏。

4 　結(jié)語

　　在工程允許的情況下,采用摻入膨脹劑的補償收縮混凝土,利用其膨脹后可產(chǎn)生當量負溫的原理來降低結(jié)構(gòu)中的溫度應力,以及通過膨脹來補償混凝土的收縮抵消鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在收縮

　　過程中產(chǎn)生的全部或大部分拉應力,以提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂防滲能力來滿足某些工程在設計施工中的特殊要求是可行的。但同時對施工中摻膨脹劑的部位、種類、比例以及施工期間的養(yǎng)護應特別引起重視,才能保證工程的質(zhì)量。

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