汽轮机基础大体积混凝土的温度与裂缝控制

柯松山

新疆石河子天富2×125 MW南热电厂位于玛河西岸,南侧紧邻天山山脉,夏季炎热干燥,昼夜温度差最高达22℃。南热电主厂房工程为框架剪力墙结构,建筑面积32 017 m2。汽轮机基础底板长22.7 m,宽7.49 m,高2 m,底板混凝土强度等级为C30,采用商品混凝土,骨料级配为二级配,混凝土浇筑总量为340 m3,属大体积混凝土。由于汽轮机基础属于重要结构,要求底板混凝土一次连续浇筑,不能留置施工缝。汽轮机基础施工时间为2006年5月20日～25日,正处在夏季,在采取了一系列温控措施后,汽轮机基础混凝土未出现裂缝及其他缺陷,取得了较好的效果,保证了大体积混凝土工程质量。

裂缝形成的原因可分为两类:1)结构裂缝,是由外部荷载引起的,包括结构计算中的主要应力以及次应力造成的受力裂缝;2)材料型裂缝,是由非结构计算应力引起的,主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的。本文主要探讨材料型裂缝。

1.1 温度裂缝

1 裂缝形成的原因

温度裂缝产生的主要原因是混凝土内外温差引起的温度应力。大体积混凝土由于水泥水化过程中产生的水化热累积,浇筑后3 d～4 d内混凝土内部温度急剧上升引起混凝土膨胀变形,混凝土内部应力表现为压应力,此时混凝土的弹性模量很小,由于温度变化引起的受基础约束的混凝土膨胀变形产生的压应力仍旧很小。温度降低峰值过后,混凝土由升温期转至降温期,混凝土开始收缩,内部应力表现为拉应力。此时混凝土的弹性模量较大,降温引起的受基础约束的收缩变形会产生相当大的拉应力,当拉应力超过混凝土同龄期的抗拉强度时,就会产生温度裂缝,对混凝土结构产生不同程度的危害。此外,在混凝土内部温度较高时,外部环境温度较低或气温骤降期间,内外温差过大在混凝土表面也会产生较大的拉应力而出现表面裂缝。

1.2 收缩裂缝

1)干燥收缩。干燥裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间内或混凝土浇筑完毕后的1周左右。干缩裂缝产生的主要原因:混凝土受外部条件影响,表面水分损失过快,变形较大,内部混凝土变形较小,较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束,产生较大的拉应力而产生裂缝。相对湿度较低,水泥浆体干缩越大,干缩裂缝越易产生。混凝土干缩主要与混凝土水灰比、水泥成分、水泥用量、集料性质及用量、外加剂用量有关。2)塑性收缩。塑性收缩是混凝土终凝前,表面因失水过快而产生的收缩,一般在干热或大风天气出现。影响混凝土塑性收缩开裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对温度等。

2 混凝土配合比设计

由于水泥用量直接影响到混凝土的水化热温升,所以混凝土配合比设计的原则是在满足混凝土施工要求的基础下尽量降低水泥用量,控制水化热温升。利用双掺技术,以粉煤灰取代部分水泥,可以降低混凝土的水化热温升,有效地防止温度裂缝。通过大量的试验优选出混凝土配合比,如表1所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1)水泥:C30混凝土采用屯河水泥厂生产的“屯河牌”32.5R级矿渣硅酸盐水泥。2)粉煤灰:采用Ⅰ级粉煤灰,质量符合GBJ 146粉煤灰混凝土应用技术规范和JGJ 28粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程。3)砂:采用玛河河砂,细度模数2.71,含泥量小于2%,其化学指标符合规范规定,属中粗砂。4)石:采用玛河卵石,级配优良,粒径0.5 mm～40 mm,各项指标符合规范要求。5)外加剂:采用FDN高效减水剂。6)拌合用水采用自来水。

3 温控措施及现场温控

3.1 混凝土分层

根据计算并考虑实际施工方便,汽轮机基础C30混凝土分4层浇筑,每层浇筑厚度为500 mm。

3.2 混凝土的浇筑温度

本工程采用商品混凝土,通过测量混凝土的出罐温度估算出浇筑温度,由于浇筑过程处于气温较高季节,运输混凝土的搅拌车必须采取覆盖、洒水等措施,尽量降低混凝土的浇筑温度。

3.3 通水冷却

1)水管布置。根据混凝土内部温度分布特征,在距汽轮机底板混凝土上表面600 mm和下表面400 mm的位置设置上下两层冷却水管,冷却水管为直径30 mm的薄壁钢管,其水平间距为900 mm,冷却水管距其余混凝土面不大于900 mm,冷却水管进出水口集中设置。2)冷却水管使用及其控制。冷却水管使用前应进行压水试验,防止管道漏水、阻水。混凝土浇筑到各层冷却水管标高后开始通水,通水流量应达到30 L/min;严格控制进出水温度,在保证冷却水管进出水温度与混凝土内部最高温度之差不大于25℃条件下,尽量使进水温度最低;通水全部结束后,应采取同强度等级水泥浆或砂浆封堵冷却水管;考虑现场实际情况,在现场设置水槽,供冷却水循环使用。

3.4 保温及养护

为防止混凝土出现温度裂缝,必须对混凝土进行保温以减小内表温差。具体做法:混凝土浇筑结束后,在其侧面钢模板外覆盖一层塑料布(彩条布)保温,在混凝土顶面沿四周边用黏土筑小坝,并将侧面保温塑料布翻至坝内蓄100 mm深水进行保温养护。

3.5 现场监测

混凝土测温控制:为确保能够真实反映各层混凝土的温控效果,以便根据现场情况变化及时采取有效措施,在混凝土内部及周边、表面对混凝土温度变化进行观测,测温孔留设深度分别为:100 mm,300 mm,600 mm,900 mm,1 200 mm,1500 mm,1 800mm,分别布设在汽轮机基础的各部位。测温方法:材料选用15薄铁皮管,一端封死,一端高出混凝土面150 mm,用软塞封口,避免杂物落入,测温工作从开始浇筑时第1天～第5天,每2 h测一次;第6天～第10天,每 4 h测一次;第11天～第14天,每8 h测一次,直至混凝土内外温度同大气温度一致后方可停止测温,操作人员随时将检测到的实时温度值统计上报技术负责人,并依次对混凝土降温养护工作提出建议,及时调整养护措施。

4 温控效果分析

该工程我们把底板分为5个区域,对1 500 mm以下底部、1 500 mm～1 200 mm中下部、1 200 mm～900 mm 中部、900 mm～600 mm中上部及表面100 mm温度进行监测,各测区的上、下最大温度差在13℃～21℃之间,小于控制温度25℃,底板中心最高温度平均值为50℃,个别点达到52℃,根据测温资料可知,基础底板中心最高温度基本出现在浇筑后的54 h～70 h,符合预期设计。由于采取了有效的温度措施,初期温降率较后期偏大,一般在3℃/d～5℃/d,中后期的温降速率在1℃左右。

5 结语

结合工程实际情况,制定不产生温度裂缝的温控标准和温控措施,并编制详细的温控方案加以落实和实施,对确保大体积混凝土的顺利施工极其重要。大体积混凝土的温控必须从材料、配合比、降温措施入手,以保证大体积混凝土的可施工性、低热性、温度稳定性。实践证明采用低热水泥,运用双掺技术、冷却水管降温、混凝土表面蓄水、外包保温材料等温控措施,能够有效地控制大体积混凝土的温度裂缝,也可以节约成本,社会经济效益显著。

[1] 李宝锋.承台大体积混凝土温度裂缝控制措施[J].山西建筑,2008,34(15):123-124.