摘要: 通過分析超長大體積鋼筋混凝土結構裂縫產生原因,并結合首都機場滑行道橋底板施工,介紹無縫設計、膨脹加強帶的設置、ZY補償收縮混凝土配合比、ZY補償收縮混凝土施工、底板混凝土的成形工藝及施工效果,為同類施工提供借鑒。
關鍵詞: 超大體積鋼筋混凝土;裂縫控制;無縫施工
中圖分類號: TU753. 64 文獻標識碼: A 文章編號: 1006 3226 (2006) 02 0136 04
1 工程概況
首都機場11號滑行道橋寬為80 m,跨度為23. 4 m,底板厚2. 0 m,設計混凝土強度等級C30,抗?jié)B標號S8。該橋為超長鋼筋混凝土結構,全埋于地下,基礎埋深近20 m,涉及防水問題。原設計承臺底板分為三段兩次澆筑,設兩道后澆帶,后澆帶澆筑間隔時間為30 d。設置后澆帶,工期延長,且易留下滲水隱患。為加快施工進度,提高整體防水和抗震能力,決定取消后澆帶。因此,采取了合理的技術措施,避免超長結構因環(huán)境氣溫變化、水泥水化熱以及混凝土收縮變形等因素造成的混凝土結構開裂,確保工程質量。本工程為超長鋼筋混凝土結構,承臺平面尺寸為80 m ×30. 7 m,底板厚1. 5 m,承臺厚度達到2 m,屬大體積混凝土,為加快施工進度,提高整體防水和抗震能力,現取消后澆帶,實現超長大體積混凝土無縫施工,因此需解決的技術問題有:結構尺寸超長,且是大體積混凝土結構。如何加快施工進度,保證工程質量是施工中的難點;由于氣候(溫度、濕度)變化,混凝土結構的熱脹冷縮、干燥收縮以及水泥水化熱所產生的溫度應力都很大,如何控制因冷縮和干縮產生的拉應力造成的結構開裂,將成為施工技術的關鍵。
2 超長鋼筋混凝土結構裂縫控制的基本原理分析
2. 1 補償收縮混凝土抗裂的基本原理
補償收縮混凝土是一種微膨脹混凝土,當膨脹劑加入普通水泥和水拌合后,水化反應形成膨脹性水化物鈣礬石(C3A·3CaSO4 ·32H2O)或Ca (OH) 2 ,膨脹混凝土是解決混凝土開裂性價比較為理想的材料。膨脹混凝土在鋼筋或鄰位限制下,膨脹能作功,產生預壓應力,它可抵消收縮產生的拉應力,并推遲了收縮的產生過程,混凝土抗拉強度在此期間能獲得增長。當混凝土開始收縮時,其抗拉強度已增長到足以抵抗收縮引起的拉應力,從而防止和減少收縮裂縫的出現[ 1 ] 。并且根據結構不同部位,調整膨脹劑的摻加量,在結構收縮應力最大的部位采用大膨脹混凝土(即膨脹加強帶) ,在結構收縮應力最大的部位采用微膨脹混凝土,使混凝土收縮拉應力得到大小適宜的補償。采用這種辦法,可以不留或少留伸縮縫,提高結構的整體性,減少留縫給施工帶來的麻煩,從而加快施工進度,并縮短工期和減少施工管理費用。采用水化熱低、又有一定膨脹性能的補償收縮混凝土,同時加以適當的溫控措施,就可以做到既經濟合理、又能有效地解決超長混凝土結構的開裂問題。吳中偉院士提出了混凝土冷縮和干縮的聯合補償模式,即:當ε2 - S2 - ST ≤εP +CT ,就能達到控制裂縫的目的。其中,ε2為鋼筋混凝土極限延伸率, S2 為混凝土干縮值, ST 為混凝土最大降溫冷縮值,εP 為混凝土極限延伸率, CT 為混凝土受拉徐變。根據這一理論,在本工程中擬采用ZY膨脹劑、緩凝高效減水劑和粉煤灰(或礦渣粉)的“三摻”技術,即利用ZY使混凝土產生較高的膨脹率,利用緩凝高效減水劑和粉煤灰降低水泥用量和水化熱,從而減少冷縮值和干縮值,這種“抗”的方法能較好地解決混凝土的裂縫控制問題。
2. 2 超長無縫施工裂滲控制收縮應力分析
本工程底板特點是厚度H遠小于長寬尺寸L,當H /L ≤0. 2時,板在溫度收縮變形作用下,離開端部區(qū)域,板的全截面受拉應力較均勻。在地基的約束下, 將出現水平法向應力σX 。根據工程實踐可知,σX 是設計主要控制應力,是引起垂直裂縫的主要應力,其最大值σmax出現在板截面的中點X = 0處, 當σmax超過混凝土的抗拉強度(Rt ) ,板中部出現第一條垂直裂縫;開裂后,每塊板的水平應力重新分布,最大應力σX,出現在每塊板的中部,當σX, > Rt 又形成第二批裂縫,第三批等。這種裂縫的有序排列經常在工程中見到。為防止這種有序裂縫的出現,工程中靠設置后澆帶或伸縮縫來釋放收縮應力。這是目前施工控制裂縫的主要措施之一。從法向應力公式可見
式中, Cx 為水平阻力; H為板厚; E為混凝土彈性模量。
后澆縫只在較短的間距(L ) 范圍對消減收縮應力(σmax ) 起顯著的作用,超過一定長度,即使設后澆帶也沒有意義。按理論計算,消減σmax 的有效間距為20～60 m。下面談到的膨脹加強帶間距應設在此范圍內。膨脹混凝土在硬化過程中產生膨脹作用,在鋼筋或鄰位約束下,鋼筋受拉,而混凝土受壓,當鋼筋拉應力與混凝土壓應力平衡時,則有: Ac ·σc = As ·σs = As ·Es ·ε2 ;配筋率μ = As / (Ac +As ) ,得As /Ac =μ/ (1 - μ) ;則σc =μ·Es·ε2 / (1 - μ) 。其中,σc為混凝土預壓應力, Ac為混凝土截面積,σs為鋼筋拉應力,As 為鋼筋截面積, Es 為鋼筋彈性模量,μ為配筋率,ε2 為混凝土的限制膨脹率(即鋼筋伸長率) 。在本工程中,采取以下措施實現收縮應力曲線。參見圖1。在收縮應力集中的σmax處,設膨脹加強帶,其寬度2～3m,加強帶兩側架設免拆模板網,目的是為防止兩側混凝土留入加強帶。施工時帶外側用小膨脹混凝土,澆注到加強帶時改用大膨脹混凝土,到加強帶另一側時,又改為小膨脹混凝土澆注。如此循環(huán)下去,連續(xù)澆筑80 m超長混凝土結構。
3 施工技術方案
3. 1 技術措施
該工程采用結構自防水和無縫施工技術,關鍵是必須保證補償收縮混凝土的質量,按文獻[ 2 ] ,混凝土限制膨脹率ε2 ≥0. 015% ,根據工程實踐,各部位混凝土收縮率不同,補償收縮程度也應不同。一般是底板ε2 = (1. 5～2. 5) ×10- 4 ,邊墻ε2 = (2. 0～3. 0) ×10- 4 ,膨脹加強帶(或后澆帶) ε2 = (2. 5～3. 5) ×10- 4。以膨脹劑摻量的多少來達到ε2 設計目標值,以滿足補償混凝土結構抗裂防滲的效果。針對本工程所采取的技術措施有:
(1)混凝土收縮控制?；炷潦湛s包括混凝土自身隨齡期的收縮、失水干縮、炭化收縮、塑性收縮等,針對于此,采用補償收縮混凝土技術,即在普通混凝土中摻加一定比例的ZY膨脹劑。膨脹劑在水化過程中產生適度膨脹,在鋼筋及鄰位的約束下,在混凝土中建立一定的預壓力,這一應力能大致抵消混凝土在收縮時產生的拉應力,從而防止或減少混凝土構件的開裂。從材料角度入手,嚴格控制混凝土原材料的質量和技術指標,選用低收縮原材料,如C3A較高的水泥、較低含泥量的砂石以及合理的砂石集配、高減水的外加劑,降低用水量和水泥用量,配置出收縮較小的混凝土。砼裂縫的主要原因是混凝土收縮和溫差應力,因此做好保溫、保濕養(yǎng)護,降低失水干縮,采用無紡布覆蓋并澆水養(yǎng)護,晚拆模板,避免混凝土過早失水造成干縮開裂?；炷恋乃苄允湛s發(fā)生在早期,在混凝土終凝前表面必須用木抹子和抹刀搓壓防止或減少表面龜裂現象的產生,最后一邊的抹壓要掌握好時間,應在混凝土臨近終凝時為佳。
(2)水化熱控制。水泥水化熱造成溫升,這樣固化后的混凝土在降溫過程中會產生較大的冷縮和溫差拉應力,而混凝土抗拉強度低、變形能力小,很容易開裂。在混凝土中摻入膨脹劑,使其產生適度膨脹,用以抵消混凝土結構的部分冷縮,從而可以減輕或避免溫差裂縫的出現。在混凝土中摻入適量的緩凝減水劑,目的是為了延遲水泥水化熱的釋放速度,同時降低熱峰;而且此類減水劑還可提高混凝土的流動性,有利于運輸和泵送;同時能夠避免連續(xù)澆筑混凝土過程中的冷接縫問題,降低滲漏隱患;另一方面,減水劑作用可以節(jié)約水泥用量,從而降低造價,且水泥用量越少,水化熱就越低,溫差裂縫就越少。摻入粉煤灰或礦渣等活性混合材料,取代部分水泥,降低水泥水化的發(fā)熱量,減少溫度應力,減輕裂縫的出現。在施工過程中,作好測溫和覆蓋保溫工作。測溫主要是測定混凝土內部與表面的溫差,溫差控制在25 ℃以內,就可以控制裂縫,若溫差超過25 ℃就須覆蓋保溫,以提高混凝土表面溫度,縮小表面與內部溫差。
3. 2 膨脹加強帶的設置
根據本工程結構具體情況并結合設計要求,首先確定了膨脹加強帶的位置,底板在距端頭24 m位置設兩條膨脹加強帶,具體位置與設計圖紙上的后澆帶位置一致。底板膨脹加強帶部分要增加部分溫度應力的補償鋼筋。增加的補償鋼筋垂直于加強帶,補償鋼筋直接綁扎在對應的水平筋上,設置間距為水平構造筋的兩倍。補償鋼筋要延伸到加強帶兩側50 cm,其材質與構造筋相同,直徑要小于構造筋1 ～2mm。膨脹加強帶設置寬度為3 m,加強帶兩側用免拆模板網攔起,并采用鋼筋綁扎牢固。
3. 3 ZY補償收縮混凝土配合比
(1)原材料選用及要求。水泥: 42. 5普通硅酸鹽水泥;砂:中砂,細度模數2. 5～2. 8,含泥量< 3%;石子: 5～31. 5 mm連續(xù)級配碎石。含泥量< 1%;膨脹劑: ZY膨脹劑,北京中巖特材公司生產,符合JC47622001規(guī)范要求;外加劑: JA2Z復合防凍劑;粉煤灰: 當地二級粉煤灰;礦渣粉:當地礦渣粉;水:自來水。
(2) ZY補償收縮混凝土配合比。ZY補償收縮混凝土配合比見表1。
(3) ZY補償收縮混凝土性能?；炷撂涠取；炷恋娜肽Ｌ涠纫鬄?60 ±20 mm。混凝土的凝結時間。初凝時間6～8 h,終凝時間8～10 h。混凝土的強度等級及抗?jié)B標號。地下室底板和墻板的混凝土強度等級為C30,抗?jié)B標號為S8。混凝土入模溫度不低于5 ℃。
3. 4 ZY補償收縮混凝土施工
3. 4. 1 原材料計量
水泥、砂、石、外加劑、膨脹劑、粉煤灰、礦渣粉、水必須經過計量后才能投入攪拌機,計量誤差應符合下列要求(按重量計) :水泥、外加劑、膨脹劑、粉煤灰、礦渣粉、水的計量誤差為±1%;砂、石的計量誤差為±2%。
3. 4. 2 混凝土攪拌
在混凝土生產前,檢查原材料質量是否符合有關標準。仔細校核計量裝置,檢查攪拌機器設備和現場泵管布置,確?；炷辽a和泵送時設備能夠正常運轉。派專人負責投料,并符合計量要求,尤其膨脹劑不得少摻,也不得多摻。及時測定砂、石的含水率,以便及時調整混凝土拌合用水量,嚴禁隨意增加用水量?；炷翑嚢钑r間,用強制式攪拌機比不摻外加劑的普通混凝土延長10 s以上,應嚴格控制攪拌時間,確保混凝土攪和均勻。
(1)補償收縮混凝土澆注前的準備。模板按設計圖紙安裝,必須固定牢靠,模板表面涂上脫模劑。模板縫應嚴密,不得漏漿。將膨脹加強帶兩側的免拆模板網綁扎牢固,并用豎筋加固,以免密孔鐵絲網被混凝土壓垮。為避免因混凝土輸送泵故障而產生長時間混凝土澆注停工,工地現場應有備用混凝土輸送泵。養(yǎng)護器材要預先準備充足,主要是塑料薄膜和無紡布。
(2)補償收縮混凝土的澆注施工。在澆注補償收縮混凝土前,模板及鋼筋間的所有雜物須清理干凈。每塊混凝土連續(xù)澆注時,必須保證“軟接茬”,以防止產生冷縫,造成防水隱患。自防水混凝土的振搗必須密實,不能漏振、欠振、過振。振搗時間宜為20～30 s,以混凝土開始泛漿和不冒氣泡為準。振搗時快插慢拔,振點布置要均勻。在施工縫、預埋件處加強振搗,以免振搗不實,造成滲水通道。振搗時應盡量不觸及模板、鋼筋、止水帶,以防止其位移,變形。
3. 5 底板混凝土的成形工藝
(1)澆注方法。ZY補償收縮混凝土的澆注施工,可采用分層澆注,從一個方向開始振搗,每層30 cm厚,層與層之間的接茬時間不應晚于混凝土的初凝時間,振搗必須密實。澆注到膨脹加強帶時,用專門配置的大膨脹ZY補償收縮混凝土填充膨脹加強帶;膨脹加強帶澆注完成后,再換回正常的微膨脹ZY補償收縮混凝土繼續(xù)往前澆注,依次反復進行直到全部完成。澆注混凝土時,在每個澆注帶的前后布置兩道震動器,第一道布置在混凝土的卸料點,主要解決混凝土上部的振實;第二道布置在混凝土坡角處,確保下部混凝土的密實。為防止混凝土集中堆積,先振搗出料口處的混凝土,形成自然流淌坡度,然后全面振搗,并按照施工規(guī)范嚴格控制振搗時間、振搗棒的移動間距和插入深度。每個澆注帶的寬度應根據現場混凝土的方量、結構物的尺寸、供料速度、泵送工藝等情況預先計算好,避免冷縫的出現。
(2)二次抹面處理。在完成ZY補償收縮混凝土澆注后,為防止混凝土在硬化工程中出現表面龜裂現象,要及時進行二次抹面處理。在混凝土初凝以后、終凝之前,先人工用木抹邊拍打,使混凝土的漿液滲出;然后再用力進行抹壓,直至抹壓平整,隨即用保溫被覆蓋。
(3)養(yǎng)護。ZY補償收縮混凝土的養(yǎng)護非常重要,這是由于ZY混凝土中形成的膨脹結晶鈣礬石需要大量的水,否則就影響膨脹效能。因此在每一塊混凝土澆注、抹面完成后,要及時覆蓋塑料薄膜,外面再覆蓋保溫材料;當整塊混凝土硬化14～15 h后,中午開始澆水養(yǎng)護,保持混凝土表面濕潤,養(yǎng)護期不少于14 d。養(yǎng)護工作要派專人負責。
3. 6 施工注意事項
混凝土嚴禁在水中澆注,施工前,應將基面和基坑中的水抽干。拆模板后,混凝土的內外溫差不得大于25 ℃,表面溫度與環(huán)境溫度之差不得大于25 ℃,否則,容易開裂,必須對混凝土進行保溫保濕養(yǎng)護。
4 結語
首都機場11號滑行道橋底板養(yǎng)護期滿拆模后,結構混凝土表面光潔、平整、無任何裂縫,可見施工是成功的。通過該橋的實踐,以下措施可供同類基礎施工借鑒:超長大體積混凝土結構可以取消后澆帶,采用補償收縮混凝土一次澆注成型;控制大體積混凝土裂縫可以選擇控制水泥用量,選用低熱水泥,摻加合適的外加劑,優(yōu)化配合比等措施;加強底板溫度觀測和養(yǎng)護工作,掌握底板內部的溫度狀況,可以有效地進行大體積混凝土的防裂控制。
參 考 文 獻
[ 1 ]吳中偉,張鴻直. 膨脹混凝土[M ]. 北京:中國鐵道出版社, 1990
[ 2 ]GB5011922003,混凝土外加及應用技術規(guī)范[ S].
