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大體積混凝土筏板施工技術研究

放大字體  縮小字體 發布日期:2008-06-20  來源:中國混凝土網  作者:朱巖
核心提示:大體積混凝土筏板施工技術研究

摘 要: 結合工程實例,分析了大積混凝土筏板施工裂縫的成因,并提出了防治裂縫具體措施。

關鍵詞: 大體積混凝土筏板; 裂縫; 水化熱; 溫度應力; 外加劑

中圖分類號: TU 75516     文獻標識碼: B

1  工程概況

  某建筑位于沈陽市中心, 建筑面積約40萬m2 , 三棟高度由180~280 m 的超高層建筑共同坐落在一個7 層高裙樓大底盤上。地下室三層, 采用人工挖孔樁和筏板聯合基礎。地基基礎設計等級為甲級, 承載力特征值為650 kPa(未經地基承載力、深度、寬度修正) 。混凝土強度等級C40 , 抗滲等級S8 , 筏板厚度1 ~4.5 m ,面積超過1.1 萬m2 。如何采取有效措施防止大體積混凝土筏板開裂, 是一個在設計階段必須考慮的問題。

2  大體積混凝土裂縫形成的原因

  裂縫產生的原因可分為兩類: 一是結構型裂縫, 是由外荷載引起的, 包括常規結構計算中的主要應力以及其他的結構次應力造成的受力裂縫; 二是材料型裂縫, 是由非受力變形變化引起的, 即主要是由溫度應力和混凝土的收縮引起的。本文主要探討材料型裂縫, 其具體原因如下。

2.1  溫度應力引起裂縫(溫度裂縫)

  溫度裂縫產生主要原因是由溫差造成的。溫差可分為以下三種: 一種是混凝土澆筑初期, 產生大量的水化熱, 由于混凝土是熱的不良導體, 水化熱積聚在混凝土內部不易散發,常使混凝土內部溫度上升, 而混凝土表面溫度為室外環境溫度, 這就形成了內外溫差。這種內外溫差在混凝土凝結初期產生的拉應力當超過混凝土抗拉強度時, 就會導致混凝土裂縫;另一種是在拆模前后, 表面溫度降低很快, 造成了溫度陡降, 會導致溫差的產生; 還有當混凝土內部達到最高溫度后, 熱量逐漸散發而達到使用溫度或最低溫度, 它們與最高溫度的差值就是內部溫差。這三種溫差都會產生溫度裂縫, 在這三種溫差中, 較為主要是由水化熱引起的內外溫差。

  混凝土升溫時間較短, 根據以往工程實踐, 一般在澆筑后的二至三天內, 其間混凝土彈性模量低、基本處于塑性與彈塑性狀態, 約束應力很低, 當水化熱溫升至峰值后, 水化熱能耗盡, 繼續散熱引起溫度下降, 隨著時間逐漸衰減, 延續十余天至三十余天。

  混凝土降溫階段, 彈性模量迅速增大, 約束拉應力也隨時間增加, 在某時刻如超過混凝土抗拉強度便出現貫穿性裂縫。因此控制降溫曲線對保證大體積混凝土施工質量尤為關鍵,但該問題屬于熱傳導的混合邊值問題, 理論求解相當冗繁, 且由于許多施工條件難以預測,理論結果亦很難嚴格。現國內施工界普遍采用王鐵夢于《工程結構裂縫控制》[ 1 ]專著中根據多年現場實測數據統計而成的經驗公式, 偏于安全地以截面中部最高溫度降溫曲線代替平均降溫曲線, 求解近似值。因該公式經多年施工實踐證明與實際情況基本吻合。該工程亦按此選取較大筏板厚度3 100 mm 進行近似計算,作為工程預控指標, 并借此提出保溫與降溫措施。

  (1) 標準水化熱溫升值T′(于一般兩層草包保溫養護條件下) 。

  按工程進度計劃, 地下室底板混凝土于5月初進行澆灌, 此時該市已基本進入高溫天氣, 應按夏季取初始值, 但根據以往施工經驗, 如此厚度的大體積混凝土, 單靠后期保溫措施無法控制內外溫差。如排除澆灌后期的降溫措施方案, 則只有在混凝土澆灌前降低入模溫度, 為達到此目的, 必須由混凝土供應廠商提出切實可行的降低混凝土入模溫度的措施,具體如下:

  1) 采用冰水配制混凝土, 或混凝土廠配置有深水井, 采用冰涼的井水配置;

  2) 粗細骨料均搭設遮陽棚, 避免日光曝曬。

  3) 選用低水化熱的P.O. 普硅水泥, 并利用摻合料減少水泥單方用量。

  以上措施要求供應廠商提出詳盡的專項大體積混凝土供應質量保證措施與承諾書, 作為選擇供應商的依據。深厚筏板的澆灌盡量避開中下午炎熱天氣, 最好是安排在晚9 點至晨8點之間, 以最大限度地降低厚大筏板的混凝土入模溫度。

  通過以上措施, 將混凝土入模溫度控制在20 ℃。因無混凝土入模溫度20 ℃指標, 采用中間狀態插入法計算確定標準水化熱溫升值:T′= 32 ℃。

  (2) 修正系數。

  1) 水泥強度修正系數k1 = 1.13 (525 強度等級) ;

  2) 水泥品種修正系數k2 = 1.2 (普通硅酸鹽水泥) ;

  3) 水泥用量修正系數k3 = W/ 275 :W 為實用水泥量( kg/ m3 ) , 根據以往已有成功經驗, C40 , S8 混凝土通過摻粉煤灰或減水劑, 單方水泥用量可控制在310kg 甚至更低, 現暫以310 kg/ m3 計, 則k3 = W/ 275 =310/ 275 = 1.127 ;

  4) 模板修正系數(木模及其它保溫模板)k4 = 1.4 。

  (3) 修正水化熱最高溫升值。

Tmax = T′·k1·k2·k3·k4= 32 ×1.13 ×1.2 ×1.127 ×1.4= 68.5 ( ℃)

  考慮混凝土入模溫度為20 ℃, 則混凝土中心最高溫度達88.5 ℃。根據近年工程經驗, 混凝土最高溫升值一般發生于澆灌后二至三天的白天, 估計室外溫度約在30 ℃, 則混凝土中心溫度峰值與表面大氣溫差約在58.5 ℃, 仍需采取相應的保溫措施, 以保證從混凝土中心至大氣的溫差梯度及混凝土本身的降溫梯度滿足合理的預控指標。

2.2  收縮引起裂縫

  收縮有很多種, 包括干燥收縮、塑性收縮、自身收縮、碳化收縮等等。這里主要為干燥收縮和塑性收縮。

2.2.1  干燥收縮

  混凝土硬化后, 在干燥的環境下, 混凝土內部的水分不斷向外散失, 引起混凝土由外向內的干縮變形裂縫。

2.2.2  塑性收縮

  在水泥活性大、混凝土溫度較高, 或在水灰比較低的條件下會加劇引起開裂。因為這時混凝土的泌水明顯減少, 表面蒸發的水分不能及時得到補充, 這時混凝土尚處于塑性狀態,稍微受到一點拉力, 混凝土的表面就會出現分布不均勻的裂縫, 出現裂縫以后, 混凝土體內的水分蒸發進一步加大, 于是裂縫進一步擴展。

3  防止裂縫的措施

  由以上分析, 材料型裂縫主要是由溫差和收縮引起, 所以為了防止裂縫的產生, 就要最大限度的降低溫差和減小混凝土的收縮, 具體措施如下。

3.1  設計控制

  (1) 底板混凝土采用90 d 強度將十分有利于裂縫控制。

  (2) 加密筏板水平構造鋼筋, 控制保護層厚度。

  (3) 筏板基礎墊層上可以設柔性滑動層來釋放約束應力。

  (4) 沈陽地質條件優良, 當沉降差不大于30 mm 情況下, 可考慮取消沉降后澆帶。

3.2  優選原材料

3.2.1  水泥

  由于溫差主要是由水化熱產生的, 所以為了減小溫差就要盡量降低水化熱。為了降低水化熱, 要盡量采用早期水化熱低的水泥。由于水泥的水化熱是礦物成分與細度的函數, 要降低水泥的水化熱, 主要是選擇適宜的礦物組成和調整水泥的細度模數, 硅酸鹽水泥的礦物組成主要有: C3S、C2S、C3A 和C4AF , 試驗表明: 水泥中鋁酸三鈣( C3A) 和硅酸三鈣(C3S) 含量高的, 水化熱較高。所以, 為了減少水泥的水化熱, 必須降低熟料中C3A 和C3S的含量。在施工中一般采用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣水泥[2 ] 。

  另外, 在不影響水泥活性的情況下, 要盡量使水泥的細度適當減小, 因為水泥的細度會影響水化熱的放熱速率。試驗表明比表面積每增加100 cm2/ g , 1 d 的水化熱增加17 ~21 J / g ,7 d 和20 d 均增加4~12 J / g。建議采用P.O.42.5 , 水泥用量控制在200~250 kg/ m3 。

3.2.2  摻加粉煤灰

  為了減少水泥用量, 降低水化熱并提高和易性, 可以把部分水泥用粉煤灰代替, 摻入粉煤灰主要有以下作用: ①由于粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物, 其中二氧化硅含量40 %~60 % , 三氧化二鋁含量17 %~35 % , 這些硅鋁氧化物能夠與水泥的水化產物進行二次反應,是其活性的來源, 可以取代部分水泥, 從而減少水泥用量, 降低混凝土的熱脹; ②由于粉煤灰顆粒較細, 能夠參加二次反應的界面相應增加, 在混凝土中分散更加均勻; ③粉煤灰的火山灰反應進一步改善了混凝土內部的孔結構,使混凝土中總的孔隙率降低, 孔結構進一步的細化, 分布更加合理, 使硬化后的混凝土更加致密, 相應收縮值也減少[3 ] 。值得一提的是:由于粉煤灰的比重較水泥小, 混凝土振搗時,比重小的粉煤灰容易浮在混凝土的表面, 使上部混凝土中的摻合料較多, 強度較低, 表面容易產生塑性收縮裂縫。因此, 粉煤灰的摻量不宜過多, 在工程中應根據具體情況確定粉煤灰的摻量。

3.2.3  骨料

  (1) 粗骨料。

  適當擴大粗骨料的粒徑。因為, 粗骨料粒徑越大, 級配越好, 孔隙率越小, 總表面積越小, 每立方米的用水泥砂漿量和水泥用量就越小, 水化熱就隨之降低, 對防止裂縫的產生有利。

  (2) 細骨料。

  宜采用級配良好的中砂或中粗砂, 最好用中粗砂。因為, 其孔隙率小, 總表面積小, 這樣混凝土的用水量和水泥用量就可以減少, 水化熱就低, 裂縫就減少。另一方面, 要控制砂子的含泥量, 含泥量越大, 收縮變形就越大,裂縫就越嚴重, 因此細骨料盡量用干凈的中粗沙。

3.2.4  外加劑

  加入外加劑后能減小混凝土收縮開裂的機會, 外加劑對混凝土收縮開裂性能有以下影響:

  (1) 減水劑對混凝土開裂的影響。減水劑的主要作用是改善混凝土的和易性, 降低水灰比, 提高混凝土強度或在保持混凝土一定強度時減少水泥用量, 而水灰比的降低, 水泥用量的減少對防止開裂是十分有利的。該工程考慮采用優質的減水劑, 降低用水量, 適當減小坍落度, 坍落度控制在130~140左右。

  (2) 膨脹劑。膨脹劑理論上雖然可行, 但很多成功的例子是在實驗室中, 工地現場實際效果使用下來不是太好, 因為施工質量不易控制。該項目中不建議使用。

  (3) 防凍劑。根據氣溫情況決定是否添加防凍劑, 在0 ℃以上時可以不加防凍劑, 故該項目不加防凍劑。

3.3  采用合理的施工方法

3.3.1  混凝土的拌制

  (1) 三幢塔樓底板厚度大、方量大, 若采用“深坑先澆、水平分縫”的施工方案則容易在接合面形成較強約束, 建議采用一次澆筑的施工方案。

  (2) 底板混凝土最大分塊達到2 400 m2 ,必須控制澆筑時間。為此需要在原方案基礎上增加現場泵車數量, 并配備充足的混凝土攪拌車, 充分保證現場澆筑量, 盡量使澆筑工作在60 h 之內完成。

3.3.2  混凝土澆筑、拆模

  (1) 混凝土澆筑過程質量控制。澆筑過程中要進行振搗方可密實, 振搗時間應均勻一致以表面泛漿為宜, 間距要均勻,以振搗力波及范圍重疊二分之一為宜, 澆筑完畢后, 表面要壓實、抹平, 以防止表面裂縫。另外, 澆筑混凝土要求分層澆筑, 分層流水振搗, 同時要保證上層混凝土在下層初凝前結合緊密。避免縱向施工縫、提高結構整體性和抗剪性能。多臺輸送泵進行集中澆灌, 如有條件可加入塔吊及溜槽輔助。

  為保證施工質量, 利于混凝土早期散熱,應對厚混凝土進行相對較長的分層施工。每層約800~900 mm 深(每一大層內仍須做到斜面分層) , 待每層達到預定高度后略作停歇, 約2~3 h后混凝土完成相當部分早期沉縮, 及散發了大量的早期水化熱, 此時再集中覆蓋下一層混凝土, 并于兩層混凝土之間進行二次振搗(二次振搗時間應在下層混凝土初凝前, 振搗棒插入振搗拔出后原位孔洞能立即恢復為準) ,確保深厚混凝土施工質量。

  在混凝土表面振搗抹平后及時覆蓋塑料薄膜或濕草簾、濕麻袋, 對混凝土進行保濕養護。接縫得搭接蓋嚴, 避免混凝土水份蒸發,保持混凝土表面于濕潤狀態下養護, 混凝土終凝后持續澆水養護14 d。混凝土澆灌計劃安排應考慮天氣狀況, 及時聯系氣象臺, 取得近期的天氣狀況, 避免雨天施工影響混凝土施工質量, 同時備有足夠的抽水設備和防雨物資。

  (2) 施工工序。筏板施工建議采用“抗放結合”的原則,跳倉施工。在設計后澆帶的位置設置施工縫采用“跳倉法”施工, 能釋放溫度應力。

  (3) 混凝土拆模時間控制。混凝土在實際溫度養護的條件下, 強度達到設計強度的75 %以上, 混凝土中心與表面最低溫度的溫差控制在25 ℃以內, 預計拆模后混凝土表面溫降不超過9 ℃以上允許拆模。

3.3.3  做好表面隔熱保護

  大體積混凝土的溫度裂縫, 主要是由內外溫差過大引起的。表面收縮受內部約束產生拉應力, 但是這種拉應力通常很小, 不至于超過混凝土的抗拉強度而產生裂縫。如果此時受到冷空氣的襲擊, 或者過分通風散熱, 使表面溫度降溫過大就很容易導致裂縫的產生, 所以混凝土在拆模后, 特別是低溫氣候, 應立即采取表面保護, 防止表面降溫過大, 引起裂縫。保溫措施采用兩層薄膜和一層草簾覆蓋。在混凝土表面先覆蓋一層塑料薄膜, 以封閉混凝土水分蒸發途徑, 保持混凝土的潮濕條件以控制干縮裂縫。在薄膜之上再蓋一層草簾被, 以減少混凝土表面熱量的散發, 然后再覆蓋一層塑料薄膜, 以防止雨水滲透。后澆帶區域采用草簾填塞, 避免暴露于空氣中。另外, 當日平均氣溫在2~3d 內連續下降不小于6~8 ℃時, 28 d齡期內混凝土表面必須進行表面保護。

3.3.4  采用信息化的溫度監控系統

  溫控系統采用同濟大學研制的“大體積混凝土溫度監測系統”。該系統運用全數字方式對大體積混凝土水化熱過程中溫度變化狀況進行監測, 掌握混凝土的溫差波動情況, 以指導保溫措施。一旦混凝土溫差超限, 該系統將及時提供圖形、聲音等報警方式, 提醒工作人員及時采取相應的保溫措施。測溫單元采用L TM - 8003 智能溫度采集模塊, 一個模塊有8條測試電纜接口, 每條電纜可接64 個測溫點,單個元件的損壞不會影響線纜上其它測溫元件的信息。

  溫控目標設定為: 混凝土內外溫差小于25 ℃; 平均降溫速率小于2.5 ℃/ d。當內外溫差超過23 ℃時, 為系統報警值, 提醒現場及時調整表面覆蓋層厚度。

  綜上所述, 大體積混凝土筏板的設計和施工工藝要求很高, 需要考慮各種環境、材料、施工措施等方面的因素, 還需設計、施工、監理等單位密切合作、精心策劃、細致管理, 才能保證工程質量。

參考文獻:

  [ 1 ]  王鐵夢. 工程結構裂縫控制[M]. 北京:中國建筑工業出版社,1997.

  [2 ]  彭立海,等. 大體積混凝土溫控與防裂[M]. 鄭州:黃河水利出版社,2005.

  [ 3 ]  朱伯芳. 大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M]. 北京:中國電力出版社,1999.

 
 
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