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摘 要:混凝土结构在建设和使用过程中出现不同程度、不同形式的裂缝,这是一个相当普遍的现象。大体积混凝土结构出现裂缝更普遍。在全国调查的高层建筑地下结构中,底板出现裂缝的现象占调查总数的20%左右,地下室的外墙混凝土出现裂缝的现象占调查总数的80%左右。
关键词:大体积;混凝土;结构;裂缝控制;综合措施
1、大体积混凝土结构裂缝的一般概念及产生原因
混凝土结构在建设和使用过程中出现不同程度、不同形式的裂缝,这是一个相当普遍的现象。大体积混凝土结构出现裂缝的现象更普遍。在全国的高层建筑地下结构调查中,底板出现裂缝的现象占调查总数的20%左右,地下室的外墙混凝土出现裂缝的现象占调查总数的80%左右。所以,混凝土结构的裂缝是建筑工程长期困扰的一个技术难题,一直未能很好地解决。在大体积混凝土工程施上中,由于水泥水化热引起混凝土内部温度和温度应力剧烈变化,从而导致混凝土发生裂缝。因此,控制混凝土浇筑块体因水化热引起的温升、混凝土浇筑块体的内外温差及降温速度,防止混凝土出现有害的温度裂缝(包括混凝土收缩)是其施工技术的关键问题。我国的工程技术人员在科学实验的基础上,以防为主,采用了温控施工技术,在大体积混凝土结构的设计、混凝土材料的选择、配合比设计、拌制、运输、浇筑、保温养护及施工过程中混凝土浇筑内部温度和温度应力的监测等环节,采取了一系列的技术措施,成功地完成了我国许多工业民用建筑、高层建筑及水工结构物的大体积混凝土工程的施工,取得了丰富的经验。
2、裂缝控制的措施
为了防止大体积混凝土结构物裂缝的出现,通过修改完善设计、优化原材料、合理设计配合比、强化施工技术和管理、外加纤维等措施,较好地解决了大体积混凝土裂缝控制问题。
2.1、设计措施
(1).大体积混凝土的强度等级宜在C20～C35范围内选用。随着高层和超高层建筑物不断出现,桥梁和水工建筑物建设的日益增多,大体积混凝土的强度等级日趋增高,出现C40～C55等高强混凝土,设计强度高,水泥用量大,必然造成混凝土水化热增高,混凝土块体内部温度升高,混凝土内外温差超过30℃以上,温度应力容易超过混凝土的抗拉强度,从而产生开裂。竖向受力结构可以用高强混凝土减小截面,但对于大体积混凝土底板应在满足抗弯及抗冲切计算要求下,避免设计上“强度越高越好”的错误概念,尽量采用C20～C35的混凝土。考虑到建设周期长的特点,在保证基础有足够强度、满足使用要求的前提下,充分利用混凝土60d或90d的后期强度,以减少混凝土中的水泥用量,从而降低混凝土浇筑块体的温度升高值。
(2).大体积混凝土基础除应满足承载力和构造要求外,还应增配承受因水泥水化热引起的温度应力产生的裂缝及控制裂缝开展的钢筋,以构造钢筋来限制裂缝的出现及发展,配筋应尽可能采用小直径、小间距。采用直径8～14mm的钢筋和100～150mm的间距是比较合理的。平截面的配筋率不小于0.3%,应在0.3%～0.5%之间。
(3).避免结构突变(或断面突变)产生应力集中,在结构物的转角和孔洞等应力变化处增设构造加强钢筋。
(4).当基础设置于岩石地基上时,宜住混凝土垫层上设置滑动层,消除地基的嵌固作用,释放约束应力。
(5).大块式基础及其他筏式、箱式基础不应设置永久变形缝(沉降缝、温度伸缩缝)及纵向施工缝。可采用“后浇带”和“跳仓打”来控制施工期间的较大温差及收缩应力。
2.2、材料措施
(1).为了减少水泥用量,降低混凝土浇筑块体的温度升高。经设计单位同意,可利用混凝土60d后期强度作为混凝土强度评定、工程交工验收及混凝土配合比设计的依据。
(2).采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值,可以使混凝土浇筑后的内外温差和降温速度控制的难度降低,也可降低保温养护的费用,这是大体积混凝土配合比选择的特殊性。水泥用量最好不超过380kg/m3。
(3).应优先采用水化热低的矿渣水泥配制大体积混凝土。所用的水泥应进行水化热测定,水泥水化热测定按现行国家标准《水泥水化热试验方法(直接法)》测定,要求配制混凝土所用水泥7d的水化热不大于250KJ/kg。
(4).采用颗粒级配的石子和中、粗砂,控制含泥量小于1.5%。
(5).掺合料及外加剂的使用。国内当前用的掺合料主要是粉煤灰,可以提高混凝土的和易性.大大改善混凝土工作性能和可靠性,同时可代替水泥,降低水化热。掺加量为水泥用量的15%,降低水化热15%左右。外加剂主要指减水剂、缓凝剂和膨胀剂。混凝土中掺入水泥重量0.25%的木钙减水剂,不仅使混凝土工作性能有了明显的改善,同时又减少10%拌和用水,节约10%左右的水泥,从而降低了水化热。一般泵送混凝土为了延缓凝结时间,要加缓凝剂,反之凝结时间过早,将影响混凝土浇筑面的粘结,易出现层间缝隙,使混凝土防水、抗裂和整体强度下降。为了防止混凝土的初始裂缝,宜加膨胀剂。
(6).外加聚丙烯纤维。在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维,由于其在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系,从而产生一种有效的二级加强效果,它的乱向分布形式削弱了混凝土的塑性收缩,收缩的能量被分散到无数的纤维丝上,从而有效地增强了混凝土的韧性,减少混凝土初凝时收缩引起的裂纹和裂缝。
2.3、裂缝控制的施工措施
(1).大体积混凝土工程施工前,应对施工阶段大体积混凝土浇筑块体的温度、温度应力及收缩力进行验算,确定施工阶段大体积混凝土浇筑块体的升温峰值、内外温差(不超过25℃,《上海地区深基础施工指南》规定不超过30℃。实际操作时,严者为25℃,松者为30℃)及降温速度(不超过1.5℃/d)的控制指标,制订温控施工的技术措施。
(2).混凝土的浇筑方法可用分层连续浇筑或推移式连续浇筑,不得留施工缝,并应符合下列规定:①混凝土的摊铺厚度应根据所用振捣器的作用深度及混凝土的和易性确定,当采用泵送混凝土时,混凝土的摊铺厚度不大于600mm;当采用非泵送混凝土时,混凝土的摊铺厚度不大于400mm。②分层连续浇筑或推移式连续浇筑,其层间的间隔时间应尽量缩短,必须在前层混凝土初凝之前,将其次层混凝土浇筑完毕。层间最长的时间间隔不大于混凝土的初凝时间。当层间间隔时间超过混凝土的初凝时间。层面应按施工缝处理。
(3).大体积混凝土施工采取分层浇筑混凝土时,水平施工缝的处理应符合下列规定:1)清除浇筑表面的浮浆、软弱混凝土层及松动的石子,并均匀露出粗骨料;2)在上层混凝土浇筑前,应用压力水冲洗混凝土表面的污物,充分湿润,但不得有水;3)对非泵送及低流动度混凝土,在浇筑上层混凝土时,应采取接浆措施。
(4).混凝土的拌制、运输必须满足连续浇筑施工以及尽量降低混凝土出罐温度等方面的要求,并应符合下列规定:1)当炎热季节浇筑大体积混凝土时,混凝土搅拌场站宜对砂、石骨料采取遮阳、降温措施;2)当采用泵送混凝土施工时,混凝土的运输宜采用混凝土搅拌运输车,混凝土搅拌运输车的数量应满足混凝土连续浇筑的要求。
(5).在混凝土浇筑过程中,应及时清除混凝土表面的泌水和保证足够振捣。泵送混凝土的水灰比一般较大(在满足泵送工艺要求条件下,尽可能降低水灰比),泌水现象也较严重,不及时清除,将会降低结构混凝土的质量。振捣持续时间以混凝土表面呈水平并出现水泥浆和不再出现气泡、不再显着沉落为止,以确保振捣质量。
(6).混凝土浇筑完毕后,应及时按温控技术措施的要求进行保温养护,并应符合下列规定:1)保温养护措施,应使混凝土浇筑块体的里外温差及降温速度满足温控指标的要求;2)保温养护的持续时间,应根据温度应力(包括混凝土收缩产生的应力)加以控制、确定,但不得少于15d,保温覆盖层的拆除应分层逐步进行;3)在保温养护过程中,应保持混凝土表面的湿润。 保温养护是大体积混凝土施工的关键环节,其目的主要是降低大体积混凝土浇筑块体的内外温差值以降低混凝土块体的自约束应力;其次是降低大体积混凝土浇筑块体的降温速度,充分利用混凝土的抗拉强度,以提高混凝土块体承受外约束应力的抗裂能力,达到防止或控制温度裂缝的目的。同时,在养护过程中保持良好的湿度和抗风条件,使混凝土在良好的环境下养护。施工人员需根据事先确定的温控指标的要求,来确定大体积混凝土浇筑后的养护措施。
(7).塑料薄膜、土工织物、草袋可作为保温材料覆盖混凝土和模板,在寒冷季节可搭设挡风保温棚。覆盖层的厚度应根据温控指标的要求计算。
(8).对标高位于±0.00以下的部位,应及时回填土;±0.00以上的部位应及时加以覆盖,不宜长期暴露在风吹日晒的环境中。
(9).在大体积混凝土拆模后,应采取预防寒潮袭击、突然降温和剧烈干燥等措施。
2.4、大体积混凝土的温控施工现场监测工作
(1).大体积混凝土的温控施工中,除应进行水泥水化热的测定外,在混凝土浇筑过程中还应进行混凝土浇筑温度的监测,在养护过程中应进行混凝土浇筑块体升降温、内外温差、降温速度及环境温度等监测。监测的规模可根据所施工工程的重要性和施工经验确定,测温的方法可采用先进的测温方法,如有经验也可采用简易测温方法。这些监测结果能及时反馈现场大体积混凝土浇筑块内温度变化的实际情况,以及所采用的施工技术措施的效果。为工程技术人员及时采取温控对策提供科学依据。
(2).混凝土的浇筑温度系指混凝土振捣后,位于混凝土上表面以下50～lOOmm深处的温度。混凝土浇筑温度的测试每工作班(8h)应不少于2次。 大体积混凝土浇筑块体内外温差、降温速度及环境温度的测试,每昼夜应不少于2次。
(3).大体积混凝土浇筑块体温度监测点的布置,以能真实反映出混凝土块体的内外温差、降温速度及环境温度为原则,一般可按下列方式布置:①温度监测(下转第78页)(上接第76页)的布置范围以所选混凝土浇筑块体平面图对称轴线的半条轴线为测温区(对长方体可取较短的对称轴线),在测温区内温度测点呈平面布置;②在测温区内,温度监测的位置可根据混凝土浇筑块体内温度场的分布情况及温控的要求确定;③在基础平面半条对称轴线上,温度监测点的点位不宜少于4处;④沿混凝土浇筑块体厚度方向,每一点位的测点数量,不宜少于5点;⑤保温养护效果及环境温度监测点数量应根据具体需要确定;⑥混凝土浇筑块体底表面的温度,应以混凝土浇筑块体底表面以上50dm处的温度为准;⑦混凝土浇筑块体的外表温度,应以混凝土外表以内50dm处温度为准。
(4).测温元件的选择应符合下列规定:测温元件的测温误差应不大于O.3℃;测温元件安装前,必须在浸水24h后,按上述的要求进行筛选。
(5).监测仪表的选择应符合下列规定:温度记录的误差应不大于±l℃;测温仪表的性能和质量应保证施工阶段测试的要求。
(6).测温元件的安装及保护应符合下列规定:1)测温元件安装位置应准确,固定牢固,并与结构钢筋及固定架金属体绝热;2)测温元件的引出线应集中布置,并加以保护;3)混凝土浇筑过程中,下料时不得直接冲击测温元件及其引出线,振捣时,振捣器不得触及测温元件及其引出线。
关键词:大体积;混凝土;结构;裂缝控制;综合措施
1、大体积混凝土结构裂缝的一般概念及产生原因
混凝土结构在建设和使用过程中出现不同程度、不同形式的裂缝,这是一个相当普遍的现象。大体积混凝土结构出现裂缝的现象更普遍。在全国的高层建筑地下结构调查中,底板出现裂缝的现象占调查总数的20%左右,地下室的外墙混凝土出现裂缝的现象占调查总数的80%左右。所以,混凝土结构的裂缝是建筑工程长期困扰的一个技术难题,一直未能很好地解决。在大体积混凝土工程施上中,由于水泥水化热引起混凝土内部温度和温度应力剧烈变化,从而导致混凝土发生裂缝。因此,控制混凝土浇筑块体因水化热引起的温升、混凝土浇筑块体的内外温差及降温速度,防止混凝土出现有害的温度裂缝(包括混凝土收缩)是其施工技术的关键问题。我国的工程技术人员在科学实验的基础上,以防为主,采用了温控施工技术,在大体积混凝土结构的设计、混凝土材料的选择、配合比设计、拌制、运输、浇筑、保温养护及施工过程中混凝土浇筑内部温度和温度应力的监测等环节,采取了一系列的技术措施,成功地完成了我国许多工业民用建筑、高层建筑及水工结构物的大体积混凝土工程的施工,取得了丰富的经验。
2、裂缝控制的措施
为了防止大体积混凝土结构物裂缝的出现,通过修改完善设计、优化原材料、合理设计配合比、强化施工技术和管理、外加纤维等措施,较好地解决了大体积混凝土裂缝控制问题。
2.1、设计措施
(1).大体积混凝土的强度等级宜在C20～C35范围内选用。随着高层和超高层建筑物不断出现,桥梁和水工建筑物建设的日益增多,大体积混凝土的强度等级日趋增高,出现C40～C55等高强混凝土,设计强度高,水泥用量大,必然造成混凝土水化热增高,混凝土块体内部温度升高,混凝土内外温差超过30℃以上,温度应力容易超过混凝土的抗拉强度,从而产生开裂。竖向受力结构可以用高强混凝土减小截面,但对于大体积混凝土底板应在满足抗弯及抗冲切计算要求下,避免设计上“强度越高越好”的错误概念,尽量采用C20～C35的混凝土。考虑到建设周期长的特点,在保证基础有足够强度、满足使用要求的前提下,充分利用混凝土60d或90d的后期强度,以减少混凝土中的水泥用量,从而降低混凝土浇筑块体的温度升高值。
(2).大体积混凝土基础除应满足承载力和构造要求外,还应增配承受因水泥水化热引起的温度应力产生的裂缝及控制裂缝开展的钢筋,以构造钢筋来限制裂缝的出现及发展,配筋应尽可能采用小直径、小间距。采用直径8～14mm的钢筋和100～150mm的间距是比较合理的。平截面的配筋率不小于0.3%,应在0.3%～0.5%之间。
(3).避免结构突变(或断面突变)产生应力集中,在结构物的转角和孔洞等应力变化处增设构造加强钢筋。
(4).当基础设置于岩石地基上时,宜住混凝土垫层上设置滑动层,消除地基的嵌固作用,释放约束应力。
(5).大块式基础及其他筏式、箱式基础不应设置永久变形缝(沉降缝、温度伸缩缝)及纵向施工缝。可采用“后浇带”和“跳仓打”来控制施工期间的较大温差及收缩应力。
2.2、材料措施
(1).为了减少水泥用量,降低混凝土浇筑块体的温度升高。经设计单位同意,可利用混凝土60d后期强度作为混凝土强度评定、工程交工验收及混凝土配合比设计的依据。
(2).采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值,可以使混凝土浇筑后的内外温差和降温速度控制的难度降低,也可降低保温养护的费用,这是大体积混凝土配合比选择的特殊性。水泥用量最好不超过380kg/m3。
(3).应优先采用水化热低的矿渣水泥配制大体积混凝土。所用的水泥应进行水化热测定,水泥水化热测定按现行国家标准《水泥水化热试验方法(直接法)》测定,要求配制混凝土所用水泥7d的水化热不大于250KJ/kg。
(4).采用颗粒级配的石子和中、粗砂,控制含泥量小于1.5%。
(5).掺合料及外加剂的使用。国内当前用的掺合料主要是粉煤灰,可以提高混凝土的和易性.大大改善混凝土工作性能和可靠性,同时可代替水泥,降低水化热。掺加量为水泥用量的15%,降低水化热15%左右。外加剂主要指减水剂、缓凝剂和膨胀剂。混凝土中掺入水泥重量0.25%的木钙减水剂,不仅使混凝土工作性能有了明显的改善,同时又减少10%拌和用水,节约10%左右的水泥,从而降低了水化热。一般泵送混凝土为了延缓凝结时间,要加缓凝剂,反之凝结时间过早,将影响混凝土浇筑面的粘结,易出现层间缝隙,使混凝土防水、抗裂和整体强度下降。为了防止混凝土的初始裂缝,宜加膨胀剂。
(6).外加聚丙烯纤维。在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维,由于其在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系,从而产生一种有效的二级加强效果,它的乱向分布形式削弱了混凝土的塑性收缩,收缩的能量被分散到无数的纤维丝上,从而有效地增强了混凝土的韧性,减少混凝土初凝时收缩引起的裂纹和裂缝。
2.3、裂缝控制的施工措施
(1).大体积混凝土工程施工前,应对施工阶段大体积混凝土浇筑块体的温度、温度应力及收缩力进行验算,确定施工阶段大体积混凝土浇筑块体的升温峰值、内外温差(不超过25℃,《上海地区深基础施工指南》规定不超过30℃。实际操作时,严者为25℃,松者为30℃)及降温速度(不超过1.5℃/d)的控制指标,制订温控施工的技术措施。
(2).混凝土的浇筑方法可用分层连续浇筑或推移式连续浇筑,不得留施工缝,并应符合下列规定:①混凝土的摊铺厚度应根据所用振捣器的作用深度及混凝土的和易性确定,当采用泵送混凝土时,混凝土的摊铺厚度不大于600mm;当采用非泵送混凝土时,混凝土的摊铺厚度不大于400mm。②分层连续浇筑或推移式连续浇筑,其层间的间隔时间应尽量缩短,必须在前层混凝土初凝之前,将其次层混凝土浇筑完毕。层间最长的时间间隔不大于混凝土的初凝时间。当层间间隔时间超过混凝土的初凝时间。层面应按施工缝处理。
(3).大体积混凝土施工采取分层浇筑混凝土时,水平施工缝的处理应符合下列规定:1)清除浇筑表面的浮浆、软弱混凝土层及松动的石子,并均匀露出粗骨料;2)在上层混凝土浇筑前,应用压力水冲洗混凝土表面的污物,充分湿润,但不得有水;3)对非泵送及低流动度混凝土,在浇筑上层混凝土时,应采取接浆措施。
(4).混凝土的拌制、运输必须满足连续浇筑施工以及尽量降低混凝土出罐温度等方面的要求,并应符合下列规定:1)当炎热季节浇筑大体积混凝土时,混凝土搅拌场站宜对砂、石骨料采取遮阳、降温措施;2)当采用泵送混凝土施工时,混凝土的运输宜采用混凝土搅拌运输车,混凝土搅拌运输车的数量应满足混凝土连续浇筑的要求。
(5).在混凝土浇筑过程中,应及时清除混凝土表面的泌水和保证足够振捣。泵送混凝土的水灰比一般较大(在满足泵送工艺要求条件下,尽可能降低水灰比),泌水现象也较严重,不及时清除,将会降低结构混凝土的质量。振捣持续时间以混凝土表面呈水平并出现水泥浆和不再出现气泡、不再显着沉落为止,以确保振捣质量。
(6).混凝土浇筑完毕后,应及时按温控技术措施的要求进行保温养护,并应符合下列规定:1)保温养护措施,应使混凝土浇筑块体的里外温差及降温速度满足温控指标的要求;2)保温养护的持续时间,应根据温度应力(包括混凝土收缩产生的应力)加以控制、确定,但不得少于15d,保温覆盖层的拆除应分层逐步进行;3)在保温养护过程中,应保持混凝土表面的湿润。 保温养护是大体积混凝土施工的关键环节,其目的主要是降低大体积混凝土浇筑块体的内外温差值以降低混凝土块体的自约束应力;其次是降低大体积混凝土浇筑块体的降温速度,充分利用混凝土的抗拉强度,以提高混凝土块体承受外约束应力的抗裂能力,达到防止或控制温度裂缝的目的。同时,在养护过程中保持良好的湿度和抗风条件,使混凝土在良好的环境下养护。施工人员需根据事先确定的温控指标的要求,来确定大体积混凝土浇筑后的养护措施。
(7).塑料薄膜、土工织物、草袋可作为保温材料覆盖混凝土和模板,在寒冷季节可搭设挡风保温棚。覆盖层的厚度应根据温控指标的要求计算。
(8).对标高位于±0.00以下的部位,应及时回填土;±0.00以上的部位应及时加以覆盖,不宜长期暴露在风吹日晒的环境中。
(9).在大体积混凝土拆模后,应采取预防寒潮袭击、突然降温和剧烈干燥等措施。
2.4、大体积混凝土的温控施工现场监测工作
(1).大体积混凝土的温控施工中,除应进行水泥水化热的测定外,在混凝土浇筑过程中还应进行混凝土浇筑温度的监测,在养护过程中应进行混凝土浇筑块体升降温、内外温差、降温速度及环境温度等监测。监测的规模可根据所施工工程的重要性和施工经验确定,测温的方法可采用先进的测温方法,如有经验也可采用简易测温方法。这些监测结果能及时反馈现场大体积混凝土浇筑块内温度变化的实际情况,以及所采用的施工技术措施的效果。为工程技术人员及时采取温控对策提供科学依据。
(2).混凝土的浇筑温度系指混凝土振捣后,位于混凝土上表面以下50～lOOmm深处的温度。混凝土浇筑温度的测试每工作班(8h)应不少于2次。 大体积混凝土浇筑块体内外温差、降温速度及环境温度的测试,每昼夜应不少于2次。
(3).大体积混凝土浇筑块体温度监测点的布置,以能真实反映出混凝土块体的内外温差、降温速度及环境温度为原则,一般可按下列方式布置:①温度监测(下转第78页)(上接第76页)的布置范围以所选混凝土浇筑块体平面图对称轴线的半条轴线为测温区(对长方体可取较短的对称轴线),在测温区内温度测点呈平面布置;②在测温区内,温度监测的位置可根据混凝土浇筑块体内温度场的分布情况及温控的要求确定;③在基础平面半条对称轴线上,温度监测点的点位不宜少于4处;④沿混凝土浇筑块体厚度方向,每一点位的测点数量,不宜少于5点;⑤保温养护效果及环境温度监测点数量应根据具体需要确定;⑥混凝土浇筑块体底表面的温度,应以混凝土浇筑块体底表面以上50dm处的温度为准;⑦混凝土浇筑块体的外表温度,应以混凝土外表以内50dm处温度为准。
(4).测温元件的选择应符合下列规定:测温元件的测温误差应不大于O.3℃;测温元件安装前,必须在浸水24h后,按上述的要求进行筛选。
(5).监测仪表的选择应符合下列规定:温度记录的误差应不大于±l℃;测温仪表的性能和质量应保证施工阶段测试的要求。
(6).测温元件的安装及保护应符合下列规定:1)测温元件安装位置应准确,固定牢固,并与结构钢筋及固定架金属体绝热;2)测温元件的引出线应集中布置,并加以保护;3)混凝土浇筑过程中,下料时不得直接冲击测温元件及其引出线,振捣时,振捣器不得触及测温元件及其引出线。