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关于大体积混凝土的施工技术 (吴敬虎)

添加日期:2014/6/19 15:20:40   作 者:  来源:   浏览次数:
                                                           关于大体积混凝土的施工技术
                                                                                        吴敬虎
                                                                              混凝土技术服务组
      
摘要:
 
本文介绍了建筑大体积砼的特点及对大体积砼工程的研究中所取得的成就,简明了大体积砼结构裂缝产生的原因,并以材料、施工、设计和维护四个方面进行综合解决,并提出了预防和减少砼裂缝的一般方法和施工中所要注意的几个问题。
 
关键词:大体积砼;裂缝;预防;控制
 
一、建筑工程大体积混凝土的特性
 
我国《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009里规定:混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土,或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土,称之为大体积混凝土。日本建筑学会标准(JASS5)规定:“结构断面最小厚度在80㎝以上,同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土,称为大体积混凝土”。美国混凝土学会(ACI)规定:“任何就地浇筑的大体积混凝土,其尺寸之大,必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题,以最大限度减少开裂”。
近十几年来,由于高层建筑的发展,其基础多采用了箱基、筏基等大体积混凝土,具有以下几个特点:
(1)混凝土设计强度较高,单方水泥用量较多,水化热引起的混凝土内部温度较一般混凝土要大的多;
(2)结构断面内配筋较多,整体性要求较高;
(3)基础结构大多埋置地下,虽然受外界温度变化的影响较小,但要求抗渗性能较高。
因此,如何控制混凝土的内外温差和温度变形而造成的裂缝,提高混凝土的抗渗、抗裂和抗侵蚀性能,是建筑工程大体积混凝土施工中的一个关键问题。
对大体积混凝土的温度控制,目前国内尚无正式规定,过去曾提出内外温差应控制在20℃以内,近年来南方一些地区规定控制在25℃以内。宝钢工程的大体积混凝土施工,温度控制在30℃以内。从国内的施工实践来看:混凝土的温升和温差与表面系数有关,单面散热的结构断面最小厚度在75㎝以上,双面散热在100㎝以上,水化热引起的混凝土内外最高温差预计超过25℃的混凝土结构,可按大体积混凝土施工。
80年代以来,在全国一些大城市相继建造了一批高层建筑和高耸构筑物。这些建筑物的基础,都采用了大体积混凝土,通过这些工程的实践,促进了大体积混凝土施工技术的发展。
    对大体积混凝土工程的研究,取得不少成就,主要是:
(1)在设计上,为改善大体积混凝土的内外约束条件以及结构薄弱环节的补强,提出了行之有效的措施。
(2)在施工技术上,从选料、配合比设计、施工方法、施工季节的选定和测温养护等,采取一些综合性的措施,有效地克服了大体积混凝土的裂缝。
(3)在施工组织管理上,为了解决大体积混凝土一次浇筑量大的问题,在精心组织、协调指挥下采用了集中搅拌、罐车运输、泵送混凝土等技术。
 
二、大体积混凝土的施工
 
材料要求
1.水泥
(1)在满足强度和耐久性等要求的前提下,宜选用低热或中热的矿渣水泥、火山灰水泥(发热量270--290kJ/kg)、严禁使用安定性不合格的水泥。
(2)由于大体积混凝土工程量大,水泥用量多,水泥供应难以做到按施工要求的品种标号一次进场,因此要加强水泥进场的检验和试配工作。
2.骨料
(1)粗骨料:碎石和卵石均可,并采取连续级配或合理的掺配比例。其最大粒径不得大于钢筋最小间距的3/4。当采用泵送混凝土时,为了提高混凝土的可泵性和控制增加水泥用量,可参照表1选用。骨料中不得含有有机杂质,其含泥量应≤1%。
表1 泵送大体积混凝土粗骨料最大粒径
(2)细骨料:宜选用粗砂或中砂,含泥量应≤3%。当采用泵送混凝土时,其细度模数以2.6~2.8为宜。控制细砂以0.3㎜筛孔的通过率为15~30%;0.15㎜筛孔的通过率为5~10%。
(3)粉煤灰:为了减少水泥用量,可掺入水泥用量10%的粉煤灰取代水泥。粉煤灰应符合《技术条件103—56》的要求,其烧失量应<15%,SO3应<3%,SiO2应>40%,并应对水泥无不良反应。
(4)外加剂:为了满足和易性和减缓水泥早期水化热发热量的要求,宜在混凝土中掺入适量的缓凝型减水剂。
 
配合比设计
1. 基本要求
(1)设计配合比时尽量利用混凝土60天或90天的后期强度,以满足减少水泥用量的要求。但必须征得设计单位的同意和满足施工荷载的要求。
(2)混凝土配合比,应根据使用的材料通过试配确定。一般要求水泥用量宜控制在260~300
kg/m3;水灰比应≤0.6;砂率应控制在0.33~0.37(泵送时宜为0.4~0.45)。坍落度应根据配合比要求严加控制,当采用商品混凝土泵送时,坍落度的增加应通过调整砂率和掺用减水剂或高效减水剂解决,严禁在现场随意加水以增大坍落度,并应控制在10~14㎝为宜。
2. 设计步骤
按现行《混凝土结构工程施工及验收规范》执行。
 
施工准备工作
大体积混凝土施工前的准备工作,除按一般混凝土施工前必须进行的物质准备、机具准备、技术准备和现场准备外,应根据其施工的特殊性,做好附属材料和辅助设备的准备工作,如冰、冰水箱(池)、真空吸水设备、水泵、测温设备等。尤其要做好施工方案的编制工作。其编制的原则和主要内容如下:
1.编制的原则
(1)在保证结构整体性的原则下,采用分层分块浇筑时,尽量减少浇筑块在硬化过程中的内外约束,分层的时间间隔做到既有利于散热,又考虑到底层对上层的约束。
(2)控制内外温差,加强养护,防止产生贯通裂缝和其它有害裂缝。
2. 编制的主要内容
(1)根据减少约束的要求,确定分层分块的尺寸及层间、块间的结合措施。
(2)通过热工计算,确定混凝土入模温度以及对材料加热或降温的措施。
(3)确定混凝土搅拌,运输和浇筑的方案。
(4)制订混凝土的保温方案。
(5)明确对混凝土的测温方案。
(6)有关保证工程质量、方案。
 
施工工艺
(1)大体积混凝土的施工,一般宜在低温条件下进行,即最高气温≤30℃时为宜。气温大于30℃时,应周密分析和计算温度(包括收缩)应力,并采取相应的降低温差和减少温度应力的措施。
(2)混凝土的配制,应严格掌握各种原材料的配合比,其重量允许误差为:水泥、外掺合料±2%;粗、细骨料±3%;水、外加剂溶液±2%。混凝土的搅拌时间,自全部拌合料装入搅拌筒内起到卸料止,一般应不少于1.5~2min。雨季施工期间,应勤测粗细骨料的含水量,并随时调整用水量和粗细骨料用量。
(3)搅拌后的混凝土,应及时运至浇筑地点,入模浇筑。在运送过程中,要防止混凝土离析、灰浆流失、坍落度变化等现象,如发生离析现象,必须进行人工二次拌合后方可入模。
(4)混凝土浇筑要点如下:
1)大体积混凝土的浇筑,应根据整体连续浇筑的要求,结合结构尺寸的大小、钢筋疏密、混凝土供应条件等具体情况,选用以下三种方法:
① 全面分层:即将整个结构浇筑层分为数层浇筑,当已浇筑的下层混凝土尚未凝结时,即开始浇筑第二层,如此逐层进行,直至浇筑完成。这种方法适用于结构平面尺寸不太大的工程。一般长方形底板宜从短边开始,沿长边推进浇筑;亦可从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。
②分段(块)分层:适用于厚度较薄而面积或长度较大的工程。施工时从底层一端开始浇筑混凝土,进行到一定距离后浇筑第二层,如此依次向前浇筑其它各层。
③斜面分层:适用于结构的长度超过厚度三倍的工程,振捣工作应从浇筑层的底层开始,逐渐上移,以保证分层混凝土之间的施工质量。
2)当基础底板厚度超过1.3m时,应采取分层浇筑。分层厚度宜为0.6~1.0m。对于大块底板,在平面上应分成若干块施工,以减少收缩和温度应力,有利于控制裂缝,一般分块最大尺寸宜为30m左右。
3)为了减少大体积混凝土底板的内外约束,浇筑前宜在基层设置滑移层。为了减少分块间后浇缝处钢筋的连接约束,应将钢筋的连接设置在后浇缝处。
设置滑移层可采取以下做法:
①在基层设置沥青油毡层或其它类似做法;
②利用防水层上的保护层在其早期强度较低时,浇筑底板大体积混凝土;
③在岩基等基层上铺设250㎜厚级配砂石层,作为缓冲层。
4)分层浇筑时,上层钢筋的绑扎应在下层混凝土经一定养护其强度达到1.2N/㎜2,混凝土表面温度与混凝土浇筑后达到稳定时的室外温度之在25℃以下时(即Tb-Tq≤25℃)进行。
5)为了加强分层浇筑层间的结合,可以采取在下层混凝土表面设置键槽的办法。键槽可用100×100㎜的木方每隔1m左右留设。
6)分层浇筑间隔的时间,应以混凝土表面温度降至大气平均温度为好,即水化热温峰值以后,一般为3~5天,因此间隔时间以大于5天为宜。
7)暑期施工时,必须采取有效措施降低混凝土内部的实际温度(Tmax):
①降低混凝土入模浇筑温度:如拌和水中掺入冰块、使用冷却水作拌合用水、砂石采取遮阳措施和喷冷水降温等;
拌砼水用冰量可按下式(使用3m3水箱,每台搅拌可按用水量为1m3/h,混凝土浇筑温度Ti=30℃,要求拌合水降至5℃)计算:
P=7.5+1.125(tw-10)
式中 P:拌用率,占拌合水的百分率(%);
tw:降温前水温(℃)。
②骨料中掺入适量毛石;
③掺入适量的粉煤灰。
8)为了防止混凝土发生离析,当混凝土的自由倾落高度超过2m时,应采用串筒、溜槽下落。串筒和漏斗的布置应根据浇筑面积、浇筑速度和铺平混凝土的能力确定,一般其间距不得大于3m。
9)混凝土应采用机械振捣。振捣棒的操作,要做到“快插慢拔”,在振捣过程中,宜将振动棒上下略有抽动,以使一下振动均匀。每点振捣时间一般以20~30s为宜,但还应视混凝土表面呈水平不再显著下沉、不再出现气泡、表面泛出灰浆为准。分层浇筑时,振捣棒应插入下层5㎝左右,以消除两层之间的接缝。振捣时要防止振动模板,并应尽量避免碰撞钢筋、管道、预埋件等。每振捣完一段,应随即用铁锹摊平拍实。
10)混凝土养护的时间和方法为:
①养护时间:为了保证新浇筑的混凝土有适宜的硬化条件,防止在早期由于干缩而产生裂缝,大体积混凝土浇筑完毕后,应在12h内加以覆盖和浇水。具体要求是:普通硅酸盐水泥拌制的混凝土不得少于14天;矿渣水泥,火山灰质水泥、大坝水泥、矿渣大坝水泥拌制的混凝土不得少于21天。
②养护方法:大体积混凝土养护方法,分降温法和保温法两种。降温法,即在混凝土浇筑成型后,用蓄水、洒水或喷水养护;保温法是在混凝土成型后,使用保温材料覆盖养护(如塑料薄膜、草袋等)及薄膜养生液养护,可视具体条件选用。
夏季施工时,砼一般可使用草袋覆盖、洒水、喷水养护或喷刷养生液养护。
冬期施工时,由于环境气温较低,一般可利用保温材料以提高浇筑的混凝土表面和四周温度,减少混凝土的内外温差。另外亦可使用薄膜养生液、塑料薄膜等封闭料,来封闭混凝土中多余拌合水,以实现混凝土的自养护。但应选用低温下成膜性能好的养生液。养生液要求涂刷均匀,最好能互相垂直地涂刷两道,或用农用喷雾器进行喷涂。
11)混凝土测温:为了掌握大体积混凝土的升温和降温的变化规律以及各种材料在各种条件下的温度影响,需要对混凝土进行温度监测控制。
①测温点的布置
测温点必须有代表性和可比性。沿浇筑的高度,应布置在底部、中部和表面,垂直测点间距一般为500~800㎜;平面则应布置在边缘与中间,平面测点间距一般为2.5~5m。当使用热电偶温度计时,其插入深度可按实际需要和具体情况而定,一般应不小于热电偶外径的6~10倍,则测温点的布置,距边角的表面应大于50㎜。
采用预留测温孔洞方法测温时,一个测温孔只能反映一个点数据。不应采取通过沿孔洞高度变动温度计的方法来测竖孔中不同高度位置的温度。
②测温制度
在混凝土温度上升阶段每2~4h测一次,温度下降阶段每8h测一次,同时应测大气温度。所有测温孔均应编号,进行混凝土内部不同深度和表面温度的测量。测温工作应由经过培训、责任心强的专人进行。测温记录,应交技术负责人阅签,并作为对混凝土施工和质量的控制依据。
③测温工具的选用
为了及时控制混凝土内外两个温差,以及校验计算值与实测值的差别,随时掌握混凝土温度动态,宜采用热电偶或半导体液晶显示温度计。采用热电偶测温时,还应配合普通温度计,以便进行校验。在测温过程中,当发现温度差超过25℃时,应及时加强保温或延缓拆除保温材料,以防止混凝土产生温差应力和裂缝。
 
施工中注意的几个问题
1.泌水和浮浆问题
大体积混凝土施工,由于混凝土采取分层浇筑,上下层施工的间隔时间较长(一般为1.5~3h,即控制在凝结前),因此各浇筑层易产生泌水层,采用泵送混凝土施工时,尤为严重。解决的办法是,可在结构四周侧模的底部开设排水孔,使多余的水分从孔中自然排走,或利用正式设计的集水坑或人为的“水潭”,将多余水分集中后用专门的软轴泵或隔膜泵抽水排出。对于墙体等竖向结构,可用调整配合比和坍落度的办法解决。
2.后浇缝的留置与处理
大体积混凝土施工中,合理的分缝分块,不仅可以减轻约束作用,缩小约束范围;同时也可利用浇筑块的层面进行散热,降低混凝土内部的温度。另外,尚可满足绑扎钢筋、预埋螺栓等工序的操作需要。但接缝的处理必须满足防止渗漏水的要求。后浇缝的设置和处理如设计无规定时,其间距一般为20~30m,缝宽1m,可在后浇缝形成40d后封闭,冬期可适当延长。封闭前,应仔细凿毛,并将钢筋按设计要求连接好,再用比原设计砼强度提高一级补偿收缩混凝土(亦可在普通混凝土中掺入膨胀剂)将缝灌密实。
3.模板工程
大体积混凝土施工时,模板承受着混凝土的侧压力及振捣混凝土的振动力,因此必须保证模板及其支撑体系的可靠性,防止模板产生过大的变形。
对于大体积混凝土的模板,不能完全套用一般常规方法进行配置,而应根据实际受力情况,对模板、立柱、拉杆以及支撑系统的所有构件,都要进行设计计算,争取足够的安全储备。由于大体积混凝土对模板的刚度要求较高,在有条件时,宜优先使用钢模板。采用木模时,浇筑混凝土前应充分湿润,防止木模吸收混凝土表面水分后膨胀变形。
 
三、防止大体积混凝土裂缝的主要措施
 
(1)合理选择混凝土的配合比,尽量选用水化热低和安定性好的水泥,并在满足设计强度要求的前提下,尽可能减少水泥用量,以减少水泥的水化热。从实践经验看,水泥用量控制在450kg/m3是可以防止裂缝出现的。
(2)控制石子、砂子的含泥量不超过1%和3%。
(3)根据施工季节的不同,可分别采用降温法和保温法施工。夏季主要用降温法施工,即在搅拌混凝土时掺入冰水,一般温度可控制在5~10℃,在浇筑混凝土后采用冰水养护降温,但要注意水温和混凝土温度之差不超过20℃,或采用覆盖材料养护。冬季可以采用保温法施工,利用保温模板和保温材料防止冷空气侵袭,以达到减小混凝土内外温差的目的。
(4)采用分层分段法浇筑混凝土。分层振捣密实以使混凝土的水化热能尽快散失。还可采用二次振捣的方法,增加混凝土的密实度,提高抗裂能力,使上下两层混凝土在初凝前结合良好。也可采用在下层混凝土面上预留沟槽,以加强上下层混凝土的连接。
(5)作好测温工作,控制混凝土的内部温度与表面温度,以及表面温度与环境温度之差不超过25℃。
(6)在混凝土中掺加少量磨细的粉煤灰和减水剂,以减少水泥用量。也可掺加缓凝剂,推迟水化热的峰值期。
(7)掺入适量的微膨胀剂或膨胀水泥,使混凝土得到补偿收缩,减少混凝土的温度应力。
(8)改善约束条件。根据工程特点,可以采取某些措施,降低外约束力。例如  在大体积混凝土下设置滑动的垫层,通常作法是在垫层混凝土上,先铺一层低强度水泥砂浆,以降低新旧混凝土之间的约束力。为了防止护坡桩对混凝土的约束力,还可在大体积混凝土四周与护坡桩之间砌筑隔离墙,既作为模板,又减小了大体积混凝土的外约束力。
(9)设置后浇缝。当大体积混凝土平面尺寸过大时,可以适当设置后浇缝,以减小外约束力和温度应力,同时也有利于散热,降低混凝土的内部温度。
(10)当分层浇筑时,为了保证每个浇筑层上下均有温度筋,可建议设计者将温度筋作适当调整。温度筋宜细密,一般用Ø8钢筋,间距15㎝,双向布筋,这样可以增强抵抗温度应力的能力。上层钢筋的绑扎,应力争在浇筑下层混凝土后进行,这样便于混凝土的保温覆盖和保持钢筋的整洁。对于一次绑扎成形的钢筋网架,混凝土下料高度过大时,应采用溜槽或串筒下料,防止混凝土离析。
(11)混凝土中掺加一定数量的毛石。这样可以减少水泥用量,同时毛石还可吸收混凝土中一定的水化热,这是防止大体积混凝土产生裂缝的良好措施。
 
四、结论
 
大体积砼结构裂缝的预防和控制是一门边缘科学,也是一项系统工程,必须以材料、设计、施工和维护四个方面加以综合解决。设计方面,要积极采用先进技术,配合成熟的技术措施,控放兼施,以控为主,在理论上提出可行的控制措施,在实践操作中采用切实可行的技术,在经济上合理节约。材料配置,施工组织方面,要科学组织,合理安排,确保大体积砼的质量,严格按照施工规范,施工操作规程操作,不断改进操作工艺,加强养护,以预防和减少大体积砼裂缝的产生,将工程裂缝损害控制到最小程度。
 
参考文献
 
[1]高层建筑建筑施工手册. 中国建筑出版社.
[2]工程结构裂缝控制.土木工程.
[3]大体积混凝土施工手册.中国建筑工业出版社.

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