大体积钢纤维混凝土裂缝控制施工工法

'大体积钢纤维混凝土裂缝控制施工工法一、前言随着国民经济的发展大型现代化的技术设施或构筑物不断的增多，而大体积混凝土是构成其主体的重要组成部分，大体积混凝土特点：施工构筑物体积厚大，由此带来的问题是水泥水化作用所放出的热量使混凝土内部温度逐渐提升，由此产生的内部热量又不易导出，造成较大的内外温差；加之混凝土的抗拉强度低，弹性模量小，致使混凝土开裂，影响工程质量。因此如何分析鉴定裂缝的产生和发展并有效地进行裂缝的控制处理，对保证混凝土结构的整体性和正常使用有重大意义。    一、工法特点　　基于大体积混凝土裂缝，从混凝土的自身、所处的环境，内外温差和水化热等方面分析原因，并提出了大体积混凝土的内部温升，可视为强化水泥水化硬化，充分利用其活性的能源。因而减少水泥用量，控制温差应力，稳定自身体积，取得较好的技术经济效果。二、工艺原理　　1．从原材料及配合比的选用上使混凝土产生的水化热减少；　　2．解决混凝土浇筑技术和防裂方法；　　3．加强养护，控制混凝土内外温差；4、增加钢纤维材料，更有效控制裂缝产生的机率。三、混凝土裂缝的形成原因分析大体积混凝土墙体和顶板等结构裂缝的发生是由多种原因引起的。各类裂缝产生的主要影响混凝土的自身收缩大部分已经产生，其主要因素如下:(一)收缩裂缝   混凝土的收缩引起收缩裂缝。收缩的主要影响因素是混凝土中的用水量和水泥用量、掺合料。混凝土中的用水量和水泥用量越高，混凝土的收缩就越大。选用水泥品种的不同，干缩、收缩的量也不同。混凝土的逐渐散热和硬化过程引起的收缩，会产生很大的收缩应力，如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土中产生收缩裂缝。  人们对收缩给予很大的关注，但引人关注的并不是收缩本身，而是由于它会引起开裂。混凝土的收缩现象有好几种，比较普通的是干燥收缩和温度收缩。   自身收缩和干缩一样，是由于水的迁移而引起，但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，混凝土体的相对湿度降低，体积减小。水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响正相反，即当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减小，而自身收缩增大。当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自身收缩与干缩相比小得可以忽略不计;但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自身收缩与干缩则接近各占一半。   自身收缩中发生于混凝土拌和后的初龄期。因为在这以后，由于体内的自干燥作用，相对湿度降低，水化就基本上终止了。即在模板拆除之前，混凝土的自身收缩大部分已经产生，甚至已经完成而不像干燥收缩，除了未覆盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都已经发生在拆模以后，因此只要覆盖了表面，混凝土就不发生干缩。  在大体积混凝土里，即使水灰比并不低，自身收缩量值也不大，但是它与温度收缩叠加到一起就要使应力增大。所以在施工时应就将自身收缩作为一项性能指标进行测定和考虑。现今许多断面尺寸虽不很大，且水灰比也不算小的混凝土，已“达到必须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影响”，因而也要像大坝一样，需要考虑将温度收缩和自身收缩叠加的影响，况且在这些结构里，两者的发展速率均要比大坝混凝土快得多，因此也激烈得多。    还有塑性收缩，在水泥活性大、混凝土温度较高，或者水灰比较低的条件下也会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速扩展。所以在上述情况下混凝土浇注后需要及早覆盖。 (二)温差裂缝  混凝土内部和外部的温差过大会产生裂缝。温差裂缝的主要影响因素是水泥水化热引起的混凝土内部和混凝土表面的温差过大。特别是大体积混凝土更易发生此类裂缝。   大体积混凝土结构一般要求一次性整体浇筑。浇筑后，水泥因水化引起水化热，由于混凝土体积大，聚集在内部的水泥水化热不容易散发，混凝土内部温度将显著升高，而混凝土表面则散热较快，形成了较大的温度差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，此时，混凝龄期短，抗拉强度很低。当温差产生的表面抗拉应力超过混凝土极限抗拉强度，则会在混凝土的表面产生裂缝。    大体积混凝土施工，由于混凝土内部与表面散热速率不一样，在其表面形成较大的温度梯度，从而引起较大的表面拉应力。同时，此时混凝土的龄期很短，抗拉强度很低，温差产生的表面拉应力，超过此时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土表面产生表面裂缝。此种裂缝一般产生在混凝土浇筑后的第3天(升温阶段)。混凝土降温阶段，由于逐渐降温而产生收缩，再加上混凝土硬化过程中，由于混凝土内部拌和水的水化和蒸发以及胶质体的胶凝等作用，促使混凝土硬化时收缩。这两种收缩由于受到基底或结构本身的约束，也会产生很大拉应力，直到出现收缩裂缝。 混凝土温度和温度应力计算如下：混凝土温度的计算　   (1)混凝土的绝热温升[1]14：T=W×Q0×(1-e-mt)/cr   式中：T—混凝土的绝热温升(℃)；W—每m3水泥用量，W=530kg；Q0—每千克水泥最终水化热量(J/kg)，28d的累计水化热Q0=460240J/kg；c—混凝土比热容，c=993.7J/(kg·K)；r—混凝土密度，r=2400kg/m3；t—混凝土龄期(d)；m—常数，与水泥品种、浇筑时温度有关。   混凝土最高绝热温升：Tmax=530×460240/(993.7×2400)=102.28℃   (2)混凝土中心温度：Th=Tj+Tmaxζ   式中：Th—混凝土中心温度(℃)；Tj—混凝土浇筑温度(℃)；ζ—不同浇筑混凝土块厚度的温度系数，对1m厚混凝土3d时ζ=0.36。   (3)混凝土浇筑温度：Tj=Tc+（Tp+Tc）×（A1+A2+A3）   式中：TC—混凝土拌合温度(它与各种材料比热容及初温度有关)，按多次测量资料，有日照时拌合温度比当时温度高4～6℃，无日照时拌合温度比当时温度高2～3℃，我们按3℃计；TP—混凝土浇筑时的室外温度，六月中旬，室外平均温度以21℃计；A1+A2+A3—温度损失系数[1]33。其中混凝土装卸时，每次为0.032(装车、出料二次计)，A1 =0.032×2=0.064；混凝土运输时，A2=Qt(Q为6m3滚动式搅拌车每min温升系数0.0042(即-0.0042)，混凝土泵送不计；t为运输时间，以min计算，从商品混凝土公司到工地约30min)；浇筑过程中A3=0.003×60=0.18(每次温度损失系数值取0.003，转运60次)。Tj=Tc+（Tp+Tc）×（A1+A2+A3）=24+（21+24）×（0.064-0.126+0.18）=24+45×0.116=29.31℃  则混凝土内部中心温度：Th=Tj+Tmax×ζ=29.31+102.28×0.36=66.13℃    从温度计算得知，在混凝土浇筑后第三天内部实际温升为66℃，比当时室外温度(21℃)高出45℃，必须采用相应的措施，防止大体积钢筋混凝土板因温差过大产生裂缝。温度应力计算　   计算温度应力的假定：(1)混凝土等级为C50，水泥用量较大，530kg/m3；(2)混凝土配筋率较高，对控制裂缝有利；(3)底模对混凝土的约束可不考虑；(4)几何尺寸不算太大，水化热温升快，散热也快。因此，降温与收缩的共同作用是引起混凝土开裂的主要因素。先验算由温差和混凝土收缩所产生的温度应力σmax是否超过当时厚板的极限抗拉强度Rc。采用公式：σmax=EαT〔1-1/（Lcoshβ/2）〕s式中：E—混凝土各龄期时对应的弹性模量Et=Ec(1-e-0。9t)(e=2.718自然对数的底，t-混凝土龄期(d)，Ec—混凝土28d时C50的弹性模量，Et=3.5×105Mpa[1]26)；a—混凝土的线膨胀系数1.0×10-5；L—结构长度，本工程厚板长度L=44m；T—结构计算温度：该厚板最大绝热温升Tmax=102.26℃，实际温升最高在混凝土浇筑后第三天T3=Tmax×ζ=102.26℃×0。.36=36.82℃；s—混凝土应力松弛系数[2]；coshβ—是双曲余弦函数，其中β=（Cx/HE）½H—结构厚度，本工程厚板厚度H=0。8，H/L=0. 8/44=0。018≤0.2，符合计算假设；Cx—混凝土板与支承面滑动阻力系数，对竹胶模板，比较砂质土的阻力系数，取Cx=30N/mm2。根据以上公式代入相应数据，得σmax=1.18MPa≤1.89MPa，可知不会因降温时收缩引起裂缝。(三)安定性裂缝    安定性裂缝表现为龟裂，主要是因水泥安定性不合格而引起的。 (四)结构裂缝    结构发生裂缝产生的原因有:模板及其支撑不牢，产生变形或局部沉降;拆模不当，引起开裂;混凝土和易性不好、浇筑后产生分层，出现裂缝;构件厚薄不均匀，使收缩不均匀而产生裂缝;主筋位置严重位移，而使结构受拉区开裂;混凝土初凝后又受到振动，产生裂缝;构件受力过早或超载引起裂缝;基础不均匀，下沉引起开裂;设计不合格或使用不当引起开裂等等。四、裂缝的防治措施(一)设计措施  1.精心设计混凝土配合比混凝土配合比设计时，在保证混凝土具有良好工作性的情况下应尽可能地降低混凝土的单位用水量，双掺(掺高效减水剂使混凝土缓凝，要求混凝土缓凝时间大于3小时;加高效低碱膨胀剂，以补偿砼的收缩)的抗裂大体积混凝土。 2.增配构造筋提高抗裂性能，配筋应采用小直径、小间距。砼顶板上下两层设纵横双向22、@100×100钢筋网片，中间又有两层直径14，@100×150钢筋网片间@600×600设直径22立筋。 3.避免结构突变产生应力集中，在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。 4.在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的抗极限拉伸能力。5.为保证模板有足够好强度和稳定性必须进行模板方案设计。模板设计总体要求如下:(1)为保证模板安装具有足够强度、刚度及稳定性，应按照施工规范和模板设计的有关规定要求进行。为了保证砼质量，使砼表面有较好的平整度，拆模后几何截面尺寸准确，外形美观、密实，本工程采用木模板，辐照厅、加速器厅采用钢支撑体系。 (2)为了确保结构截面尺寸和构件尺寸的准确，模板安装时采用轴线和边线两项控制，校核柱梁的位置。按梁底、板底控制模板的标高。为了保证墙和柱的几何尺寸，除采用松方木支撑加固外，应配有φ12螺栓加强固定。 (3)模板支撑及螺栓加固系统的材料规格、间距等应按设计要求和模板制安操作规程进行。 (4)模板支撑系统必须符合设计要求，水平拉杆及剪刀等应按要求位置安装完成后，经验收合格后，方能进行下一道工序施工。 (5)悬挑部位及设备房模板应待砼强度达100%才能拆模，其余部位应砼达到75%才能拆模。砼施工时，应留置同条件养护拆模试块。 (6)本计算采用的数值:fm.fv.E等数值查《建筑施工手册》第68页表2-53。(二)施工措施 大体积混凝土的施工技术要求比较高，特别是在施工中要防止混凝土因水泥水化热引起的温度差产生温度应力裂缝。因此需要从材料选择、技术措施等有关环节上，做好充分的准备工作，才能保证大体积混凝土的顺利施工。严格控制混凝土原材料的质量和技术标准，选用矿渣普通硅酸盐水泥，粗细骨料的含泥量应尽量减少(1%～1.5%以下)。  1、优选混凝土各种原材料 1.1水泥考虑普通水泥水化热较高，特别是应用在大体积混凝土中，大量水泥水化热不易散发，在混凝土内部温度过高，与混凝土表面之间有较大的温差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204-92)规定:“大体积混凝土表面和内部温差控制在设计要求的范围内，当设计无具体要求时，温差不宜超过25℃”。当表面拉应力超过早期混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝，因此确定采用水化热比较低的矿渣硅酸盐水泥，标号为P.S42.5，通过掺加合适的外加剂可以改善混凝土的性能，提高混凝土的抗渗能力。1.2粗骨料采用卵石，粒径5～25mm，含泥量不大于1%。选用粒径较大、级配良好的石子配制的混凝土，和易性较好，抗压强度较高，同时可以减少用水量及水泥用量，从而使水泥水化热减少，降低混凝土温升。1.3细骨料采用中砂，细度模数为2.5～2.8，含泥量不大于2%。选用平均粒径较大的中砂拌制的混凝土，比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量10%左右，同时相应减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温升，并可减少混凝土收缩。1.4粉煤灰由于混凝土的浇筑方式为泵送，为了改善混凝土的和易性，掺加适量的粉煤灰。按照规范要求，采用矿渣硅酸盐水泥拌制大体积混凝土时，其粉煤灰取代水泥的最大限量为25%。粉煤灰对降低水化热、改善混凝土和易性等有利，但掺加粉煤灰后的混凝土早期极限抗拉值有所降低，对混凝土抗渗和抗裂不利，因此粉煤灰的掺量控制在15%以内。按配合比要求计算出每立方米混凝土所掺加粉煤灰量。1.5外加剂通过分析比较及过去在其它工程上的使用经验，确定采用掺量为0.8%～1.2%的泵送剂（水剂）掺法。这样具有减水和缓凝等功能，从而降低水化热峰值，初凝延长至3～7h左右，对混凝土温差收缩有更好的有效控制。1.6钢纤维为了有效的控制混凝土裂缝的产生，选用波形钢纤维。按照现行《钢纤维混凝土试验方法》（ＣＥＣＳ13﹕89）中的试验条件、成型等方法。钢纤维混凝土应符合《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》（ＣＥＣＳ38﹕ 92）的有关规定。1.7膨胀剂为了混凝土自身能有效的抗裂，通常都选用高效低碱膨胀剂来补偿混凝土的收缩。补偿收缩混凝土根据GBJ“混凝土外加剂应用技术规范”的规定，产生0.2至0.7MPa以下自应力混凝土为补偿收缩混凝土。为了实测出限制膨胀率，实验室有必要进行掺加膨胀剂试件的限制膨胀率试验，试验证实掺加膨胀剂确实可获得微膨胀性，掺量的大小对膨胀率的大小是有直接影响的。这种膨胀剂具有防水、微膨胀等功能，从而降低水泥用量和水化热峰值，对混凝土收缩有补偿功能，提高了混凝土的抗裂性。2、浇筑现场管理及技术措施　　开工前，根据工程具体情况及以往施工经验选择原材料及外加剂，并据以进行热工计算，确定施工工艺、施工组织等作出实施性施工组织设计，经过规定的审批程序审查后方可施工。原材料、外加剂、配合比等均要经过进场检验，达到工程施工要求的各项指标。施工中严格按照施工组织设计进行操作，确保工程质量。2.1混凝土配合比混凝土采用搅拌站供应的商品混凝土，因此要求混凝土搅拌站根据现场提出的技术要求，提前做好混凝土试配。2.2现场技术工作分两个作业组同时进行施工，针对大体积混凝土施工的特殊性，制定紧急预案。(1)成立混凝土施工应急领导小组，一旦发生紧急情况即启动小组工作。 (2)提前与供电部门取得联系，保证连续供电并与厂部联系，若出现停电，可征用厂发电组电力。 (3)砼浇捣班组人员配备充足，每作业组分三班倒，连续作业。 (4)隐蔽工程验收:基础底板钢筋及墙体钢筋，应分段尽快施工完毕，并做好隐蔽工程验收记录;(5)物资材料准备:浇筑混凝土时，预埋的测温管及保温所需的塑料薄膜、草席等应提前准备好;(6)温控测量:配备专职测温人员，按两班制考虑。对测温人员进行培训和技术交底。测温人员要认真负责，按时按孔测温，不得遗漏或弄虚作假。前5天至少每4小时测温一次，第6～15天至少每8小时测一次，以后每12小时测温一次，直至混凝土内表温差小于10℃、表面与大气温差小于3℃时为止。 虽然《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204-92)规定了大体积混凝土的浇筑温度“不宜超过28℃”、内表温差“不宜超过25℃”的具体值，但对于降温速率未提出明确要求。如大体积混凝土升温时内表温差过大，会造成表面裂缝，而降温速率过快，亦会造成贯穿性冷缩缝，这也是必须严格控制的。理论上，任何材料的允许温差与材料的极限拉伸值有关。对大体积混凝土而言，如果降温过快，虽然内表温差仍控制在规范要求之内，但由于混凝土内部温差过大，温差应力将达到混凝土的极限抗拉强度时，即会出现裂缝。而且此裂缝发生在大体积混凝土的内部，因此，降温速率必须得到严格的控制。根据有关文献:降温速率V≤1～1.5℃/d是合适的。测温记录要填写清楚、整洁，换班时要进行交底。测温时，发现混凝土内表温差达到25℃或温度异常时，应及时报告技术部门和项目负责人，以便及时采取措施。(7)做好浇捣砼前准备工作，检查上道工序完成质量，预埋件检查验收，模板检查验收，并浇水湿润，检查各种施工机具使用性能情况等(8)混凝土的浇筑:混凝土采取一次连续浇捣完成，按每400～500mm厚分层依次振捣，中间不留施工缝;楼板混凝土浇筑控制为30m³/h，避免出现施工冷缝。为防止混凝土离析，采用串筒下料。在混凝土卸载料点和混凝土坡角处，至少布置工道振捣，随着混凝土浇筑工作的向前推进，振捣棒相应跟上。(9)混凝土浇捣后，表面水泥浆较厚，需认真及时处理，具体步骤是:拉线找标局，初步按标高用铝合金，大杠刮平。为提高混凝土抗裂性能，在混凝土表面铺设钢丝网，将钢丝网压入混凝土面层下20mm，用直径8要钓钢币间距2m插入混凝土固定钢丝网，用木抹子将混凝土表面打磨密实，待混凝土收水后，用木抹子至少搓平2次，闭合收水裂缝。 (10)混凝土的二次振捣技术:待混凝土入模经第一次振捣、坍落度消失并开始初凝时，将振动棒二次插入混凝土进行振捣，当缓慢拔出振动棒，使混凝土能均匀闭合，而不留下孔洞时，为进行二次振捣的最佳时间，根据试验，二次振捣时间定为初次振捣后45min左右。采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。由于混凝土原材料及配合比的选择和设计，整个大体积混凝土浇灌振捣过程中未产生大量泌水。(11)混凝土的养护：为了降低混凝土内表温差，采取提高混凝土表面温度的办法。本工程混凝土内部最高温度达53℃，施工时大气平均温度约为20～22℃左右，故需将混凝土表面与大气温差控制在13℃以上。于是，采取以下措施： ①带模养护，并紧贴模板面悬挂一层草包。在混凝土内部最高温度与大气温度差小于15℃时，方可拆除模板。②混凝土表面在覆盖一层塑料膜后，加盖两层草包保温。（三）安全措施1．编制施工工艺细则和安全操作规则，组织施工人员进行安全培训，技术安全培训合格者方能上岗工作。2．进行高空施工作业时，要时刻注意安全，做好预防措施。3．安全及质量除“施工工艺”中要求外，还应遵守现行规范。（四）技术经济分析　　大体积混凝土施工，裂缝的控制应根据工程的具体情况选择施工措施：可以通过控制大体积混凝土水泥用量，选用低水化热水泥，掺加合适的外加剂，优化混凝土配合比，完善浇筑工艺，以及加强养护和温度监测等工作来有效控制大体积混凝土裂缝的产生。把这些措施有机结合起来，在常规施工条件下，完全能够控制大体积混凝土施工的裂缝产生，确保大体积混凝土的施工质量。大体积混凝土防裂和温度控制方面，虽然有相应的施工及验收规范可供执行，但施工实践中需要有一套全面合理的技术控制措施和明确的指标体系，防止大体积混凝土出现裂缝是一项复杂的系统工程。工程千差万别，随着新材料、新工艺的不断涌现，科学技术水平的不断提高，过去制订的标准有必要进行及时调整和补充，才能更好地指导日益变化和发展的生产实践。对于应用日益广泛的大体积混凝土工程，需要不断总结经验，完善技术措施，使大体积混凝土施工更趋于成熟和走上更加规范化的道路。 江西省建筑材料工业科学研究设计院     '