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包头和悦大厦大体积混凝土施工裂缝控制
admin在2019-11-29发布 频道:行业资讯 标签:
     
摘要:本文以包头地区大体积混凝土施工为例,以裂缝控制为主线,针对地区特点着重从原材料选择、配合比设计、温控计算、应力计算、裂缝控制、质量检测几个方面阐述了在包头地区进行大体积混凝土裂缝控制的施工过程。表明在包头地区昼夜温差较大的气候环境下,依据以上综合措施完全能够控制大体积混凝土温度裂缝的产生。该研究为包头地区施工企业进行大体积混凝土施工提供了理论技术支持。

0  引言
    随着经济高速发展,大体积混凝土的应用越来越广泛,而包头地区大体积混凝土裂缝控制研究还不够深入和全面,有关规范条文还不能完全适应本地区的特殊环境,很多工程中的问题只能依靠工程经验,缺乏相应的理论依据。本文通过对包头市和悦大厦工程大体积混凝土筏板基础裂缝控制[1]的实例进行研究,阐述了温度控制对大体积混凝土基础裂缝产生的影响程度,通过改变混凝土水化热升温,控制升温温度,有效避免了混凝土温度裂缝的出现,该研究对于包头地区施工企业进行大体积混凝土裂缝控制应用技术提供理论借鉴具有实际意义。

1  工程简介
    和悦大厦工程位于包头市乌兰道市委东北角,结构形式为框架剪力墙核心筒结构,基础为筏板基础结构,形成一个整体自防水大型筏板基础,为防止水化热和混凝土收缩产生的裂缝,根据大体积混凝土早期收缩及降温速度的特点采取“斜面分层浇筑综合技术措施”的施工工艺进行施工。本文以2013年10月浇筑的A区2段筏板施工为应用研究对象,筏板施工区域划分如图1所示。
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图1  和悦大厦筏板示意图

 
2  筏板基础混凝土配合比设计[2]
2.1 工程混凝土配制技术要求
    基础混凝土设计强度C40P8;混凝土塌落度要求180mm
±20mm;水灰比不大于0.50,砂率35%〜42%,水泥和矿物掺合料总量不超过450kg;混凝土初凝时间6〜8小时、终凝时间不超过12小时。
2.2原材料选择
    (1) 水泥品种选择
    本工程选用冀东水泥P•O42.5的普通硅酸盐水泥作为基础混凝土的胶凝材料,其龄期强度值见表1。

表1  P•O42.5水泥龄期强度值(MPa)
水泥品种 抗压强度/抗折强度(Mpa) 水化热放热量(kj/kg)
3d 28d 3d 7d 28d
P•O42.5 20.8/4.2 45.8/7.7 314 354 375
    (2) 粗细集料选择
    粗集料选用包头地区碎石,考虑泵送要求,满足5〜31.5mm连续级配,含泥量0.8%,泥块含量0.3%,表观密度2680kg/m3;细集料选用昆河中砂,细度模数2.8,含泥量2.6%,泥块含量0.7%,表观密度2600kg/m3
    (3) 矿物掺合料选择
    本工程矿物掺合料选用达旗电厂II级粉煤灰,其物理性能见表2;

表2  达旗电厂II级粉煤灰物理性能
检测项目 烧失量
(%)
细度(4μm筛余量%) 需水量比(%) 含水率
(%)
表观密度
(g/cm3)
SO3含量
(%)
指标 2.8 19 102 1 2.1 2.62
    按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)混凝土配合比计算要求,确定胶凝材料28d胶砂抗压强度(MPa),进行胶砂强度试验,分析不同粉煤灰掺量对胶砂抗压强度、绝热升温性能和胶砂干缩值的影响,具体数据见表3与表4。
表3  不同粉煤灰掺量对胶砂抗压强度和绝热升温性能的影响
粉煤灰掺量(%) 抗压强度(MPa) 绝热升温降低值
3d 7d 28d (℃)
0 18.6 25.8 46.1 0
10 16.7 23.  46.2 6.4
15 16.25 22.45 45.2 8.3
20 15.8 22 44.2 10.2
表4  不同粉煤灰掺量对胶砂干缩值的影响
粉煤灰掺量(%) 干缩值(✖10-4)
3d 7d 28d
0 -1.08 -1.79 -3.12
5 -0.89 -1.61 -2.86
10 -0.78 -1.45 -2.71
15 -0.72 -1.37 -2.63
    由表3可知,混凝土早期抗压强度随粉煤灰取代水泥用量增加而降低,特别是掺量超过10%时,抗压强度值下降明显。由表4得到,混凝土收缩变形值(干缩值)随着粉煤灰掺量的增加而减小,综合各种因素,最终选择粉煤灰掺量为10%。
    ⑷ 外加剂[3]选择
    按照工程施工初凝6~8小时、终凝不超过12小时的技术要求,以及预控混凝土浇筑体收缩裂缝的产生,最终确定缓凝型减水剂选用钢鹿建材生产的GL-B3型缓凝高效减水剂,膨胀剂选用钢鹿建材生产的GL-D型膨胀剂。缓凝型减水剂采用“外掺法”,掺量1.3%;膨胀剂采用“内掺法”,掺量为10%。
2.3 混凝土配合比设计
    在保证混凝土配制强度要求的前提下,综合考虑混凝土的工作性能要求,确定筏板基础混凝土强度为C40,并对C40混凝土进行配合比计算,计算结果见表5。
表5  混凝土配合比计算结果
配制强度
(Mpa)
水胶比 用水量(kg/cm3) 水泥用量(kg/cm3) 粉煤灰用量(kg/cm3) 砂/石用量(kg/cm3) 膨胀剂用量(kg/cm3) 缓凝减水剂用量(kg/cm3)
46.58 0.476 175 330 37 715/1193 37 5
    注:根据混凝土搅拌站资料,混凝土强度标准差取δ=4MPa
2.4 筏板基础混凝土温控计算[4]
    (1) 如图2所示,为了对混凝土温度控制,需要对浇注温度Tp、水化热升温Tr、最终稳定温度Tf三个温度指标进行分析。混凝土浇筑体升温温度变化轨迹如图2中的实线所示,当混凝土最高升温值峰值达到Tp+Tr后,开始逐渐缓慢下降。但是考虑工程实际的工况,混凝土浇筑层表面将通过热交换损失部分水化热热量,当采用分层浇筑时,混凝土浇筑体下层受到上层混凝土的影响时,混凝土浇筑体温度有所回落,当出现二次回落峰值以后,混凝土浇筑体的水化热温度持续缓慢降低,直到最终稳定恒温值Tr。图2中点画线所示为人工干预冷却降温变化过程。
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图2  大体积混凝土构件的温度变化过程曲线图
    (2) 温度控制计算
    \
(注:Ta为当时环境温度;R为太阳辐射热,β为表面放热系数,有关取值参照《大体积混凝土施工质量控制,砂、石子、水泥和水比热取0.84J/(kgK),砂石含水率3%,实测砂、石子、水泥和水的温度分别为14°C、14°C、40°C、10°C;温度系数取.φ=0.032)
    混凝土各龄期中心温度按式:T1(t)=Tp+Tr(t)ξ(t)计算,计算结果见表6。
表6  混凝土各龄期中心计算温度T1(t)
龄期(d) 0 3 6 9 12 15 18 21
Tp 0 17.78 17.78 17.78 17.78 17.78 17.78 17.78
Tr(t) 0 48.18 47.32 42.65 36.95 34.11 22.4 19.56
ξ(t) 0 0.65 0.64 0.63 0.62 &.6&4 0.588 0.57
T1(t) 17.78 49.1 48.07 44.65 40.69 38.4 30.3 28.95
    注:ξ(t)为t龄期不同浇筑厚度的降温系数,依据《水利水电科学结构研究院材料研究所大体积混凝土》表4.3.2
    由表6知,混凝土中心温度最高出现在第3天,中心温度最大值T1(max)=49.1°C,各龄期混凝土内部最高中心温度如图3所示。
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图3  各龄期混凝土内部最高中心温度
    (3) 保温养护措施分析
    1) 未采取保温措施时混凝土中心与表层温差计算得到混凝土表层温度:T2(max)= 22.4°C(施工期间大气平均温度取18°C,且假定基础只向大气散热,按单面暴露于空气中的平板看待)则混凝土内外最大温差:T1(max)T2(max)=49.10—22.48=26.62°C>25°C。
    显然,混凝土里表最大温差超过规范规定要求值,结果不采取保温措施,必然引起混凝土表面产生裂缝。
    2) 筏板混凝土基础依据温控指标,制定保温养护措施,拟采用表面洒水后覆盖塑料薄膜,挤塑板保温的养护措施,其参数见表7。

表7 各材料导热系数
材料 水(高度0.001m) 塑料薄膜(厚0.0005m) 挤塑板(厚0.03m)
导热系数(W/m•°C) 0.58 0.19 0.033
    计算求得混凝土在保温养护措施下的表面温度T2(max)=35.28°C,混凝土内外最大温差:T1(max)T2(max)=49.10—35.28=13.82°C<25°C。
    计算结果表明采用上述保温养护措施,混凝土内部与表面温差可以控制在规范规定的25°C以内,混凝土表面不会产生温度裂缝,措施可行。
2.5 筏板基础混凝土应力计算
    (1) 温度应力
    各龄期混凝土热应变按式:ε=α(T1+T2)=αΔT计算,计算结果见表8。

表8 各龄期混凝土热应变(✖10-4)
t(d) 0d 3d 6d 9d 12d 15d 18d 21d
T2(t) 15.97 25.77 28.52 29.35 28.49 26.87 25 23.8
T1(t) 24.53 49.1 48.07 44.65 40.69 38.4 30 28.95
ε(t) 0.44 0.82 0.84 0.81 0.76 0.71 0.6 0.58
    (注:《为材料的热膨胀系数,取1110-6/°C)
   (2) 弹性模量
    混凝土的弹性模量按式:EC(t)=ECO(1—e-0.09t)计算,计算结果见表9
表9  各龄期混凝土弹性模量(✖104N/mm2)
t(d) 3d 6d 9d 12d 15d 18d 21d 24d 27d 30d
EC(t) 0.816 1.44 1.92 2.78 2.56 2.77 2.93 3.05 3.15 3.22
    (注:ECO为28d混凝土弹性模量,取3.45X104N/mm2;e为常数,取2.718)
    (3) 地基约束系数
    各龄期地基约束系数见表10。

表10各龄期地基约束系数(X10-5N/mm2)
t(d) 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
β(t) 4.52 3.40 2.95 2.45 2.55 2.45 2.39 2.34 2.30 2.28
    (注:其中h为混凝土实际厚度;CX1为单纯地基阻力系数,取0.03N/mm2; CX2为桩的阻力系数)
    (4) 混凝土抗拉强度
    基础混凝土各龄期的抗拉强度按式:ft(t)=0.8ft0(lgt)2/3计算,计算结果见表11。

表11  混凝土各龄期的抗拉强度(N/mm2)
t(d) 3d 6d 9d 12d 15d 18d 2ld
ft(t) 1.17 1.62 1.85 2.01 2.13 2.22 2.30
    (注:ft0为龄期28天的混凝土抗拉强度标准值,考虑一定的安全系数)
    (5) 混凝土的徐变系数
    引入混凝土龄期徐变系数见表12,参与混凝土各龄期最大拉应力的计算。
表12 混凝土龄期影响的徐变系数
t(d) 3d 6d 9d 12d 15d 18d 21d
S(t) 0.57 0.52 0.48 0.44 0.41 0.386 0.37
    (注:引用《不可忽视混凝土微观裂缝对耐久性的影响》表3.5.2)
    (6) 混凝土各龄期的收缩率及收缩当量
    混凝土收缩机理比较复杂,为了计算方便,用“收缩当量温差”表示收缩变形值。混凝土各龄期收缩率εy(t),各龄期收缩当量温差Ty(t),各台阶收缩当量温差ΔTy,见表13。
表13  各龄期台阶收缩当量
t(d) 3d 6d 9d 12d 15d 18d 21d
εy(t) -0.099×10-4 -0.2×10-4 -0.31×10-4 -0.41×10-4 -0.52×10-4 -0.64×10-4 -0.8×10-4
Ty(t) -0.99 -2 -3.1 -4.1 -5.2 -6.4 -7.6
ΔTy -0.99 -1.01 -1.1 -1 -1.1 1.2 1.2
    (注:其中ε0y为混凝土的极限收缩,一般取3.24✖10-4,b为经验系数,一般取0.01;α为混凝土线膨胀系数,取1.0✖10-5)
    (7) 混凝土水化热降温温差计算
    各龄期混凝土表层温度,各龄期混凝土内部平均温度,各台阶降温温差,见表14。
表14  各龄期台阶降温温差
t(d) 0d 3d 6d 9d 12d 15d 18d 21d
T1(t) 24.53 49.1 48.07 44.65 40.69 38.40 30.30 28.95
T2(t) 18.6 21.09 20.99 20.65 20.25 20.03 19.22 19.09
Tm(t) 21.57 35.10 34.53 32.65 30.47 29.22 24.76 24.02
ΔTm(i) 13.53 -0.57 -1.88 -2.18 1.25 -4.46 -0.74
    (注:其中Ta为施工期间大气平均温度取18℃;Tq为浇筑温度;h'为混凝土虚厚度,按式h'=k•λ/β计算,其中k取0.67,λ取2.33W/m•k、β为保温层的导热系数;H为混凝土计算厚度)
    (8) 混凝土膨胀当量温差
    当混凝土中掺入10%的GL-UEA微膨胀剂,参与水化,混凝土产生膨胀变形,转换成膨胀当量温差见表15。
表15  各龄期混凝土膨胀至(10-4)及膨胀当量温差(°C)
t(d) 3d 6d 9d 12d 15d 18d 21d
ε'y(t) 0.2 0.5 0.9 1.3 1.9 1.8 1.6
T'y(t) 2 5 9 13 19 16 16
ΔT'y(i) - 3 4 4 6 -1 0
    (9) 台阶式降温综合温差及各台阶处的最大拉应力
    各台阶降温综合温差ΔT(i),各台阶处的最大拉应力δi,max(t)见表2.16。其中α取1.010-5μ取0.15。

表16 台阶式降温综合温差及台阶处的最大拉应力
t(d) 3d 6d 9d 12d 15d 18d 21d
ΔTm(i) 13.53 -0.57 -1.88 -2.18 -1.25 -4.46 -0.74
ΔTy(i) -0.99 -1.1 -1 -1.1 -1.2 -1.2 -1
ΔT'm(i) - 3 4 4 6 -1 0
ΔT(i) - 2.43 2.15 1.82 4.75 -5.46 0.74
δi,max - 0.17 0.23 0.26 0.59 0.69 0.09
    (注:其中Ei(t)为各龄期混凝土弹性模量;ΔTi为各龄期综合温差均以负值代人;Si(t,ti)为各龄期混凝土徐变系数;L为基础长度;β为地基约束系数;ch为双曲余弦函数)
    (10) 总降温产生最大拉应力
    C40混凝土抗拉强度取2.39N/mm2,2.39/2.03=1.171.15,满足抗裂要求,式中的1.15为抗裂安全系数。由以上计算表明,混凝土的总降温和收缩产生的最大温度应力为2.03MPa,小于混凝土的抗拉强度,混凝土的抗拉强度为最大温度应力的1.17倍。表明降温和收缩产生的温度应力不会使混凝土产生贯通性裂缝,可以满足抗裂要求。

3  大体积混凝土筏板基础裂缝控制施工技术措施
3.1 筏板基础混凝土裂缝控制
    考虑到内蒙地区多风干燥,昼夜温差较大等不良气候条件的影响,传统的大体积混凝土施工技术已经无法完全适应本地环境,根据当地环境采用以下措施来控制基础混凝土裂缝。
    (1) 混凝土输送方式选择
为防止上下层混凝土间出现冷缝,根据本工程基础混凝土量及基础厚度情况,计算混凝土浇筑的最小需求量,并根据现场周边实际情况,最终确定配备9辆混凝土运输车和两辆泵车。
    (2) 保证混凝土生产质量,控制混凝土的出机温度
    本工程混凝土由中国二冶新型建筑制品公司搅拌站供应,混凝土生产能力符合《预拌混凝土》GB/T 14902—2012的要求。
    考虑到混凝土生产的实际情况,混凝土入模温度必须控制在14°C
±3°C之间,以确保混凝土浇筑体最高升温峰值小于计算最高升温温度49.1°C。通过提前控制混凝土的浇筑入模温度,来间接降低混凝土浇筑体的最高升温温度,来控制混凝土产生裂缝。
通过搭设大型雨雪防风棚,必要时向集料堆覆盖保温三防布,用冰冷水搅拌混凝土,严控散装水泥入机温度(规范要求不得大于60°C),防止混凝土出机温度过高。
    (3) 改进混凝土拌合工艺
    搅拌工艺采用二次投料技术,严格控制混凝土拌制出料时间,同时观测混凝土的和易性,不得存在离析、分层等现象,坍落度不符合要求的混凝土不得出站。
    (4) 合理分层浇筑,改进振捣工艺
    筏板混凝土施工采用连续斜面分层法进行浇筑施工,依据混凝土自然流淌坡度,连续逐层斜面推移浇筑,4次到顶的方法进行,图4所示。混凝土实际缓凝时间为8h,在浇筑过程中,混凝土上下层浇筑时间间隔不大于8h,防止出现施工冷缝。
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图4 筏板基础混凝土分层浇筑示意图
    (注:1.8m筏板混凝土基础分层浇筑顺序为采用两台泵车依次为,1#泵车浇筑1、2、3、4区域,1#泵车浇筑2区域时,2#泵车开始浇筑上一层的2区域,1#泵车浇筑3区域时,2#泵车开始浇筑上一层的5区域,以此类推。)
    采用二次振捣工艺,排除混凝土因泌水而在水平钢筋及粗集料下部生成的水分和空隙,提高混凝土对钢筋的握裹力,减少混凝土出现裂缝和其他内部微裂缝,提高混凝土密实度和抗裂性能。
    (5) 混凝土养护
    在覆盖塑料膜之前,将混凝土表面抹平、压实,终凝后洒水。将保温材料及三防布覆盖在混凝土表面,夜间应保证混凝土全部覆盖,进行保温养护。保温材料层的厚度根据混凝土表层温度和中心温度之差进行调整,当温差超过20℃时,再增加一层三防布进行覆盖。
    保温养护的过程中,其持续时间是由温度应力、大体积混凝土的强度、收缩以及降温过程中产生的应力来控制,且达到14天及以上。当筏板基础混凝土里表温度之差基本保持在恒温15C时,方可去除保温层,进行下道工序的施工。
    保温覆盖层的拆除分层逐步进行,在中午气温比较高时安排拆除,筏板基础保温见图5所示。混凝土基础在拆模后及时回填,避免其侧面长期暴露。
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图5  基础混凝土养护图
3.2筏板基础混凝土温度监测
    为了保证规范要求的混凝土内部于表面的温差小于25℃,在现场需要进行温度监控[5],随时掌握混凝土内部的最高温度和混凝土中心到表面的温度梯度。实测温度曲线如图6所示。
    经过实测温度曲线得到混凝土内部最高温度为51℃,与计算值49.1℃相对一致,内外温差最大值为20℃,始终控制混凝土内外温差在允许值范围内。
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图6  实测温度曲线

 
4  大体积混凝土筏板基础质量检测
    为检测基础混凝土强度,采用28d标养试块和600°C•d同条件试块进行抗压强度试验,试验结果见表17和18!采用统计方法评定,C40混凝土判定合格,混凝土强度指标均满足设计要求。C40混凝土抗渗等级为P8,对28d混凝土试块进行抗渗试验,试验结果见表19,混凝土抗渗指标均满足设计要求。(检测结果来自包头市检测中心)
表17  和悦大厦标养抗压强度试验结果
试块编号 龄期/d 抗压强度(MPa) 强度代表值(MPa)
I II III
HS2013-10-167 28 46.1 45.9 47.6 46.5
HS2013-10-168 28 44.8 46.8 46.6 45.1
HS2013-10-169 28 45.9 47.8 46.1 43.6
HS2013-10-170 28 45.2 47.2 47.5 42.6
HS2013-10-171 28 44.1 47.9 46.7 44.2
表18和悦大厦同条件抗压强度试验结果
试块编号 龄期(600°C•d) 抗压强度(MPa) 强度代表值(MPa)
I II III
HS2013-10-167 600°C•d 43.6 42.8 43.1 43.2
HS2013-10-168 44.9 45.6 43.8 45.8
HS2013-10-169 42.9 43.7 44.9 43.8
HS2013-10-170 43.1 42.8 43.9 44.3
HS2013-10-171 42.3 44.9 43.6 43.6
表19  和悦大厦抗渗试验结果
龄期(8d)试块编号 渗水时最大压力(MPa) 试验抗渗等级
1 2 3 4 5 6
抗渗强度 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 P8
有无渗水 合格
试验依据 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》
 
5  结论
    通过工程实例研究了和悦大厦大体积混凝土裂缝控制!具体研究结果如下
    (1) 采用本地优质的原材料,合理的混凝土配合比,通过对原材料配合比的优化!可以降低混凝土内部温度,优化配合比是大体积混凝土温度控制成功的基础。该混凝土配合比为:C:W:S:G:FA:GL-D:GL-B3=330:175:715:1193:37:37:5。
    (2) 对和悦大厦大体积混凝土,采用温控计算和合理的施工组织和施工方案,可以保证混凝土的裂缝得到有效控制。
    (3) 成型的实体混凝土,经检测部门对实体混凝土强度、耐久性、表观质量等性能进行检测,均符合相关规范要求,混凝土表面光洁,无裂缝产生。
参考文献
[1]王喰.筏板基础大体积混凝土施工裂缝控制研究[D].大连:大连理工大学,2013.
[2] 混凝土配合比设计规程(JGJ 55—2011) [S].
[3] 混凝土外加剂应用技术规范(GB 50119-2003) [S].
[4] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力工业出版社,2009.
[5] 解荣.大体积混凝土温度监控的研究[D].西安长安大学,2011.
作者:杭美艳 吕学涛 郝小龙
信息来源:混凝土视频网  

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