大体积砼结构超长无缝施工综合技术.doc

大体积砼超长结构无缝施 工 方 案.编制单位 中国建筑第二工程局广源项目经理部编制 审核 审批日期 日期 日期目 录一、 本工程基本设计情况二、 大体积砼基本概念三、 大体积、超长砼结构无缝施工方案选择四、 砼裂缝产生的基本原因五、 超长砼结构无缝施工基本理论及外加剂工作机理六、 裂缝控制原理七、 抗裂验算与分析 71工程模型 72 环境情况与验算参数 73地下室底板验算 74 楼盖验算 75侧墙验算八、砼变形影响因素分析 九、超长砼结构无缝施工技术措施一、 本工程设计概况本工程为郑州广源建设工程检测有限公司专家公寓工程，位于郑东新区太行路以东、漓江二路以北，地下一层，地上十二层，建筑总高度45.6米，长度105.6米、宽度为15.6米。0.000以下钢筋砼强度等级均为C30，基础底板形式为筏板基础，基础底板及外墙砼强度等级为C30，抗渗等级S8。基础底板长度107.4米、宽度为17.1米、厚800mm，外墙高4.2m、厚250；地下室顶板厚160 mm。地基处理采用CFG桩复合地基，在复合地基上铺砂石褥垫层，对基础筏板无约束；基础筏板设计膨胀加强带三条，间距最大为26.9米。 二、 大体积砼基本概念按国内相关规范规定，大体积混凝土指的是最小断面尺寸大于1米的混凝土结构，其尺寸已经大到必须采用相应的技术措施妥善处理温度差值，合理解决温度应力并控制裂缝开展的砼结构。大体积砼与普通砼结构相比，具有结构厚、体形大、钢筋密、混凝土数量多的特点。大体积砼裂缝产生的主要原因是砼的自身收缩、温度应力和外界约束条件作用；国际上对大体积砼进行概念界定不仅要求了混凝土的最小断面尺寸，而且还以砼构件浇筑后内部和表面的温差不超过250来进行控制。因此控制温度变形是控制砼裂缝的主要措施：控制温度变形涉及到结构计算、构造设计、材料组成及其物理力学指标、施工工艺等方面的综合技术问题。三、大体积砼超长结构无缝施工方案选择本工程中，地下室为超长钢筋混凝土结构，如何解决大体积超长混凝土结构因冷缩和干缩产生的开裂的问题，确保地下室不裂不渗则成为施工技术的关键。另外，抑制大体积混凝土温差裂缝对工程质量尤为重要。如何控制因冷缩和干缩产生的拉应力造成的危害，是一项技术难题。传统的办法是设置后浇带(或缩短伸缩缝间距)，即采用普通混凝土，每隔20一40m留一条后浇带，42天后(待混凝土大部分收缩完成后)再用膨胀混凝土回填，这样就会延长工期；而且后浇带的清理和灌缝非常麻烦，处理不好常常会成为质量的隐患；此外后浇带混凝土与先浇混凝土的结合非常薄弱，将严重影响结构的整体性。显然，采用普通混凝土和常规的施工工艺满足不了工期和质量要求。设计上对此结构设置膨胀加强带进行处理。为达到设计要求，确保工程质量，拟对本工程采用超长钢筋混凝土结构无缝施工工艺技术，采用这种办法，不留后浇带，混凝土连续浇筑，可以大大加快施工进度，减少后浇带处理给施工带来的麻烦和给工程质量带来的隐患，提高结构的整体性和安全性，并缩短工期和施工管理费用，以满足本工程需要。四、混凝土裂缝产生的基本原因工程实践表明，混凝土结构的裂缝是不可避免的，但其有害程度是可以控制的。引起混凝土结构开裂的原因是较为复杂，主要可分为两大类作用，即外荷载作用和变形作用，这两种作用可称为“第一类荷载”和“第二类荷载”，“第二类荷载”即“变形荷载”。国内外大量调查说明，由于“变形荷载引起的裂缝约占80以上，变形作用包括气温、生产热源、水泥水化热引起的温度变形作用、湿度变形作用(收缩和膨胀变形)、地基不均匀变形作用(水平变形和垂直变形)等。 从材料方面看，水泥水化后的绝对体积都要减小，每100克水泥净浆的化学减缩值为7-9毫升，如混凝土水泥用量300Kgm3，则混凝土化学减缩量达21-27升，其外观体积收缩并不多，主要在其内部形成许许多多毛细孔缝；研究表明，每100克水泥净浆可蒸发水份约6毫升，如混凝土水泥用量C=300Kgm3，则蒸发水量达l8升，由此可知，当混凝土受干燥作用时，毛细孔中的水逸出产生毛细应力，使混凝土发生毛细收缩。由此引起水泥砂浆的干缩值为0.1-0.2。混凝土的干缩值达0.0 4-0.0 6。由于混凝土的抗拉强度低，极限拉应变值只有0.015-0.03%，故易于产生干缩开裂。五、超长砼结构无缝施工基本理论及外加剂工作机理 混凝土结构超长无缝施工技术和裂渗控制技术在我国混凝土领域已进行了多年研究，技术应该是成熟可行的，根据膨胀混凝上补偿收缩的原理， 1992年补偿收缩混凝土防水工法列为国家级工法(YJGF2292)，1993年首次在建筑结构杂志上公布了“取消伸缩缝的设计新方法，钢筋混凝土超长结构无缝没计和施工方法已先后在北京西客站、福州长乐机场、北京当代商城、深圳贤成大厦、郑州国际会展中心、珠海口岸广场、深圳华为科研中心地下室、深圳机场、广州机场等众多工程中得到应用。 下面从收缩应力角度对超长无缝施工裂渗控制进行分析： 工民建的整体式基础，箱形基础的底板，其特点是厚度(或高度)H远小于长宽尺寸L，当H/L0.2时，板在温度收缩变形作用下，离开端部区域，板的全截面受拉应力较均匀。在地基约束下，将出现水平法向应力。从工程实践可知，sx是设计主要控制应力，是引起垂直裂缝的主要应力，其最大值smax出现在板截面的中点X=O处，当超过混凝土的抗拉强度（Rt），板中部出现第一条垂直裂缝；开裂后，每块板的水平应力重新分布，最大应力sx出现在每块板的中部，当sxRt，又形成第二批裂缝，。这种裂缝的有序排列经常在工程中见到。为防止这种有序裂缝的出现，工程中靠设置后浇带来释放收缩应力。这是控制裂缝的主要措施之一。 第二批裂缝 第一批裂缝 第二批裂缝图1应力与裂缝的分布示意图sxsx 研究表明，掺入高品质混凝土抗裂防渗剂在混凝土硬化过程中产生膨胀作用，在钢筋或邻位约束下，钢筋受拉，而混凝土受压，当钢筋拉应力与混凝土压应力平衡时，则有： Acsc二Asss二AsES2 而配筋率u=As/(Ac+ As) 所以As/ Ac= u(1一u)则sc =uEs2(1一u) 式中，sc一混凝土预应力(MPa)，Ac一混凝土截面积，sc一钢筋拉应力(MPa)As一钢筋截面积，Es一钢筋弹性模， u一配筋率()，2混凝土的限制膨胀率(即钢筋伸长率)。 从上式可见，sc与2成正比关系，而限制膨胀率随高品质混凝土抗裂防渗剂掺量增加而增加，所以，我们可以通过调整膨胀剂的掺量，可使混凝土获得不同的预压应力。根据水平法向应力曲线，我们设想在smax处给予较大的膨胀应力sc，而在两侧给予较小的膨胀应力，见下图，以便结构的收缩应力得到大小适宜的补偿从而控制有序裂缝的出现。 smaxsmaxscscsc图2膨胀应力sc收缩补偿应力smax示意图smax但是在工程中，如何实现图中的收缩补偿应力曲线呢? 在应力集中的smax处，设膨胀加强带，其宽度1.52米，带两侧架设密孔钢丝网，目的是为防止两侧混凝土流入加强带。施工时，加强带外侧用较小膨胀混凝土(外侧掺JM-III8)，浇筑到加强带时改用大膨胀混凝土(“加强带”内掺l2)，到加强带另一侧时，又改为较小膨胀混凝土浇筑。如此循环下去，可连续浇筑l00米超长结构。施工时连续浇筑，不留硬接茬。六裂缝控制原理1aT11aT1-P根据混凝土连续结构的伸缩缝间距L计算公式：L=1.5(Ec* H/ Cx)1/2arch式中 Ec混凝土的弹性模量；H构件的计算高度；Cx地基或底板对结构约束程度的系数；T结构相对地基的综合温差；钢筋混凝土的线形膨胀系数；p钢筋混凝土的极限拉伸值。推导出降低结构计算综合温差和提高钢筋混凝土的极限拉伸值，是延长钢筋混凝土底板、侧墙、顶板一次整浇长度、控制钢筋混凝土墙裂缝的关键措施。七抗裂验算与分析7.1工程模型一般实际结构比较复杂，为简便运算，进行一定的简化处理。本工程可将地下室简化成底板长105m、宽17m、厚0.8m，侧墙长105m、高4.2m、宽0.25m。楼盖分为长105m、宽17m、厚0.16m。地下室底版和楼盖配筋率选为0.5%，侧墙配筋率为0.9%，地下室钢筋20、侧墙12、砼设计标号为C30，S8，根据试验砼弹模取E（28）=3.00104Mpa，Rf=2.15MPa，JM-III改进型抗裂防渗剂膨胀率7d u=0.5%时为1.710-4 、 u=0.9%时为1.110-4。7.2环境情况与验算参数根据郑州气候条件,6月份时环境温度 为2535，计算环境温度T4=31，砼入模温度为T2=28，取测试混凝土7d绝热温升40.2计算砼7d最大收缩值Sd（t）=3.2410-4(1-e-0.01t).M1Mn水泥品种影响系数m1=1.00水泥细度影响系数m2=1.35骨料系数m3=1.00水灰比系数m4=1.10水泥浆量系数m5=1.20养护时间系数m6=1.00环境湿度系数m7=0.70Sd(7)=3.2410-4(1-e-0.017)1.001.351.001.101.201.000.70 =0.2710-47.3 地下室底板验算一维散热取系数0.6 T1=0.6Tmax=0.640.2=24.1预计砼中心平均温度T3=T1+T2=24.1+28=52.1取温度平均差值T0=5砼的最大冷缩值St(T3-T4+T0)=1.010-5(52.1-31+5)=2.6110-4砼极限延伸率Sk=0.5Rf(1+ )10-4=0.51.5(1+0.5/20)10-4=0.76810-4砼7d延伸率Sk(7)=0.8Sk(lg7) =0.92210-4砼的受拉徐变，偏于安全地假设为0.5倍7d CT=0.5Sk(7)=0.50.92210-4=0.46110-4砼最终变形 7d D=2-(St+Sd-CT)=(1.7-(2.61+0.27-0.461) 10-4=-0.71910-4 |D|Sk(7)温度区段长度（最大伸缩缝间距）计算：砼收缩当量温差T5= =2.7JM-III砼膨胀产生的补偿当量温差T6= =17砼综合温差T=T3+T5+T0-T4-T6=52.1+2.7+5.0-31-17=11.8E(t)=E0(1-e-0.09t) E(7)=2.87104/Mpa阻力Cx取 0.1Mpa/mmLmax=1.5arch (p=Sk+CT)=1.5 arcosh 因为 11.810-5-1.64110-40上式无解，因此物理概念上，伸缩缝可以取消。7.4 楼盖验算楼盖二维散热，取系数0.3 T1= 0.340.2=12预计砼中心平均温度 T3= T1+T2=12+28 =40砼的最大冷缩值St=(T3-T4+T0)=1.010-5(40-31+5)=1.410-4砼极限延伸率 SR=0.52.15(1+0.5/1.4)10-4 =1.4610-4 Sk(7)=0.81.4610-4(lg7) = 1.0410-4砼的受拉徐变取0.5Sk CT=0.5Sk(7)=0.51.0410-4=0.5210-4砼最终变形D=2-(St+Sd-C7)=(1.7-(1.4+0.27-0.52)10-4=0.5510-4 DSk(7)由上算式可得出结论：砼处于受压状态，不会开裂。温度（最大伸缩缝间距）计算砼收缩当量温差T5= = = 2.7 JM-III补偿温差T6=17砼综合温差T=T3+T5+T0-T4-T6=40+2.7+5.0-31-17=-0.3表明外加剂的补偿收缩功能可以抵消温差的影响，因此物理概念上伸缩缝可以取消7.5 侧墙侧墙宽0.25m，两侧有木模板、取系数0.5T1=0.540.2=20预计中心温度T3=T1+T2=20+28=48砼的最大冷缩值St=2.210-4砼极限延限率Sk=0.52.15(1+ 0.8/2.0 )10-4=1.50510-4 Sk(7)=0.81.50510-4(lg7) =1.07610-4砼受拉徐变CT=0.5Sk(7)=0.51.07610-4=0.53810-4砼最终变形D=2-(St+Sd-CT)=1.2-(2.2+0.27-0.538)=-0.732|D|Sk(7)结论：砼处于受拉状态，但不会拉坏砼综合温差T=T3+T5+T0-T4-T6=48+2.7+5.0-31-12=12.7Lmax= 1.5arch =1.5arcosh 因为 1.010-512.7-1.9110-40所以上式无解，因此物理概念上伸缩缝可以取消，但是考虑到实际情况，结构外墙每隔40米左右设置后浇带较为可靠。不会影响到外墙防水及回填土施工。从以上计算结果及分析来看，底板混凝土采取无缝整浇施工技术是可行的，但是侧墙建议仍然设置后浇带处理，以消除超长薄壁构件由于养护困难、保温难度大所带来的温度裂缝。膨胀混凝土配合比要进行优化配置，限制膨胀率及限制干缩率指标需要重新检测测定，以满足整体工程设计及施工需要。八、砼变形影响因素分析混凝土结构的干缩是非常复杂的变形过程，影响混凝土收缩的因素很多，同时尚应考虑变形影响，对此我们根据混凝土任意时间收缩计算公式：y(t)=3.2410-4(1-e0.01t)M1M2M10式中M1M2M10考虑各种非标准条件的修正系数。分述各种非标准条件的影响：M1（水泥品种修正系数）普通水泥为1.00，矿渣水泥为1.35，快硬水泥为1.12，低热水泥为1.00，从这个因素来看，采用低热水泥或普通水泥为好。M2（水泥细度）从目前市场供应的水泥来看，水泥细度大都接近5000，此时M21.35，这个因素对减少混凝土收缩不利。M3（骨料）常用的为砾石、石灰岩、花岗岩，在常用情况下M31.0，故此因素影响不大。M4（水灰比）当水/灰0.3时，M40.85；水/灰0.4时，M41.00；水/灰0.5时，M41.42，显然，从这个因素考虑，水灰比愈小愈好。M5（水泥浆）（表1）表1水泥浆量/ 15 20 25 30 35 40 45 50 M5 0.90 1.00 1.20 1.45 1.75 2.10 2.55 3.03M6（初期养护时间修正系数）此系数与混凝土浇筑后初期养护时间有关，养护时间愈长M6愈小，如养护7天，M6=1.00；养护10天，M6=0.96；由于我们大都使用掺粉煤灰的混凝土，故我们在正常情况下就规定养护期不小于14天。M7（环境相对湿度修正系数）（表2）表2环境相对湿度/ 25 30 40 50 60 70 80 90M7 1.25 1.81 1.10 1.00 0.88 0.77 0.70 0.54显然环境相对湿度愈大对减少混凝土收缩愈有利。M8此系数与构件截面尺寸有关，由设计定型定值。M9（不同操作条件的修正系数）一般采用机械振捣，M91.00。M10【不同配筋率（包括不同模量比）的修正系数】（表3）上表表明随着钢筋混凝土的配筋率的提高，混凝土的收缩量减少了。表3EgAg/EsAs 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25M10 1.00 0.86 0.76 0.68 0.61 0.55 八、超长砼结构无缝施工技术措施 为有效地控制砼裂缝的出现和发展，必须从控制砼的水化升温、延缓降温速度、减少砼收缩、提高砼的极限拉伸强度、改善约束条件和设计构造等方面全面考虑。1、在卷材防水层与砼保护层之间增设滑移层，如塑料薄膜以消除地基对基础的嵌固作用，释放约束力。2、在砼基础内设置必要的温度配筋，在截面突变和转折处，增加斜向构造配筋，以改善应力集中，防止裂缝的出现。3、采取二次振捣法，采用混凝土的二次振捣的施工工艺可提高混凝土的密实性，从而提高混凝土的p值。浇筑后及时排除表面水分，加强养护，提高砼时期或相应龄期的抗拉强度和弹性模量。4、砼养护措施在砼浇筑完毕终凝后，立即进行蓄水养护，在保持砼表面湿润的情况下开始覆盖薄膜，在保证砼表面不失水的情况下得到充分养护，然后再覆盖一层麻袋，经常进行浇水，使砼表面形成蓄水层，以提高砼的早期抗拉强度，养护时间不少于14天，使砼缓慢降温，充分发挥徐变特性，减低温度应力。规定合理的拆模时间，延缓降温时间和速度，充分发挥砼的应力松弛效应。5、基础筏板、剪力墙、地下室顶板砼分开浇筑，增加筏板、剪力墙、地下室顶板砼构件的自由端，使其在温度应力、收缩变形方面减少约束，缩小变形。6、优化砼配合比设计61水泥（1）选用低热水泥，一般采用普通硅酸盐水泥，但至少应不采用带“R”的早强水泥；62砂河砂，中粗砂，细度模数不大于2.3，严格控制含泥量、泥块含量。63石子连续级配的碎石，不具碱活性，严格控制含泥量、泥块含量和针片状含量。慢速荷载条件下的极限拉伸与粗骨料的种类有明显关系，在考虑徐变特性时，采用卵石的混凝土的 p为1.310-4，而采用碎石的混凝土的p却高达1.810-4。应采用碎石作为混凝土的粗骨料，采用碎石的混凝土比采用河卵石的混凝土，其p 提高了1.38倍。74外加剂减水率不小于20%；砼28d干缩率（水养7d+干燥21d）限制条件下收缩率不大于1.5*10-4；砼1h坍落度损失率不小于15%；碱含量小于0.75%；CI-含量小于0.02%；与水泥、掺和料适应性好。最好使用微膨胀外加剂补偿收缩。75粉煤灰用15%20%I级粉煤灰代替部分水泥，以减少水泥用量，减低水泥水化热值。掺有粉煤灰的混凝土可将自生收缩变为膨胀变形。75控制砼塌落度塌落度的大小主要与砼中的水用量有关，过大的塌落度不仅影响砼的本身质量，而且对砼裂缝的控制尤为不利，因此要严格控制砼的塌落度，在砼满足泵送的同时，砼的塌落度不宜大于140mm.76膨胀加强带措施掺JM-III膨胀混凝土补偿收缩模式曲线说明膨胀混凝土一方面推迟了收缩的产生过程，另一方面抗拉强度在此期间获得较大幅度的增长，当混凝土开始收缩时，其抗拉强度已经增长到足以抵抗收缩应力，从而减少或防止收缩裂缝的出现。注意： 1)膨胀加强带不同于后浇带，混凝土浇筑必须连续，保证“软接茬”。若遇混凝土供应不上或晚间停止施工，可在结茬处混凝土中掺加特效缓凝剂，使混凝土缓凝，这样就可以结上茬。一定要注意缓凝剂的掺加量，以防混凝土多日不凝，造成工程质量事故。 2)施工过程中必须做好组织管理工作，加强带处混凝土配比与两侧混凝土不同，应防止浇错位置。另外，混凝土的供应要做好汁算，需要几车加强带混凝土，需要几车侧面混凝土，以防一种混凝土长时间供应不上，造成硬结茬。 3)加强带混凝土采用塔吊上料或汽车泵为好，使用一台泵车打两种配比的混凝土容易出错。 4)膨胀加强带钢丝网的绑扎必须牢固。夏天混凝土入模的温度可能较高，必要时应在搅拌混凝土时采取加入适量冰水，并避免骨料被太阳晒，对混凝土输送管进行适当遮盖等措施，尽量降低混凝土入模温度。8、温度控制措施 （1）大体积混凝土测温的重要性大体积混凝土在硬化过程中由于温度变化而产生温度应力，当温度变化超过相应龄期的混凝土强度时，就会产生裂缝。特别在高温季节，混凝土的入模温度较高，产生的温度变形和温度应力也比较高，更有可能导致混凝土裂缝的产生，因此大体积混凝土裂缝控制是大体积混凝土施工的关健环节。 （2）为了全面了解混凝土内部温度情况，测温点的设置要具有具有代表性。本工程设8个测区，测温点24个，每个测区三个测点，沿深度方向于0.1M、0.4M、0.7M深度各埋一根32钢管，用温度计测温。 （3）测温制度根据大体积混凝土温度变化的规律及对砼情况的预测，制订测温制度为：第1-4D每4h测温一次；第5-9D每8h测温一次；第10-14D每12h测温一次（测温点布置图见附图）。如果混凝土所测内外温差超过250C，则要采加强砼的养护。 混凝土结构的裂缝控制是一项系统工程，牵扯到材料、设计和施工等各个方面。在材料方面，关键措施是在满足结构要求的前提下，通过掺加高品质的混凝土抗裂防渗剂及活性混合材料，最大限度地降低水泥用量，延缓混凝上的凝结时间、推迟混凝土水化热峰值，使混凝土在开始降温时，其抗拉强度得到足够的增长。要根据本工程的特点和部位，合理确定水泥品种和抗裂防渗剂的掺量，配制出膨胀能性合适、补偿收缩性能好、施工容易、强度有保证、科学合理的膨胀混凝土。在施工时，针对工程特点和膨胀混凝土的特性，采用合理的浇筑、振捣、养护等措施，只有采取综合措施，才能收到实效。需要强调的是，不是在混凝土掺入外加剂后所有的问题都能解决，在科学设计的基础上，如何把好施工质量关是很重要的。不应该片面强调材料等单一因素的作用，而应把合理的材料选择严密的设计方案、科学的混凝土配合比、严格施工组织和完善的工艺措施相结合，才能确保混凝士的施工质量，达到混凝土结构抗裂之目的。底板和楼板加强带的两侧铺设密孔铁丝网，并用立筋加固，施工时用掺8%JM-III的小膨胀混凝土，浇到加强带时，掺12%左右JM-III的大膨胀砼，其强度等级比两侧高C5等级即C35，到另一侧时，又改为原砼。对于墙体的加强带采用后浇加强带法，即加强带砼，在墙体浇筑养护14天后，用掺12%左右的JM-III回填，后浇加强带应设3MM厚300MM宽钢板止水带。中国建筑第二工程局广源项目经理部2005-5-28