大体积混凝土论文
大体积混凝土施工
王亚 王建昌 武帅
中交一航局四公司第一项目部
摘要:简要介绍桥梁大体积混凝土施工特点,结合现场施工,主要介绍大体积混
凝土结构裂缝产生的原因,并以材料、配合比设计、施工和养护四个方面进行综合分析,并提出了预防和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:大体积混凝土;裂缝预防;控制。
随着铁路建设的高速发展,在铁路桥梁上施工大体积混凝土的情况越来越多,在施工时,每次浇筑混凝土在数百方甚至上千方,必须采取有效地措施解决水化热及随着引起的体积变形问题,以最大限度减少开裂。
以上树河大桥及上峪大桥为例,由于承台,墩柱的混凝土数量一般超过200m³,个别墩柱的混凝土方量超过700m³属于大体积混凝土施工,结合现场施工情况,分析裂缝产生的原因,并以材料、配合比设计、施工方法和养护四个方面进行综合分析。
一、大体积混凝土施工特点:
1.1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; 1.2结构断面内配筋较多,整体性要求较高;
1.3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。
80年代以来随着我国基础设施的大规模建设,大体积混凝土得到了广泛应用,如高层建筑基础,混凝土大坝,公路铁路桥梁,在这些施工中积累了很多宝贵的施工经验。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。
1.4对大体积混凝土工程的研究,取得不少成就,主要是:
1.4.1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。 1.4.2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。
1.4.3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、裂缝产生的原因:
2.1、水泥水化热
水泥在水化过程中要释放出一定的热量,而大体积混凝土结构断面较厚,表面系数相对较小,
所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去,以至于越积越高,使内外温差增大。单位时间混凝土释放的水泥水化热,与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关,并随混凝土的龄期而增长。由于混凝土结构表面可 以自然散热,实际上内部的最高温度,多数发生在浇筑后的最初3~5天。
2.2、外界气温变化
大体积混凝土在施工阶段,它的浇筑温度随着外界气温变化而变化。特别是气温骤降,会大大增加内外层混凝土温差,这对大体积混凝土是极为不利的。
温度应力是由于温差引起温度变形造成的;温度应力与温差成正比,温差愈大,温度应力也愈大。同时,在高温条件下,大体积混凝土不易散热。因此,应采取温度控制措施,防止混凝土内外温差引起的温度应力。
2.3、混凝土的收缩
混凝土中约20℅的水分是水泥硬化所必须的,而约80℅的水分要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。混凝土收缩的主要原因是内部水蒸发引起混凝土收缩。如果混凝土收缩后,再处于水饱和状态,还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替会引起混凝土体积的交替变化,这对混凝土是很不利的。
影响混凝土收缩,主要是水泥品种、混凝土配合比、外加剂和掺合料的品种以及施工工艺(特别是养护条件)等。
2.4、大体积混凝土的内外温差应力
2.4.1以上树河大桥7#墩身为例
表2.2混凝土拌合温度计算表
2.4.2混凝土拌合温度为:
Tc=∑Ti*W*C/∑W*C=66885.924/2421.783=27.62℃ 以夏季混凝土浇筑为例:
考虑到砼在运输过程中受日晒等因素,入模温度比搅拌温度约高3 ℃,砼入模温度约为30.62℃。
砼中心最高温度为:Tmax=Tj+Th*ζ Tj=30.62℃ ----入模温度 ζ----散温系数,取0.7
Th----砼最高绝热温度。Th=W*Q/C/r=291*350/0.973/2397=43.67℃ 291----水泥用量 350----单位水泥水化热(参考值) 0.973----水泥比热 2397----砼密度 Tmax=Tj+Th*ζ=30.62+43.67*0.7=61.2 ℃ 2.4.3砼内外温差
砼表面温度(未考虑覆盖) Tb=Tq+4h’(H-h’)ΔT/H h’=kλ/β=0.6*2.33/22=0.06m H=h+2h’=2.3+2*0.06=2.42m Tbmax---砼表面最高温度 Ti----大气平均温度(℃) H----砼计算厚度 h’----砼虚厚度 h----砼实际厚度
ΔT----砼中心温度与外界气温之差的最大值 λ----砼导热系数,取2.33w/m.k (参考值) k----计算折减系数,取0.6
2
β----砼模板及保温层的传热系数(w/m2.k),取22( 参考值) ΔT=Tmax-Tq=33.2℃ 故Tb=31.2 ℃
砼内表温度差:ΔTc=Tmax-Tb=61.2-31.2=30℃>25℃
我国《铁路混凝土与砌体工程施工规范》中规定大体积混凝土温度内外温差为25℃
2.5温度应力计算
混凝土等级为C30,水泥用量为291kg/m 配筋率为0.37%较大,对控制裂缝有利。
结构厚度不算太大,水化热升温快,降温也快,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 是否超过当时极限抗拉强度 Rc. 采用公式; σmax=EaT[1-1/(coshβL/2)]s E—混凝土各龄期时对应的弹性模量。Et= Ec(1-e
-0.9t
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)=2.79*10 MPa
4
式中:e=2.718 自然对数底。 t=混凝土龄期,取3天,在约3天时混凝土水化热达到最大。 Ec----砼28天时C30弹模,取3*10MPa
a---砼线性膨胀系数,取1.0*10(参考值) L---结构长度(7.8m) T----结构计算温度 最大绝热温升Th=43.67℃ 实际温升最高为:
Ts=Th-Tq=43.67-28=15.67℃ Coshβ----双曲余弦曲线。β=
H----结构厚度(2.42m)
2
-5
4
Cx----混凝土板与支撑面间滑动阻力系数,取Cx=30N/mm(参考) S---砼应力松弛系数,取S=0.186
σmax=EaT[1-1/(coshβL/2)]s=2.79*10*10*15.67[1-1/3.9]*0.186=0.6MPa
[1]
4
-5
三、施工材料的选择:
大体积混凝土降低水化热是最主要的任务,降低水化热主要是从选材和配合比上着手。
3.1大体积混凝土选用原材料应注意一下几点:
3.1.1:粗骨料宜采用连续级配,细骨料宜采用中砂;砂子含泥量不得超过3%,石子含泥量不得超过1%。 3.1.2:外加剂宜采用缓凝剂,减水剂,掺合料宜采用粉煤灰等;
3.1.3:大体积混凝土钻保证混凝土强度及坍落度要求的前提下,应提高掺和量及骨料的含量,以降低单方混凝土的水泥用量;
3.1.4:应尽量选用水化热低,凝结时间长的水泥,优先选用中热硅酸盐水泥,低热矿渣硅酸盐水泥等 但是,水化热低的矿渣水泥的析水性比其他水泥大,在浇筑层表面有大量水析出。这种泌水现象,不仅影响施工速度,同时影响施工质量。因析出的水聚集在上下两浇筑表层间,使混凝土水灰比改变,而在掏水时又带走了一些砂浆,这样便形成了一层含水量多的夹层,破坏了混凝土的粘结力与整体性。混凝土泌水性的大小与用水量有关,用水量多,泌水性大;且与温度高低有关,水完全析出的时间随温度的提高而虽短;此外,还与水泥的成分和细度有关。所以在选择矿渣水泥时尽量选择泌水性的品种,并在混凝土中掺入减水剂,以减低用水量。在施工中,应及时排出水或拌制一些干硬性混凝土均匀浇筑在析水处,用振捣棒振实后,在继续浇上一层混凝土。
四、配合比设计:
4.1、基本要求
4.1.1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。但必须满足施工荷载的要求。
4.1.2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260~300kg/m。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。
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4.2、混凝土在搅拌站拌制时,混凝土原材料计量要准确,以保证配合比的准确性。
4.2.1计量。要求使用检定过的计量器具,保证计量正确。每工作班正式称量前,要求对计量设备进行零点校核。
4.2.2拌制。控制原材料投入搅拌机顺序,不得采用“外掺”、“后掺”等作法。混凝土必须严格控制拌制时间,每一班抽测2次。搅拌完成后装入运输车时,即要求每车测定坍落度,同时观察混凝土的和易性、
不得存在离析、分层等现象,坍落度不符合要求的混凝土不能出站。
4.2.3运输。确保施工混凝土的正常供应,连续浇注,避免因混凝土供应不上而出现冷缝。混凝土运输时间在任何情况下不得大于180min,对到达浇筑点超过210min的混凝土不得使用。混凝土运输车离开搅拌站后不得掺加任何材料,包括水、外加剂等。混凝土坍落度在运输过程中损失超过40mm或混凝土到达浇筑点温度大于25℃,不得浇筑到作业面。要求从每个搅拌站每隔一段时间就派出一辆混凝土罐车,保证混凝土供应的均衡性。因大体积混凝土方量较大,要求搅拌站派管理人员到现场指挥、联络、协调,发现问题及时解决。
五、 施工控制措施:
大体积混凝土产生裂缝是由多种原因造成的,其中,采用合理的施工方法,是防止大体积混凝土裂缝的有效措施。
5.1混凝土浇筑方法。混凝土的浇筑按混凝土自然流淌坡度、连续逐层推移、一次到顶的方法进行。混凝土浇筑过程中,每层混凝土初凝前都确保被上层混凝土覆盖,保证上下层浇筑间隔不超过混凝土初凝时间,避免施工裂缝出现。 5.2混凝土应采用机械振捣。
5.2.1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。
5.2.2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。 5.2.3振捣时要防止振动模板,并应尽量避免碰撞钢筋、预埋件等。
5.3泌水处理。混凝土在浇筑、振捣过程中,上涌的泌水和浮浆顺混凝土坡面下流到坑底,通过侧模底部开孔将泌水排出基坑。当混凝土大坡面的坡角接近顶端模板时,改变混凝土浇筑方向,形成集水坑,及时用水泵将泌水排除,以提高混凝土质量,减少表面裂缝。
5.4表面处理。由于泵送混凝土表面水泥浆较厚,在浇筑后2~8h,初步按标高用长刮尺刮平,然后用木板反复压数遍,使其表面密实,再用铁面板收面后立即用塑料薄膜覆盖。
5.5加强施工管理。在混凝土结构中,强度不是均匀的,裂缝总是从强度最低的薄弱处开始,当混凝土质量控制不严,混凝土离差系数大时裂缝就多。为防止裂缝,必须加强施工管理,提高混凝土的施工质量。
六、大体积混凝土的养护
砼养护是大体积砼施工中一项十分关键的工作。主要是保持适宜的温度和湿度,以便控制混凝土的内外温差,促进砼强度的正常发展及防止裂缝的产生和发展。 大体积砼养护主要是保持适宜的温度和湿度条件。 6.1保温养护作用:
6.1.1、减少砼表面的热扩散,减小砼表面的温度梯度,防止产生表面裂缝。
6.1.2、延长散热时间,充分发挥砼的潜力和材料的松弛特性。使砼的平均总温差所产生的拉应力小于砼抗拉强度,防止产生贯穿裂缝。 6.2保湿养护的作用:
6.2.1、刚浇筑不久的砼,尚处于凝固硬化阶段,水化的速度较快,适宜的潮湿条件可防止砼表面脱水而产生干缩裂缝。
6.2.2、砼在潮湿条件下,可使水泥的水化作用顺利进行,提高砼的极限拉伸强度。 6.3养护方法
6.3.1混凝土浇筑完后,表面应立即覆盖清洁的塑料膜,初凝后撤去塑料膜,用浸湿的粗麻布覆盖,
并经常洒水,保持潮湿状态最少7d。当条件许可时,也可采取在混凝土表面喷雾降温、润湿空气等养护措施,在模板底部采取预先冷却的技术措施等。保湿养护期间,应采取遮阳和挡风措施,以控制温度和干热风的影响。
6.3.2混凝土拆模后的洒水养护宜用自动喷水系统和喷雾器。湿养护应不间断,不得形成干湿循环。
应使混凝土浇筑体的里表温差及降温速率满足温控指标的要求;
6.3.3当环境相对湿度小于60%时,自然养护不应少于28d,当相对湿度在60%以上时,自然养护不
应少于14d。
6.3.4保湿养护过程中,应经常检查塑料薄膜或养护剂的完整情况,保持混凝土表面湿润。
七、结束语
大体积混凝土产生裂缝是由多种原因造成的,在大体积混凝土施工中,合理选择施工材料,优化混凝土配合比,优化混凝土的供应,采用科学的施工方法,严格施工管理,加强大体积混凝土养护,就可以降低混凝土温度应力和提高混凝土本身抗拉性能,减少裂缝的产生,保证工程质量。
八、参考文献
[1]混凝土结构设计规范.
[2]TZ210-2005铁路混凝土工程施工技术指南. [3] 铁路混凝土工程施工技术指南[2005]110号.
[4].《高层建筑施工手册》;中国建筑工业出版社; 杨嗣信;1992年12月第一版。