大体积混凝土结构一次性整体浇筑温度裂缝控制工法-

1、大体积混凝土结构一次性整体浇筑温度裂缝控制工法(JSGF01-20021、适用范围适用于高层建筑的片筏基础或箱形基础、大型设备基础、人防及地下建筑、地铁车站、大型公共建筑的基础底板,桩基础的承台,高层建筑转换层结构,悬索桥锚碇基础底板等大体积混凝土结构。2、工艺原理2.1研究表明:有限单元法是计算混凝土结构温度和收缩应力最为有效的方法,但其计算结果的正确性取决于计算程序能否有限元软件由于对影响温度应力的诸因素。现有大量的有限元软件由于对影响温度应力的几个主要因素未能很好地考虑,计算温度应力有时大到令人难以信服的程度,与试验实测结果也不吻合。我们研制的钢筋混凝土非线性有限程序,能全面地考虑影响混

2、凝土结构温度与温度应力诸因素,自动追踪裂缝的发生与发展并计算裂缝的开展宽度,已应用于多项大型工程, 1996年6月在湖北宜昌由长江三峡开发总公司组织的有限元软件考核会上,计算结果受到一致好评,列参加考核单位之首。2.2有限元仿真分析只是一个手段,计算结果是否合理、正确,关键取决于输入的基本参数。影响混凝土结构温度裂缝的因素很多,诸如混凝土的热学、力学参数,弹性模量,约束强弱,绝热温升,徐变及松驰系数、收缩变形,保温性能,养护条件等,理论上讲,这些参数应该根据具体工程的实际情况由实际情况由试验确定,但实际上除少数大型工程有条件进行试验研究外,绝大数中、小型工程都不进行试验研究,必要时参考类似工程

3、按常规取用,但很难与实际情况相符。我们根据大量试验研究成果,在优化的基础上提出了根据混凝土材料组成及设计参数估算大体积混凝土绝热温升、导热系数、导温系数、徐变及应力松驰系数、弹性模量、极限拉应变等的计算公式,已纳入水工混凝土结构设计规范(DL/T5057-1996。建筑工程大体积混凝土有一定的特殊性,应用时需作适当修正。2.3由于大体积混凝土结构温度裂缝与骨料品种、配合比、外加剂掺合料、浇筑温度、浇筑顺序、外界气温、保温措施、养护条件等直接有关,施工过程中存在很多的不定性,理论计算很难完全反映实际情况,因此必须进行工程实时监控。温度实测常见的方法有:一是预留测温孔,用玻璃温度计测量,该法精度差

4、,操作不便,技术含量太低;二是采用便携式建筑电子测温仪进行测量,该法数字显示温度,准确直观快捷,体积小,性能好,操作简单,携带方便,但只能逐点检测,无法实现自动化监控;三是采用热电阻、热电偶等原件进行测量,既可现场逐点测量,也可将斥温点引至中控室实现集中测量,但每个测点需一根引线,成本太高,尤其是当测点较多的对施工干扰大,出现故障后很难修复。我们采用美国达拉斯生产的BS18B20作为测温原件,采用温度巡检仪进行自支监测,计算机及时进行处理反馈。由于该法采用网络总线布置方式,一根总线可连接96个测点,不仅节导线,降低成本,更重要的是方便施工,实现实时监控,提高技术含量。3、工艺流程工艺流程详见图

5、1。4、操作要点4.1成立联合攻关小组由于大体积混凝土温度裂缝控制是一个系统工程,涉及到方方面面,且需一定的时间进行相关的工作,因此,在混凝土浇筑前2-3个月前就应成立由施工单位、监理单位、混凝土供应商、外加剂供应商、温控监测单位等组砀联合攻关小组,加强领导,各怀其职,定期碰头,沟通协调。4.2合理选择材料品种4.2.1水泥最好选用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥等,当有充分论证(主要指最好混凝土发热量较低时也可采用其它品种的水泥。4.2.2粗骨料最好选用温度线膨胀系数较小的石灰岩骨料,形状以碎石为佳,粒径尽量大一些,在5-40mm左右。4.2.3细骨料采用含泥量较低的中粗砂,细度模数为2.5-3.

6、2,含泥量小于1%。4.3优人混凝土配合比4.3.1采用泵送商品混凝土浇筑,施工单位只需提出以下原则性要求,具体配合比由商品混凝土供应商和外加剂供应商共同进行试配并优化,但需符合现行相关规范要求。4.3.2混凝土强度等级按设计要求即可,不宜超强,否则对温对控不利,而且要尽可能利用后期强度,例如56天强度等等。4.3.3混凝土的水灰比宜在0.4-0.6,砂率含量在40%左右,初凝时间在12-20小时,坍落度在12-16cm。4.3.4为了降低水化热,应掺加优质粉煤灰等添加料,掺量20%,尽可能采用超量取代。4.3.5为了达到上述必能必须掺加抗裂、防渗、减小等外加剂,具体品种和掺量由中标外加剂供应

7、商试配确定。4.4混凝土水化热试验4.4.1大体积混凝土水泥化发热量是温度裂缝控制最关键的一个参烽,因此,在进行配合比试验时必须同时进行水化热试硷研究。4.4.2胶凝材料的水化热试验必须进行,并测量3天、7天、14天、28天的发热量。7天的水化热不宜大于250kj/kg。4.4.3有条件时应尽可能进行混凝土的水化热试验,避免由胶凝材料的水化热推算混凝土水化热带来的误差,以提高试验的精度。4.5初步拟定施工方案4.5.1浇筑方案可根据结构平面布置、商品混凝土供应等具体情况,选择以下三种方式。4.5.1.1全面分层:在整个结构平面内全面分层浇筑混凝土,并保证第一层浇完后回来浇筑第二层时,第一层浇筑

8、的混凝土还未初凝,如此逐层进行,直至浇筑结束。该方案适用于结构平面尺寸不太大的情况,施工时沿短边开始,沿长边进行。必要时也要分两段,从中间向两端或从两段向中间同时进行。4.5.1.2分段分层:适用于厚度不太大而面积和长度较大的结构。混凝土从底层开始浇筑,进行一段距离后回来浇筑第二层,如此依次向前浇筑以上各分层。4.5.1.3斜面分层:适用于结构长度超过厚度的三倍。振捣工作应从浇筑层的下端开始,逐渐上移,以保证混凝土施工质量。4.5.1.4分层的厚度决定于振捣器的棒长和振捣力的大小,以及混凝土供应量的大小,一般为30-50cm。4.5.2混凝土泵和搅拌运输车的台数可根据混凝土工程量的大小以及预计

9、的浇筑时间来确定。4.5.2.1混凝土工程量根据实际情况确定,预期的浇筑时间可由当地商混凝土供应能力来确定,例如南京市商混凝土供应能力可取100方立米小时左右。4.5.2.2混凝土泵的台数根据混凝土总方量、预计浇筑时间以及混凝土泵单机的实际平均输出量按下式计算:N1 = Q/(Q1×T式中 N1棗混凝土泵的数量(台;Q棗混凝土浇筑的总方量(m3;Q1棗每台混凝土泵的实际平均输出量(m3h"T棗预计浇筑时间(h4.5.2.3混凝土泵实际平均输出量,可根据混凝土泵的最大输出量、配管情况和作业效率等按下式计算:Q =Qmax*a1?式中Q1棗每台混凝土泵的实际平均输出量(m3h;

10、Qmax棗每台混凝土泵的最大输出量(m3h;a1棗配管条件系数,可取0.8-0.9;?棗作业效率,可根据混凝土搅拌车向混凝土泵供料的间隙时间、拆装混凝土输送管和布料停歇等情况最0.5-0.7。4.5.2.4每台混凝土泵边疆作业时所需配备的混凝土搅拌运输车的台数可按下式计算:N = Q1/60V1(60L1/S0+T1式中N1棗混凝土搅拌运输车台数(台;Q1棗每台混凝土泵的实际平均输出量(m3h;V1棗每台混凝土搅拌运输车容量(m3;S0棗混凝土搅拌运输平均运输速度(Kmh;L1棗混凝土搅拌运输车往返距离(Km;T1棗每台混凝土搅拌运输车总计停歇时间(min;4.5.3混凝土泵的布置。混凝土泵的

11、布置应考虑以下条件:4.5.3.1混凝土泵设置处,应场地平整、坚实,具有重车行走条件。4.5.3.2混凝土泵应尽可能靠近浇筑地点。在使用布料杆工作时,应使浇筑部位尽可能在布料杆的工作范围内。4.5.3.3多台混凝土泵同时浇筑时,选定的位置要使其各自承担的浇筑量接近,最好能同时浇筑时,选定的位置要使其各自承担的浇筑量接近,最好能同时浇筑完毕。4.5.3.4混凝土泵布置的地点要有足够的场地,以保证混凝土搅拌运输车的供料、调车的方便。4.5.3.5为便于混凝土泵、搅拌运输车的清洗,停放位置应接近排水设施,且供水、供电方便。4.5.3.6在混凝土泵的作业范围内,不得有障碍物、高压是线,同时还要有防范高

12、空坠物的措施。4.5.4混凝土输送管道混凝土输送管包括直管、弯管、锥形管、软管、管接头等。对输送管道的要求是阻力小、耐磨损、自重轻、易装拆。4.5.4.1直管:常用的管径有15、30、45、60和90,其曲率半径有1.5、0.5、2.0、3.0和4.0m五种,壁厚一般为1.62.0mm,由焊接钢管和无缝钢管制成。4.5.4.2弯管:弯管的弯曲角度有15、30、45、60和90,其曲率半径有1.5、0.5、和0.3m三种,以及与直管相应的口径。4.5.4.3锥形管:主要是用于不同管径的变换处,常用的有175-150、150-125、125-100mm。常用的长度为1m。4.5.4.4软管:软管的

13、作用主要是装在输送管未端直接布料,其长度有5-8m,对它的要求是柔软、轻便和耐用,便于人工搬动。4.5.4.5管接头:主要是用于管子之间的连接,以便快速装拆和及时处理堵管部位。4.5.5输送管道设计要点4.5.5.1混凝土输送管应根据工程和施工场地特点、混凝土浇筑方案进行配管,应尽可能缩短管线长度。为减少压力损失,少用弯管和软管。输送管的铺设应保证安全施工,便于管道清洗和故障排除。4.5.5.2输送管道布置要求横平竖直。在同一条管线中,就采用相同管径的混凝土输送管;同时采用新、旧管段时,应将新管布置在压力较大处。4.5.5.3混凝土输送管应根据粗骨料最大料径、输送距离等确定。当粗骨料最大料径为

14、40mm时,混凝土输送管最小管径为125mm。4.5.5.4在计算泵磅能力时,通常是将混凝土输送管的各种工作状况换算成水平长度,如表1所示。表1 混凝土输送管的水平换算长度类型单位规格水平换算长度(m向上垂直管每米125mm 150mm 4 5锥形管每根175-150mm 150-125mm 4 8弯管每根 R=0.5m 90: R=1.0m 12 9软管每5-8m长的1根20注:1、R曲率半径。2、弯管的弯曲角度小于90时,需将表列数值乘以该角度与90角的比值。3、向下垂直管,其水平换算长度等于其自身长度。4、斜向配管时,根据其水平和垂直投影长度,分别按水平、垂直配管计算。4.5.5.5混凝

15、土泵的最大水平输送距离可根据计算确定:Lmax=Pmax/腜h腜h= 2/r0 K1+K2(1 + t2/t1V2?a2 K1=(3.00-0.01S1?00K2=(4.00-0.01S1?00式中Lmax棗混凝土泵的最大水平输送距离(m;Pmax棗混凝土泵的最大出口压力(Pa;腜h棗混凝土在水平输送管内流动每米的压力损失(Pam;r0棗混凝土输送管半径(m;K1棗粘着系数(Pa;K2棗速度系数(Pa m sS1棗混凝土坍落度(cmt2/t1棗混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比,一般取0.3;V2棗混凝土拌合物在输送管内的平均流速(ms;a2棗径向压力与轴向压力之比,对普通混凝土取

16、0.90。计算所得最大水平泵送距离应大于配管整体水平换算长度。根据混凝土泵管径、最大泵距离来选择混凝土泵的型号。4.5.5.6混凝土输送管不得直接支撑在钢筋、模板及预埋件上。水平管要求每隔一定距离用支架、台垫、吊具等固定,以便于排除堵管、装拆和清洗管道;垂直管宜用预埋件固定在墙和柱或楼板预留孔处。 4.5.5.7在高温炎热季节施工时,要在混凝土输送管上遮盖湿罩布或湿麻袋,以避免阳光照射,并注意每隔一定的时间洒水湿润。4.5.5.8在严寒冬季施工时,混凝土输送管道应用保温材料包裹,以防止管内混凝土受冻,并保证混凝土的人模温度。4.5.5.9混凝土输送管道应定期检查,特别是弯管和锥形管等部位的磨损

17、情况,以防爆管。4.5.6选择合理的浇筑时间4.5.6.1大体积混凝土的浇筑时间要慎重选择,应与气象部门保持密切联系,时刻关注天气预报,在夏天应尽量避开特别炎热的天气,在冬天应尽量辟开特别寒冷的天气。当然也不应在大雨、大雪等恶劣天气下施工。4.5.6.2在确定开浇日期后,夏天宜在傍晚时刻开浇,冬天宜在早晨9点钟左右开浇。4.5.7选择合理的浇筑温度4.5.7.1除特别寒冷天气(一般应避免时施工防止混凝土冻坏外,一般来说浇温度应尽可能低。4.5.7.2春、秋、冬季施工时一般不采取特别的降温措施,但注意不能使用刚出炉的温度很高的水泥。4.5.7.3夏季施工时必要时采取降温措施,例如用低温水或冰水搅

18、拌混凝土,对骨料喷冷水雾或冷气进行预冷,对骨料进行覆盖或设置遮阳装置避免日光直晒,运输工具如有条件也应搭设避阳设施,以降低混凝土的入模温度。4.5.7.4应特别注意由于输送管道的磨擦作用引起混凝土温度的升度,一般在5度左右。4.6初步拟定保温方案4.6.1不管在冬季还是在夏季,保温对大体积混凝土裂缝控制均很重要。4.6.2通常的做法是在混凝土表现覆盖一层塑料薄膜,薄膜上面盖草袋,草袋的厚度可先按常规假定,再经仿真分析计算确定,必要时再在草袋上面覆盖一层塑料彩条布,其保温保湿效果非常好。4.6.3另外也可采用蓄水养护,尤其在夏天施工。4.7进行数值仿真分析4.7.1在混凝土配合比、水泥水化热及混

19、凝土绝热温升、施工方案、保温措施已基本确定的基础上,采用有限单元法对大体积混凝土施工全过程进行仿真分析,计算任意时刻、任意部位混凝土的温度场及温度应力。4.7.2有限元仿真分析时所用到的混凝土热学性能指标最好由试验确定,在确有困难时也可参考现有资料根据材料组成按下法确定。4.7.2.1混凝土线热胀系数可根据粗骨料的种类依石英岩、砂岩、花岗岩、玄武岩、石灰岩顺序以次取11、10、9、8和7?0-6/。4.7.2.2混凝土导热系数可取胜10.6kj(m.h. 4.7.2.3混凝土比热可取0.9kj/(kg. 。4.7.3混凝土表面设有保温层时,等效放热系数eq可按下式计算:1eq = hi/雐+1

20、/式中hi棗第i层保温材料的厚度,m;雐棗第i层保温材料的导热系数,按表2取用;棗最外层保温材料与空气接触的放热系数,当有塑料彩条布时取25-50kj/(m2.h. 直接向空气散热时取50-90kj/(m2.h. ,蓄水养护时取为无穷大。表2 保温材料的雐值kj/(m2.h. 材料木板木屑草袋石棉毡油毛毡泡i塑料i 0.84 0.63 0.50 0.42 0.17 0.134.7.4根据有限元仿真结果对大体积混凝土最高温度、最大内外温差、最大温度拉应力进行验算,一般来说希望内外温差控制在20-25以内,最大拉应力不要超过混凝土同龄期时的坑拉强度。4.7.5若不满足上述条件,应修正施工方案或采取

21、相应的温度裂缝控制措施。4.8修改施工方案并采取温控措施4.8.1当内外温差不足有关规定时,通常考虑增加保温层的厚度,可按5.7的方法计算等效热系数eq。4.8.2若所需保温层实在太厚以致于不现实时,可考虑采用在混凝土内部埋置冷却水管,其散热效果是非常好,尤其是对于降低内部最高温度效果更为明显。4.8.3冷却水管的设计原则如下:4.8.3.1冷却水管可采用钢管或薄铝管,直径取2.54cm(1英寸,水管间距1.0-1.5m。4.8.3.2经济流量取为18ml/min(即1.08m3/h,相应流速为0.59m/s。4.8.3.3水温与混凝土的温度差应控制在20-25。温差太小,冷却效果差;温差太大

22、,容易产生内部裂缝。水管长度影响到管内压力损失、水关损失和水泵容量,适宜的长度为200-250m。4.8.3.4进、回水宇航局口应设置换向阀门,通水冷却时可不断调换进、回水管口,提高冷却效果。4.8.3.5水泵及水管等材料的用量根据计算确定。4.8.3.6冷却水管安装好后应通水检查,看是否畅通、有无泄漏。4.8.4此处,还可采取一些构造措施以削弱温度应力。例如:4.8.4.1对大体积混凝土基础与岩石、厚大的混凝土垫层之间设置滑动层,如铺沥青油毛毡等。4.8.4.2在大体积混凝土基础内配置必要的温度钢筋,以改善应力集中,防止裂缝出现。4.9再次进行仿真分析根据修正施工方案以及采取的温度裂缝控制措

23、施,采用有限单元法对大体积混凝土施工全过程再次进行仿真分析,直至任意时刻、任意部位混凝土的温度场及温度应力均满足要求时为止。4.10施工臆准备工作除进行常规准备工作外,对大体积混凝土结构施工前尚需进行以下准备工作:4.10.1保温材料要提前准备到位。保温材料品种和数量需根据所设计的保温方案经计算确定。4.10.2预埋测温原件。测点布置应本着“经济、合理”的原则,以尽可能少的测点反映结构各部位的温度信息。平面上利用对称性以减少测点,通常沿纵、横轴向或对角线方向在1/2-1/4个数不少于3个,分别布置在距顶面5cm、距底面5m和中间偏下一点,当结构厚度较大时,可适当增加测点的个数到4-5个。具体测

24、温原件的数量以及网络线的长度需根据工程的具体情况由计算确定。4.11大体积混凝土施工4.11.1精心浇筑4.11.1.1安排好高度工作,相互协调、配合4.11.1.2混凝土搅拌运输车装料前,必须将拌筒内积水倒除。运输途中,严禁往拌筒内加水。若运至目的地时坍落度损失过大,可在符合混凝土设计配合比要求的前提下适量加粉i型高效减水剂,并强力搅拌3分后再卸料。混凝土搅拌运输车在运输途中,拌筒应保持3-6转/分钟的慢速转动。4.11.1.3加强振捣。振棒插入的间距一般为400mm左右,振捣时间一般为15-30s,并且在20-30min后进行二次复振。尤其对于预留洞、预埋件和钢筋密集的部位应预先制定好相应

25、的技术措施,确保顺利布料和振捣密实，浇筑时经常观察，发现有不密实等现象应立即采取措施。 4.11.1.4不同浇筑区域之间、上下层之间的混凝土浇筑间隙时间不 得超过混凝土的初凝时间。 4.11.2二次抹面 当大体积混凝土按基准标高面浇完一定数量后，在混凝土初凝前， 用铝合金长括尺表面括平，木蟹打平，这是第一遍。第二遍待收水后， 表面沿钢筋位置出现收水裂缝，用滚筒滚压数遍，用木蟹揉搓，闭合收 水裂缝。 4.11.3及时保温 第二次抹平后立即盖上保温层。保温效果的好坏，对大体积混凝土 温度裂缝控制至关重要。要严格按温控设计铺盖保温材料，并要有专人 监督，尤其是在钢筋密集的柱、墙部位以及侧面模板外边。 4.11.4通水冷却 当采用冷却水管进行降温时，混凝土入仓后36小时左右就可通水冷 却。在通水冷却过程中要经常切换换向阀门，不断调换进、回水管口， 提高冷却效果。 4.11.5实时监控 4.11.5.1为避免干扰施工，在覆盖保温材料的同时尽快将测温原件 与测试系统连上并开始实时监控。在实时监控之前要现场测量混凝土入 仓温度、大气温度，以便数据的分析处理。