摘要: 通过分析超长大体积钢筋混凝土结构裂缝产生原因,并结合首都机场滑行道桥底板施工,介绍无缝设计、膨胀加强带的设置、ZY补偿收缩混凝土配合比、ZY补偿收缩混凝土施工、底板混凝土的成形工艺及施工效果,为同类施工提供借鉴。
关键词: 超大体积钢筋混凝土;裂缝控制;无缝施工
中图分类号: TU753. 64 文献标识码: A 文章编号: 1006 3226 (2006) 02 0136 04
1 工程概况
首都机场11号滑行道桥宽为80 m,跨度为23. 4 m,底板厚2. 0 m,设计混凝土强度等级C30,抗渗标号S8。该桥为超长钢筋混凝土结构,全埋于地下,基础埋深近20 m,涉及防水问题。原设计承台底板分为三段两次浇筑,设两道后浇带,后浇带浇筑间隔时间为30 d。设置后浇带,工期延长,且易留下渗水隐患。为加快施工进度,提高整体防水和抗震能力,决定取消后浇带。因此,采取了合理的技术措施,避免超长结构因环境气温变化、水泥水化热以及混凝土收缩变形等因素造成的混凝土结构开裂,确保工程质量。本工程为超长钢筋混凝土结构,承台平面尺寸为80 m ×30. 7 m,底板厚1. 5 m,承台厚度达到2 m,属大体积混凝土,为加快施工进度,提高整体防水和抗震能力,现取消后浇带,实现超长大体积混凝土无缝施工,因此需解决的技术问题有:结构尺寸超长,且是大体积混凝土结构。如何加快施工进度,保证工程质量是施工中的难点;由于气候(温度、湿度)变化,混凝土结构的热胀冷缩、干燥收缩以及水泥水化热所产生的温度应力都很大,如何控制因冷缩和干缩产生的拉应力造成的结构开裂,将成为施工技术的关键。
2 超长钢筋混凝土结构裂缝控制的基本原理分析
2. 1 补偿收缩混凝土抗裂的基本原理
补偿收缩混凝土是一种微膨胀混凝土,当膨胀剂加入普通水泥和水拌合后,水化反应形成膨胀性水化物钙矾石(C3A·3CaSO4 ·32H2O)或Ca (OH) 2 ,膨胀混凝土是解决混凝土开裂性价比较为理想的材料。膨胀混凝土在钢筋或邻位限制下,膨胀能作功,产生预压应力,它可抵消收缩产生的拉应力,并推迟了收缩的产生过程,混凝土抗拉强度在此期间能获得增长。当混凝土开始收缩时,其抗拉强度已增长到足以抵抗收缩引起的拉应力,从而防止和减少收缩裂缝的出现[ 1 ] 。并且根据结构不同部位,调整膨胀剂的掺加量,在结构收缩应力最大的部位采用大膨胀混凝土(即膨胀加强带) ,在结构收缩应力最大的部位采用微膨胀混凝土,使混凝土收缩拉应力得到大小适宜的补偿。采用这种办法,可以不留或少留伸缩缝,提高结构的整体性,减少留缝给施工带来的麻烦,从而加快施工进度,并缩短工期和减少施工管理费用。采用水化热低、又有一定膨胀性能的补偿收缩混凝土,同时加以适当的温控措施,就可以做到既经济合理、又能有效地解决超长混凝土结构的开裂问题。吴中伟院士提出了混凝土冷缩和干缩的联合补偿模式,即:当ε2 - S2 - ST ≤εP +CT ,就能达到控制裂缝的目的。其中,ε2为钢筋混凝土极限延伸率, S2 为混凝土干缩值, ST 为混凝土最大降温冷缩值,εP 为混凝土极限延伸率, CT 为混凝土受拉徐变。根据这一理论,在本工程中拟采用ZY膨胀剂、缓凝高效减水剂和粉煤灰(或矿渣粉)的“三掺”技术,即利用ZY使混凝土产生较高的膨胀率,利用缓凝高效减水剂和粉煤灰降低水泥用量和水化热,从而减少冷缩值和干缩值,这种“抗”的方法能较好地解决混凝土的裂缝控制问题。
2. 2 超长无缝施工裂渗控制收缩应力分析
本工程底板特点是厚度H远小于长宽尺寸L,当H /L ≤0. 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。在地基的约束下, 将出现水平法向应力σX 。根据工程实践可知,σX 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σmax出现在板截面的中点X = 0处, 当σmax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σX,出现在每块板的中部,当σX, > Rt 又形成第二批裂缝,第三批等。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或伸缩缝来释放收缩应力。这是目前施工控制裂缝的主要措施之一。从法向应力公式可见
式中, Cx 为水平阻力; H为板厚; E为混凝土弹性模量。
后浇缝只在较短的间距(L ) 范围对消减收缩应力(σmax ) 起显著的作用,超过一定长度,即使设后浇带也没有意义。按理论计算,消减σmax 的有效间距为20～60 m。下面谈到的膨胀加强带间距应设在此范围内。膨胀混凝土在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: Ac ·σc = As ·σs = As ·Es ·ε2 ;配筋率μ = As / (Ac +As ) ,得As /Ac =μ/ (1 - μ) ;则σc =μ·Es·ε2 / (1 - μ) 。其中,σc为混凝土预压应力, Ac为混凝土截面积,σs为钢筋拉应力,As 为钢筋截面积, Es 为钢筋弹性模量,μ为配筋率,ε2 为混凝土的限制膨胀率(即钢筋伸长率) 。在本工程中,采取以下措施实现收缩应力曲线。参见图1。在收缩应力集中的σmax处,设膨胀加强带,其宽度2～3m,加强带两侧架设免拆模板网,目的是为防止两侧混凝土留入加强带。施工时带外侧用小膨胀混凝土,浇注到加强带时改用大膨胀混凝土,到加强带另一侧时,又改为小膨胀混凝土浇注。如此循环下去,连续浇筑80 m超长混凝土结构。
3 施工技术方案
3. 1 技术措施
该工程采用结构自防水和无缝施工技术,关键是必须保证补偿收缩混凝土的质量,按文献[ 2 ] ,混凝土限制膨胀率ε2 ≥0. 015% ,根据工程实践,各部位混凝土收缩率不同,补偿收缩程度也应不同。一般是底板ε2 = (1. 5～2. 5) ×10- 4 ,边墙ε2 = (2. 0～3. 0) ×10- 4 ,膨胀加强带(或后浇带) ε2 = (2. 5～3. 5) ×10- 4。以膨胀剂掺量的多少来达到ε2 设计目标值,以满足补偿混凝土结构抗裂防渗的效果。针对本工程所采取的技术措施有:
(1)混凝土收缩控制。混凝土收缩包括混凝土自身随龄期的收缩、失水干缩、炭化收缩、塑性收缩等,针对于此,采用补偿收缩混凝土技术,即在普通混凝土中掺加一定比例的ZY膨胀剂。膨胀剂在水化过程中产生适度膨胀,在钢筋及邻位的约束下,在混凝土中建立一定的预压力,这一应力能大致抵消混凝土在收缩时产生的拉应力,从而防止或减少混凝土构件的开裂。从材料角度入手,严格控制混凝土原材料的质量和技术指标,选用低收缩原材料,如C3A较高的水泥、较低含泥量的砂石以及合理的砂石集配、高减水的外加剂,降低用水量和水泥用量,配置出收缩较小的混凝土。砼裂缝的主要原因是混凝土收缩和温差应力,因此做好保温、保湿养护,降低失水干缩,采用无纺布覆盖并浇水养护,晚拆模板,避免混凝土过早失水造成干缩开裂。混凝土的塑性收缩发生在早期,在混凝土终凝前表面必须用木抹子和抹刀搓压防止或减少表面龟裂现象的产生,最后一边的抹压要掌握好时间,应在混凝土临近终凝时为佳。
(2)水化热控制。水泥水化热造成温升,这样固化后的混凝土在降温过程中会产生较大的冷缩和温差拉应力,而混凝土抗拉强度低、变形能力小,很容易开裂。在混凝土中掺入膨胀剂,使其产生适度膨胀,用以抵消混凝土结构的部分冷缩,从而可以减轻或避免温差裂缝的出现。在混凝土中掺入适量的缓凝减水剂,目的是为了延迟水泥水化热的释放速度,同时降低热峰;而且此类减水剂还可提高混凝土的流动性,有利于运输和泵送;同时能够避免连续浇筑混凝土过程中的冷接缝问题,降低渗漏隐患;另一方面,减水剂作用可以节约水泥用量,从而降低造价,且水泥用量越少,水化热就越低,温差裂缝就越少。掺入粉煤灰或矿渣等活性混合材料,取代部分水泥,降低水泥水化的发热量,减少温度应力,减轻裂缝的出现。在施工过程中,作好测温和覆盖保温工作。测温主要是测定混凝土内部与表面的温差,温差控制在25 ℃以内,就可以控制裂缝,若温差超过25 ℃就须覆盖保温,以提高混凝土表面温度,缩小表面与内部温差。
3. 2 膨胀加强带的设置
根据本工程结构具体情况并结合设计要求,首先确定了膨胀加强带的位置,底板在距端头24 m位置设两条膨胀加强带,具体位置与设计图纸上的后浇带位置一致。底板膨胀加强带部分要增加部分温度应力的补偿钢筋。增加的补偿钢筋垂直于加强带,补偿钢筋直接绑扎在对应的水平筋上,设置间距为水平构造筋的两倍。补偿钢筋要延伸到加强带两侧50 cm,其材质与构造筋相同,直径要小于构造筋1 ～2mm。膨胀加强带设置宽度为3 m,加强带两侧用免拆模板网拦起,并采用钢筋绑扎牢固。
3. 3 ZY补偿收缩混凝土配合比
(1)原材料选用及要求。水泥: 42. 5普通硅酸盐水泥;砂:中砂,细度模数2. 5～2. 8,含泥量< 3%;石子: 5～31. 5 mm连续级配碎石。含泥量< 1%;膨胀剂: ZY膨胀剂,北京中岩特材公司生产,符合JC47622001规范要求;外加剂: JA2Z复合防冻剂;粉煤灰: 当地二级粉煤灰;矿渣粉:当地矿渣粉;水:自来水。
(2) ZY补偿收缩混凝土配合比。ZY补偿收缩混凝土配合比见表1。
(3) ZY补偿收缩混凝土性能。混凝土坍落度。混凝土的入模坍落度要求为160 ±20 mm。混凝土的凝结时间。初凝时间6～8 h,终凝时间8～10 h。混凝土的强度等级及抗渗标号。地下室底板和墙板的混凝土强度等级为C30,抗渗标号为S8。混凝土入模温度不低于5 ℃。
3. 4 ZY补偿收缩混凝土施工
3. 4. 1 原材料计量
水泥、砂、石、外加剂、膨胀剂、粉煤灰、矿渣粉、水必须经过计量后才能投入搅拌机,计量误差应符合下列要求(按重量计) :水泥、外加剂、膨胀剂、粉煤灰、矿渣粉、水的计量误差为±1%;砂、石的计量误差为±2%。
3. 4. 2 混凝土搅拌
在混凝土生产前,检查原材料质量是否符合有关标准。仔细校核计量装置,检查搅拌机器设备和现场泵管布置,确保混凝土生产和泵送时设备能够正常运转。派专人负责投料,并符合计量要求,尤其膨胀剂不得少掺,也不得多掺。及时测定砂、石的含水率,以便及时调整混凝土拌合用水量,严禁随意增加用水量。混凝土搅拌时间,用强制式搅拌机比不掺外加剂的普通混凝土延长10 s以上,应严格控制搅拌时间,确保混凝土搅和均匀。
(1)补偿收缩混凝土浇注前的准备。模板按设计图纸安装,必须固定牢靠,模板表面涂上脱模剂。模板缝应严密,不得漏浆。将膨胀加强带两侧的免拆模板网绑扎牢固,并用竖筋加固,以免密孔铁丝网被混凝土压垮。为避免因混凝土输送泵故障而产生长时间混凝土浇注停工,工地现场应有备用混凝土输送泵。养护器材要预先准备充足,主要是塑料薄膜和无纺布。
(2)补偿收缩混凝土的浇注施工。在浇注补偿收缩混凝土前,模板及钢筋间的所有杂物须清理干净。每块混凝土连续浇注时,必须保证“软接茬”,以防止产生冷缝,造成防水隐患。自防水混凝土的振捣必须密实,不能漏振、欠振、过振。振捣时间宜为20～30 s,以混凝土开始泛浆和不冒气泡为准。振捣时快插慢拔,振点布置要均匀。在施工缝、预埋件处加强振捣,以免振捣不实,造成渗水通道。振捣时应尽量不触及模板、钢筋、止水带,以防止其位移,变形。
3. 5 底板混凝土的成形工艺
(1)浇注方法。ZY补偿收缩混凝土的浇注施工,可采用分层浇注,从一个方向开始振捣,每层30 cm厚,层与层之间的接茬时间不应晚于混凝土的初凝时间,振捣必须密实。浇注到膨胀加强带时,用专门配置的大膨胀ZY补偿收缩混凝土填充膨胀加强带;膨胀加强带浇注完成后,再换回正常的微膨胀ZY补偿收缩混凝土继续往前浇注,依次反复进行直到全部完成。浇注混凝土时,在每个浇注带的前后布置两道震动器,第一道布置在混凝土的卸料点,主要解决混凝土上部的振实;第二道布置在混凝土坡角处,确保下部混凝土的密实。为防止混凝土集中堆积,先振捣出料口处的混凝土,形成自然流淌坡度,然后全面振捣,并按照施工规范严格控制振捣时间、振捣棒的移动间距和插入深度。每个浇注带的宽度应根据现场混凝土的方量、结构物的尺寸、供料速度、泵送工艺等情况预先计算好,避免冷缝的出现。
(2)二次抹面处理。在完成ZY补偿收缩混凝土浇注后,为防止混凝土在硬化工程中出现表面龟裂现象,要及时进行二次抹面处理。在混凝土初凝以后、终凝之前,先人工用木抹边拍打,使混凝土的浆液渗出;然后再用力进行抹压,直至抹压平整,随即用保温被覆盖。
(3)养护。ZY补偿收缩混凝土的养护非常重要,这是由于ZY混凝土中形成的膨胀结晶钙矾石需要大量的水,否则就影响膨胀效能。因此在每一块混凝土浇注、抹面完成后,要及时覆盖塑料薄膜,外面再覆盖保温材料;当整块混凝土硬化14～15 h后,中午开始浇水养护,保持混凝土表面湿润,养护期不少于14 d。养护工作要派专人负责。
3. 6 施工注意事项
混凝土严禁在水中浇注,施工前,应将基面和基坑中的水抽干。拆模板后,混凝土的内外温差不得大于25 ℃,表面温度与环境温度之差不得大于25 ℃,否则,容易开裂,必须对混凝土进行保温保湿养护。
4 结语
首都机场11号滑行道桥底板养护期满拆模后,结构混凝土表面光洁、平整、无任何裂缝,可见施工是成功的。通过该桥的实践,以下措施可供同类基础施工借鉴:超长大体积混凝土结构可以取消后浇带,采用补偿收缩混凝土一次浇注成型;控制大体积混凝土裂缝可以选择控制水泥用量,选用低热水泥,掺加合适的外加剂,优化配合比等措施;加强底板温度观测和养护工作,掌握底板内部的温度状况,可以有效地进行大体积混凝土的防裂控制。
参 考 文 献
[ 1 ]吴中伟,张鸿直. 膨胀混凝土[M ]. 北京:中国铁道出版社, 1990
[ 2 ]GB5011922003,混凝土外加及应用技术规范[ S].
