大體積混凝土主要質(zhì)量問題的成因及影響因素

知識管理論文大體積混凝土施工質(zhì)量控制裕廊北京代表處何曉峰PAGE第3頁共16頁、大體積混凝土主要質(zhì)量問題的成因及影響因素大體積混凝土最主要可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題是混凝土裂縫，而裂縫產(chǎn)生的原因有以下幾點(diǎn)：1.大體積混凝土澆筑后集聚在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高，混凝土產(chǎn)生自內(nèi)向外的膨脹，就在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，在外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于此時混凝土的強(qiáng)度低，自有強(qiáng)度不足以克服拉應(yīng)力即產(chǎn)生表面裂縫。2.在降溫階段新澆混凝土產(chǎn)生收縮，但存在較強(qiáng)的地基或基礎(chǔ)的約束而不能自由收縮。升溫階段快，混凝土彈性模量低，徐變的影響大，所以降溫時產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于升溫時產(chǎn)生的壓應(yīng)力。差值過大時，將在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。內(nèi)部裂縫和外部裂縫重合形成貫穿裂縫，成為混凝土的重大質(zhì)量缺陷。3.混凝土水灰比過大，澆注后混凝土收縮量大，形成裂縫。4.施工時振搗不密實(shí)，造成混凝土因收縮出現(xiàn)裂縫。5.表面搓壓時機(jī)不當(dāng)、遍數(shù)不夠，出現(xiàn)干縮裂縫。6.混凝土初凝后養(yǎng)護(hù)不到位，混凝土表面出現(xiàn)干縮裂縫。分析上述六類因素，其中4-6條是需要在施工過程中解決的，第4條需在攪拌混凝土?xí)r解決。第1、2條需通過理論分析找到解決的途徑。根據(jù)前面的分析我們知道要避免1、2類的裂縫出現(xiàn)就是要使產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于同期混凝土抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，并有一定的安全系數(shù)。而產(chǎn)生拉應(yīng)力時因為混凝土澆注后一段時間內(nèi)溫度的快速上升和下降，顯然控制溫度的變化才能最終避免裂縫的出現(xiàn)。下面我們來分析溫度變化和應(yīng)力的關(guān)系。首先，我們來看應(yīng)力和溫度的關(guān)系，混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力σmaxσmax＝Eα△T(1-(1)/(coshβL/2))H(t,τ)………(1)式中：E——混凝土的彈性模量(N/mm2)α——混凝土的線膨脹系數(shù)(10-5/℃)△T——溫差(℃)指混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度之差。L——板長(mm)β＝Cx／HEH——板厚(mm)H＞0.2L時，取H＝0.2LCx——地基水平阻力系數(shù)(N/mm3)H(t，τ)…考慮徐變后的混凝土松馳系數(shù)，其中，t——產(chǎn)生約束應(yīng)力時的齡期，τ——約束應(yīng)力延續(xù)時間。注意同期內(nèi)降溫階段由于混凝土收縮引起的應(yīng)力應(yīng)轉(zhuǎn)化為當(dāng)量溫差，計入△T一并計算σmax。分析（1）式，針對一個特定的項目式中E、cosh、β、L、H均為固定值，對應(yīng)力影響最大的就是△T，即溫差。而且是正比關(guān)系，也就是溫差越大應(yīng)力越大，越容易產(chǎn)生裂縫?；炷翝沧⑼旰蟮谋砻鏈囟热Q于大氣溫度，受工程進(jìn)度及工期的影響，大氣溫度是我們難以選擇和控制的。下面來分析混凝土的內(nèi)部溫度?；炷翝沧⑼旰髢?nèi)部的最高溫度是混凝土澆筑溫度、實(shí)際水化熱造成的溫升和混凝土散熱溫度的總和。根據(jù)已有的大量的測溫資料顯示，混凝土內(nèi)部的最高溫度大多發(fā)生在澆筑后的3～5天?；炷羶?nèi)部的最高溫度Tmax可按下式計算：Tmax＝T0+(WQ/Cr)ξ+(F)/(50)(2)式中：T0——混凝土的澆筑溫度(℃)W——每m3混凝土中水泥的用量(kg/m3)F——每m3混凝土中粉煤灰的用量(kg/m3)Q——每kg水泥水化熱(J/kg)C——混凝土的比熱(993.7J/Kg*K0)r——混凝土的密度(2400kg/cm3)ξ——不同厚度的澆筑塊散熱系數(shù)(見表1)表1：不同厚度的澆筑塊散熱系數(shù)厚度(m)1.01.52.02.53.03.54.0＞4.0ξ0.230.350.480.610.730.830.951.0實(shí)測資料顯示，上述公式的相對誤差在0.1%～1.3%之間。上述公式中的C、r、ξ（對特定的項目，厚度已確定）為固定值，要降低混凝土的內(nèi)部溫度就是要控制T0、W、Q、F。通過以上分析，我們找到了導(dǎo)致大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的各種影響因素，下面以工程實(shí)例為例分析如何控制大體積混凝土的質(zhì)量。二精心的技術(shù)措施準(zhǔn)備工作惠谷金色家園二期地下車庫共地下6層，地上1層，是一個由電腦控制自動存、取車的機(jī)械停車庫?；A(chǔ)為筏式基礎(chǔ)，底板底標(biāo)高為-18m,長53.3m,寬25.8m，混凝土厚度為1.5m、強(qiáng)度為C40s8，混凝土澆注量為2500m3。當(dāng)時預(yù)計施工時間為9月下旬。1.降低混凝土內(nèi)部溫度的措施根據(jù)前面公式（2）的分析我們已經(jīng)知道，影響混凝土內(nèi)部溫度的因素主要為澆注時混凝土的入模溫度、水泥的用量、水泥的水化熱、粉煤灰的用量。在7月初我們就和商品混凝土攪拌站聯(lián)系，就如何控制各項參數(shù)和確保順利施工展開多次專題討論和磋商。1.1降低混凝土入模溫度的措施混凝土的入模溫度受原材料的溫度、運(yùn)輸途中升溫的影響。攪拌站的砂、石均存放于室內(nèi)，其溫度比氣溫低4℃左右；水泥和粉煤灰我們要求攪拌站提前進(jìn)購，使其從出廠時的高溫降至近似于大氣溫度；攪拌用水當(dāng)時有3種選擇，一是用自來水，水溫略低于大氣溫度。二是用深層地下水，水溫為10-13℃。三是用深層地下水并加冰塊，可以選擇理想的混凝土出模溫度，但該項措施要增加不少成本。在驗證其地下水的化學(xué)分析報告可以用于攪拌混凝土，再經(jīng)過后面的計算選擇后，我們放棄了加冰塊的措施，選用深層地下水?dāng)嚢琛Ｔ?月時，混凝土的出機(jī)溫度為28-29℃，到9月大氣溫度按平均大氣溫度算約降低5℃?，F(xiàn)場實(shí)測混凝土從攪拌站運(yùn)到現(xiàn)場升溫1-2℃，即現(xiàn)場澆筑溫度預(yù)測為最高26℃。1.2減少水泥的用量減少水泥用量的方法一是使用高標(biāo)號水泥。方法二是在砼中摻加大劑量優(yōu)質(zhì)粉煤灰，因為粉煤灰釋放的水化熱極低，又能增加混凝土的和易性，以減少水泥用量，從而降低混凝土產(chǎn)生的水化熱。摻用粉煤灰后混凝土后期強(qiáng)度較高，我們征得設(shè)計單位同意將原28天齡期C40該為60天齡期C40，初步估算這樣可減少水泥用量約60公斤/m3，砼因水化熱升溫降低約6-8℃。1.3降低水泥的水化熱降低水泥水化熱是根據(jù)選擇水泥的品種來實(shí)現(xiàn)的。在通常使用的水泥中，單位普通硅酸鹽水泥產(chǎn)生的水化熱最低。對于一般工程而言，在不能額外增加費(fèi)用的情況下，使用特種水泥是不合算的。這樣通過與攪拌站實(shí)驗室磋商，采用天津“振興”42.5#普通硅酸鹽水泥（即525#）。1.4降低混凝土的水灰比和延長初凝時間前面的分析中已經(jīng)提到，混凝土的水灰比大會造成混凝土的收縮量大，也是形成混凝土容易裂縫的原因。同時，混凝土的強(qiáng)度高，加之用水量要少，這樣混凝土的初期強(qiáng)度上升快，不采取措施肯定對混凝土的現(xiàn)場澆注增加難度，極易出現(xiàn)混凝土還未振搗已經(jīng)初凝?，F(xiàn)代科技發(fā)明的各種混凝土外加劑可以幫我們解決這個難題。在常用的幾種外加劑中，攪拌站實(shí)驗室用以和選定的水泥進(jìn)行幾輪試驗，最后確定使用一種既能減少用水量又能延緩初凝時間的新型外加劑HEA，其摻量為水泥含量8%。減少用水量必然要降低混凝土的坍落度，大體積混凝土的坍落度為11-12cm是最理想的，但本項目的現(xiàn)場條件決定混凝土用泵送方式是最佳的，根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗泵送混凝土要求最小坍落度為14cm，綜合考慮確定的坍落度為14-16cm。通過以上技術(shù)措施的確定，攪拌站實(shí)驗室多次配合比實(shí)驗，確定的C40s8混凝土初步配合比為：（Kg/m3）水泥：砂：石子：HEA：粉煤灰：水=324：695：1088：40：127：180其水灰比：0.39，砂率39％，粉煤灰摻量占水泥用量39％。試驗結(jié)果顯示，混凝土初凝時間為4小時。根據(jù)以上使用的原材料、配合比和預(yù)估溫度值采用公式（2）可計算底板砼中心溫度：Tmax＝To+(WQ/Cr)ξ+(F)/(5O)＝26+（324×190÷700）×0.35+127÷50=59.33℃[采用王鐵夢著《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》提供經(jīng)驗公式驗算上面的理論計算：表2混凝土結(jié)構(gòu)物水化熱度升溫（T）壁厚（m）溫升T′（℃）夏季（氣溫32——38℃）eq\o\ad(壁厚,)（m）溫升T′（℃）冬季（氣溫+3——-5℃）入模溫度（℃）最高溫度（℃）入模溫度（℃）最高溫度（℃）0.5630-3536-410.5510-1515-201.01030-3540-451.0910-1519-242.02030-3550-552.01810-1528-333.03030-3560-653.02710-1537-424.04030-3570-754.03610-1546-51表2的基本條件是：水泥品種，礦渣水泥；水泥標(biāo)號，425號；水泥用量，275kg/m3；鋼模板。當(dāng)用其他品種水泥，標(biāo)號、模板、水泥用量有變化時，將上述數(shù)值乘以如下修正系數(shù)：Tmax=T′·k1·k2·k3·k4。k1、k2、k3、k4各修正系數(shù)如下表所列，加以選用。表3修正系數(shù)表水泥標(biāo)號修正系數(shù)k1275號0.74325號0.86425號1.00525號1.13水泥品種修正系數(shù)k2礦渣水泥1.0普通硅酸鹽水泥1.2水泥用量修正系數(shù)k3k3=W/275W為水泥用量（kg/m3）模板修正系數(shù)k4鋼模板1.0木模板1.4（其他保溫模板1.4）注：如遇有中間狀態(tài)可用插入法確定。Tmax=T′·k1·k2·k3·k4=15×1.13×1.2×324÷275×1.4=33.55℃混凝土中心溫度=溫升+澆注溫度=33.55+26=59.55℃（注：計算中選用夏季參考值。）]三、施工措施1.混凝土的保溫養(yǎng)護(hù)措施根據(jù)以上的溫度計算底板混凝土中心最高溫度約為59-60℃，按規(guī)范規(guī)定混凝土內(nèi)外溫度差不能超過25℃，施工中在中心達(dá)到最高溫度時需保持混凝土表面溫度高于35℃，而統(tǒng)計氣溫顯示最低只有16℃，這樣就必須對混凝土表面采取保溫措施。根據(jù)底板實(shí)際情況，如采用覆蓋保溫，則墻體部位伸出鋼筋難以覆蓋，保溫材料又只能一次性使用不經(jīng)濟(jì)，同時需要人工澆水養(yǎng)護(hù)，容易出現(xiàn)疏忽，造成不可彌補(bǔ)的錯誤。當(dāng)時按防水施工規(guī)范底板周邊外墻需和底板同時澆筑出高于底板上表面30cm的矮墻，起到了圍堰的作用，同時現(xiàn)場可以抽取地下水，符合養(yǎng)護(hù)用水的條件，綜合考慮決定施工中采用蓄水保溫法，即混凝土澆筑完畢終凝后在表面蓄水的方法，利用水吸收混凝土的水化熱升溫又因水的比熱大不易散熱能保持升溫一段時間，這樣來保持混凝土表面溫度從而控制表面溫度與內(nèi)部中心溫度之差值。我們通過理論計算來確定需要蓄水的深度為：令混凝土中心溫度與表面溫度之差值為20℃（常規(guī)控制溫度≯25℃），并要求在7天（視氣溫而定）內(nèi)保持這一溫差值，使混凝土具有一定的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)熱交換原理，每1m3混凝土在規(guī)定時間內(nèi)，內(nèi)部中心溫度降到表面溫度時放出的熱量，等于混凝土在構(gòu)筑物在此養(yǎng)護(hù)期間散失到大氣中的熱量。此時，混凝土表面所需要的熱阻系數(shù)，可按下式計算：R=XM（Tmax-Tb）·K/(700Tj+0.28W·Q（τ）)（3）式中R——混凝土表面的熱阻系數(shù)（K/W）；X——混凝土維持到指定溫度的延續(xù)時間（h）；M——混凝土構(gòu)筑物的表面系數(shù)（1/m）；Tmax——混凝土的中心溫度（℃）；Tb——混凝土的表面溫度；K——傳熱系數(shù)的修正值，采用“蓄水法”時可取1.3；700——混凝土的熱容量，即比熱與容重之乘積（kJ/m3·Kg）；Tj——混凝土澆注、振搗完畢開始養(yǎng)護(hù)時的溫度（℃）W——混凝土每m3中的水泥用量（kg）；Q（τ）——混凝土在指定的齡期內(nèi)水泥的水化熱（Kj/kg）；X=7×24=168；M=（1.5×53.3×2+1.5×28.5×2+53.3×28.5）/53.3×28.5×1.5=0.77；Tmax-Tb=60-40=20℃R=XM（Tmax-Tb）·K/(700Tj+0.28W·Q（τ）)=168×0.77×20×1.3/（700×26+0.28×324×190）=0.095K/W由于熱阻系數(shù)與保溫材料的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，當(dāng)采用水作為保溫材料時，可按下式計算混凝土的表面蓄水深度：hs=R·λs(4)式中hs——混凝土表面的蓄水深度（m）；R——見公式（3）；Λs——水的導(dǎo)熱系數(shù)，取0.58W/m·K。hs=R·λs=0.095×0.58=5.5cm初步計算蓄水深度為5.5cm。該蓄水深度假定砼內(nèi)外溫差為20℃，如果溫差＞20℃，現(xiàn)場需對水進(jìn)行加熱，不經(jīng)濟(jì)。蓄水深度可根據(jù)不同溫差進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)材料的熱量由其重量、比熱及溫度的乘積而得，蓄水深度可按下式進(jìn)行調(diào)整，即hs′=hs×Tb′/Tq(5)式中hs′——調(diào)整后的蓄水深度（cm）；hs——溫差20度時蓄水深度（cm）；Tb′——需要的蓄水養(yǎng)護(hù)溫度（℃）Tb′=Tj-20；Tq——澆注式大氣平均溫度（℃）；假定到時平均氣溫為23℃，Tj為45℃，則hs′=5.5×（45-20）/23=5.98cm實(shí)際施工中將根據(jù)實(shí)測的混凝土澆筑溫度、大氣溫度、養(yǎng)護(hù)水溫對（1）——（5）式進(jìn)行重新計算以確定蓄水深度，在保溫過程中根據(jù)測溫記錄對蓄水深度繼續(xù)調(diào)整。根據(jù)測溫記錄在混凝土中心溫度與表面溫度溫差小于10℃時停止蓄水，混凝土改為澆水養(yǎng)護(hù)。施工中測溫措施前面的理論計算選用的溫度都是建立在假設(shè)的基礎(chǔ)上，施工過程中需對所有假設(shè)的溫度進(jìn)行實(shí)測，按實(shí)測的值重新計算，根據(jù)計算結(jié)果對相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。下面是該項工程的測溫計劃。澆筑時測混凝土澆筑溫度（即入模溫度），每兩小時一次，取平均溫度為入模溫度；蓄水前測各測溫點(diǎn)的初始溫度，開始養(yǎng)護(hù)的1-5天對各點(diǎn)每4小時測溫一次，6-10天每8小時測一次，10-28天每12小時測一次，以后每24小時測溫一次，中心溫度接近常溫時停止測溫。測溫點(diǎn)的布置：考慮底板為規(guī)則的長方體，有對稱性，測溫點(diǎn)的設(shè)置6個，其中A1位于角上距邊各1M的位置，A2位于底板的中心點(diǎn)，A3位于底板中間距邊3M的位置，A4位于地坑邊混凝土厚度為4M處，每個測溫點(diǎn)做上、中、下3個測溫孔（編為A1上、A1中、A1下），3個孔間距20cm，上下孔孔底各距底板上下表面20cm，中孔孔底位于板中。測溫結(jié)果計入“測溫記錄表”。測溫孔采用薄壁鋼管，管下口焊嚴(yán)，上口用木塞塞嚴(yán)，上口高出底板砼上表面10cm。四、精心編制施工方案在上面的技術(shù)措施和施工措施基本確定后，需要圍繞如何保證這些措施得到有效的實(shí)施編制施工方案，并召集參與該項施工人員就方案進(jìn)行討論，定案后就方案細(xì)化，責(zé)任到人，進(jìn)行必要的交底以使所有參與人員清楚自己應(yīng)該做什么及如何做來保證整個施工的順利進(jìn)行。下面是該底板施工的施工方案，已經(jīng)在上面提及的措施不再重述。1.澆注及布料方案底板混凝土一次澆筑，為了盡可能散熱，降低混凝土中心溫度，整個底板分為三層澆注，每層厚500mm，從東往西澆筑，上下兩層之間的澆注時間間隔不超過4個小時?，F(xiàn)場HBT60型混凝土輸送泵每小時泵送能力為60M3，考慮澆筑速度、商品混凝土罐車的卸料速度（平均每12分鐘一車，每車8M3）每小時大約40M3。澆筑混凝土?xí)r采用4臺HBT60型混凝土地泵和一臺汽車泵泵送，4臺（從南往北標(biāo)為1#-4#）地泵都安置在西面槽邊地面，兩前兩后錯開10m的距離，便于混凝土罐車?？?。汽車泵安置在南面槽邊來回移動，重點(diǎn)負(fù)責(zé)底板東西兩個地坑混凝土的泵送。開始時4臺泵俱從東往西澆注，第一層500mm澆注一半后，1#、3#泵繼續(xù)往西，2#、4#臺泵再接管回東頭開始澆注第二層；1#、3#泵澆完第一層后接管回東頭開始澆注第3層，為了防止本次接管時間長，會導(dǎo)致堵管的發(fā)生，先預(yù)接兩趟從西往東的管。泵管搭架子支撐，架子下墊腳手板擱置在底板鋼筋上，管頭接一截3m軟管，需要時再接3m或2m直管?，F(xiàn)場留置備用泵一臺?；炷翝仓看?，考慮到平時交通堵塞問題，為了保證商品混凝土的及時運(yùn)輸和澆筑的不間斷，以及避免夜間施工擾民，施工盡可能安排在星期六或星期日白天進(jìn)行，澆筑時派專人駐攪拌站督促混凝土的及時攪拌和運(yùn)輸。計劃澆筑時間為6：00到22：00。2.準(zhǔn)備工作在澆注的前一天下午，做好以下各項準(zhǔn)備工作：確認(rèn)配比：澆筑前和混凝土攪拌站確認(rèn)配合比及到場時間，混凝土罐車發(fā)車的時間間隔，防止過密時混凝土不能及時澆注，或過疏時現(xiàn)場混凝土分層處的接茬時間超過4小時。機(jī)械檢查：按開盤前檢查混凝土輸送泵、泵管、振搗棒等機(jī)械及用具是否正常，否則維修。檢查前一工序：澆筑前確認(rèn)鋼筋、模板、水電專業(yè)隱、預(yù)檢等已完成，并檢查鋼筋墊塊、模板、預(yù)埋件、水電預(yù)埋有否被破壞，否則修復(fù)后?，F(xiàn)場準(zhǔn)備好塌落度試驗和做試塊的試模、溫度計，檢查測溫孔是否安裝牢固合格，上口是否塞嚴(yán)。安排好看鋼筋和模板人員，各不少于3人。澆筑混凝土?xí)r觀察模板、鋼筋、預(yù)埋件、預(yù)留孔洞等有無移動、變形，隨時準(zhǔn)備修理。人力安排上，考慮工人不能連續(xù)工作，本勞務(wù)分包準(zhǔn)備兩班人員輪流作業(yè)，另從別的勞務(wù)分包準(zhǔn)備一班預(yù)備人員。3.施工工藝底板混凝土澆筑施工順序為：雜物清理澆水濕潤布混凝土振搗刮平、搓平壓光養(yǎng)護(hù)、測溫澆筑前掉落在防水保護(hù)層上的雜物清理干凈。防水保護(hù)層過于干燥則少量澆水濕潤?；炷恋谋盟停罕盟颓跋缺盟瓦m量砂漿以濕潤泵及泵管，以防止泵管堵塞?；炷恋臐仓簼仓捎谩胺侄味c(diǎn)、一個坡度、薄層澆筑、循序推進(jìn)”的斜面分層澆筑法施工?；炷琳駬v采用Φ50插入式振搗器振搗，每一個振搗點(diǎn)的振搗時間以混凝土表面呈現(xiàn)浮漿和不再沉落為標(biāo)準(zhǔn)。兩個振搗點(diǎn)之間的距離50X50cm。振搗器快插慢拔，插點(diǎn)均勻排列，逐點(diǎn)移動，順序進(jìn)行，不得遺漏，做到均勻振實(shí)。振搗上層混凝土?xí)r振搗棒需插入下層混凝土10cm以上，以確?；炷辽舷聦泳o密結(jié)合。刮平—混凝土標(biāo)高的控制：澆筑前在墻體鋼筋上彈線用塑料膠帶標(biāo)記，澆筑時嚴(yán)格按已設(shè)置的標(biāo)高控制點(diǎn)拉線控制，用刮杠在拉線下找平砼帶，依帶找平整間混凝土表面，木抹子搓平前按線檢查。搓平、壓光：為了減少混凝土表面的收縮裂縫，在終凝前進(jìn)行不少于4次抹壓。刮杠刮平后第一遍用木抹子搓平，搓平時墻、梁與板交接處，抹子緊貼到鋼筋，順著墻、梁的方向搓平。第二遍用木抹子搓平前掌握好砼的硬度，不能太早，也不能太晚，先用木方拍打一遍，再用木抹子搓平。最后一遍用鐵抹子壓光。澆筑時設(shè)專人相應(yīng)專業(yè)工人觀察模板、鋼筋、預(yù)埋件、預(yù)留孔洞測溫孔等有無移動、變形或堵塞情況。發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)立即處理并應(yīng)在已澆筑的混凝土凝結(jié)前修正完好。4.混凝土試驗計劃過程試驗施工過程中混凝土試塊的制作派專人負(fù)責(zé)，試塊的制作方法嚴(yán)格按照試驗規(guī)定執(zhí)行，不得弄虛作假。其見證試驗的數(shù)量不少于1/3。普通試塊的留置：混凝土試塊在砼罐車卸料1/4—1/3期間取樣制作。外墻抗?jié)B試塊做一組；強(qiáng)度試塊每一班組（原則上為一個流水段的墻體或頂板）做3組，為