船臺大體積混凝土的抗裂措施

1?工程概況本工程位于東北某沿海城市，含兩個單位工程，分別為工業(yè)廠房和輔助辦公樓。工業(yè)廠房為單層鋼結(jié)構(gòu)工程，辦公樓為框架混凝土工程。工業(yè)廠房室內(nèi)設(shè)計(jì)有2座鋼筋混凝土船臺，每座船臺尺度為300?m×60?m，船臺頂面設(shè)有4組重移軌道，鋼軌型號QU?80，船臺底設(shè)計(jì)為600?m×600?m預(yù)應(yīng)力混凝土群樁。兩座船臺按模數(shù)25×20、20×20等劃分為110塊，厚度均為1.5?m。板塊間留有2?cm的脹縫，使用瀝青木絲板間隔，縱向設(shè)有?20@200的抗剪傳力桿，船臺板混凝土強(qiáng)度為C?35，兩座船臺混凝土總量超過5萬m3。2?施工部署及作業(yè)環(huán)境依據(jù)本工程施工合同工期目標(biāo)，施工組織設(shè)計(jì)總體施工部署及總進(jìn)度計(jì)劃和資源配置計(jì)劃，單層工業(yè)廠房室內(nèi)船臺施工時間為6~9月，每座船臺分別由2個作業(yè)班組從中間向兩端按照無節(jié)奏流水組織施工。本工程地處海濱城市，屬暖溫帶亞濕潤季節(jié)性氣候，常年多風(fēng)且風(fēng)向多變，冬夏氣溫相差較大，夏季氣溫最高時間分布在7月至8月份，最高達(dá)35?℃，冬季最低氣溫達(dá)–20?℃，6~9月份降水量較大。本工程部分船臺板澆筑位于7月份至8月份，多風(fēng)、高溫、多雨氣候?qū)Υ篌w積混凝土的澆筑造成一定的影響。3?質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)本船臺板質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求高，屬水運(yùn)工程大體積清水混凝土地面，每塊船臺板必須一次澆筑成型。表面不得存在寬度大于0.05?mm的裂縫，且裂縫寬度小于0.05?mm的區(qū)域面積占比需嚴(yán)格控制在總船臺面積的5?%以內(nèi)，表面平整度要求控制在±5?mm以內(nèi)，嚴(yán)禁后期采用薄料貼補(bǔ)法修復(fù)。4?重難點(diǎn)分析本船臺面積大，混凝土澆筑周期長，在施工過程中要確保每塊船臺板都不出現(xiàn)溫度造成的結(jié)構(gòu)裂縫，塑性收縮裂縫占比也需嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，表面平整度也要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，整體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求非常高，這是本工程的第1個難點(diǎn)。施工時受海邊高溫、大風(fēng)及多雨環(huán)境影響，采取單一的控制措施很難確保每塊船臺板質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，高溫、大風(fēng)及多雨環(huán)境極易使得混凝土內(nèi)外溫差超標(biāo)，造成混凝土出現(xiàn)裂縫，施工受環(huán)境影響較大，這是本工程的第2個難點(diǎn)。為了有效地將施工成本控制在預(yù)期范圍內(nèi)且最大限度地降低成本，若采用流行的敷設(shè)循環(huán)水管降溫措施或增加后澆帶，勢必會大幅增加成本，這給如此體量的混凝土施工提出較大挑戰(zhàn)，經(jīng)項(xiàng)目部周密部署，多次研究探討，充分模擬現(xiàn)場實(shí)際施工工況，進(jìn)行了多部位、多階段的熱工計(jì)算，并借鑒鄰近工程施工經(jīng)驗(yàn)，最終采取以下“綜合性”的控制措施，嚴(yán)格地控制船臺裂縫的發(fā)生，在降低成本的情況下，又確保了施工質(zhì)量，這是本工程的第3個難點(diǎn)。5?大體積混凝土裂縫類型及產(chǎn)生原因本工程鄰近海邊，船臺大體積混凝土施工時，正值大風(fēng)、高溫、多雨等季節(jié)，混凝土施工將受外部環(huán)境、設(shè)計(jì)構(gòu)造、原材料選擇、混凝土配合比、施工措施、溫度監(jiān)控量測及養(yǎng)護(hù)等多因素影響。為了更好地控制本工程船臺大體積混凝土的施工質(zhì)量，減少裂縫的出現(xiàn)，達(dá)到工程質(zhì)量目標(biāo)和成本目標(biāo)，通過對鄰近本項(xiàng)目已完類似工程船臺大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的長度、寬度、深度等多方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析研究發(fā)現(xiàn)，船臺主要存在兩種類型的裂縫。第1種為混凝土自身塑性收縮裂縫。在混凝土凝結(jié)成形過程中受收縮張力產(chǎn)生的裂縫，該種裂縫細(xì)而密，多表現(xiàn)為塊狀紋路類無規(guī)則裂紋，板面干燥時通常不可見，降雨濕潤后板面出現(xiàn)“蜘蛛網(wǎng)”類裂紋。第2種為溫差應(yīng)力裂縫?；炷猎跐仓?、凝結(jié)硬化過程中水泥水化時會釋放大量的熱，若該熱量不能均勻傳遞和疏導(dǎo)，將積聚在混凝土內(nèi)部，造成混凝土內(nèi)外溫差過大而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力大于此時混凝土抗裂應(yīng)力時，處于凝固過程中的混凝土被拉裂，此類裂縫寬而深且有一定的規(guī)則，往往向薄弱處不斷發(fā)展，并隨環(huán)境溫度伸縮變化，直接影響混凝土結(jié)構(gòu)受力，屬較大的病害。5.1?塑性收縮裂縫產(chǎn)生原因混凝土膠凝材料在固化過程中體積會產(chǎn)生不同程度的收縮，對于大體積混凝土，這種收縮更加明顯。如果混凝土的收縮受到外界的約束，就會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的收縮應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過當(dāng)時混凝土極限抗拉強(qiáng)度，就會在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫，而這種裂縫往往從混凝土表面上先呈現(xiàn)出來。造成混凝土收縮的主要因素是混凝土中單位體積用水量、水泥用量及水泥品種?；炷林械挠盟亢退嘤昧吭礁?，混凝土收縮就越大。如在水泥活性大、混凝土溫度較高或者水灰比較低的條件下，混凝土的泌水明顯減少，若表面蒸發(fā)的水分不能及時得到補(bǔ)充，這時混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點(diǎn)拉力，混凝土的表面就會出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后，混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進(jìn)一步加快，于是裂縫迅速擴(kuò)展，遍布整個板面。5.2?溫差裂縫產(chǎn)生原因大體積混凝土在澆筑過程中（主要在澆筑初始階段），會釋放大量的水化熱，由于混凝土熱傳導(dǎo)性能較差，聚集在大體積混凝土內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā)而凝聚在混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)中，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度大幅度增加，而混凝土表面因外露在室外環(huán)境中則散熱較快，內(nèi)外形成較大的溫度梯度。外部和內(nèi)部的極大溫差使得內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，外部混凝土表面開始初凝所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，綜合形成一種不規(guī)則順著溫差方向的拉應(yīng)合力，當(dāng)拉應(yīng)合力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時混凝土被從內(nèi)部拉裂，這種裂縫常常貫穿于全結(jié)構(gòu)斷面，形成結(jié)構(gòu)性裂縫，給結(jié)構(gòu)安全帶來嚴(yán)重的危害。除此之外，在拆模的前期階段，混凝土表面溫度會大幅度降低，溫度驟降會再次出現(xiàn)類似前期澆筑混凝土?xí)r的應(yīng)力變化，致使已出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)裂縫再次擴(kuò)展。6?大體積混凝土的抗裂措施本工程地處沿海，屬于高鹽堿和氯環(huán)境，若船臺出現(xiàn)裂縫，不僅影響美觀，而且會造成鋼筋銹蝕，影響結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。為了更好地控制本工程船臺大體積混凝土的質(zhì)量，充分總結(jié)類似工程大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因和機(jī)理，在此基礎(chǔ)結(jié)合本工程的實(shí)際工況，采取綜合性的控制措施，從設(shè)計(jì)措施、原材料及配合比措施、施工措施、溫度監(jiān)控量測及養(yǎng)護(hù)措施等多方面來預(yù)防裂縫產(chǎn)生，未采取循環(huán)水降溫措施或增加后澆帶，也能保證施工質(zhì)量，并嚴(yán)格地控制裂縫發(fā)生，大幅地降低施工成本。6.1?設(shè)計(jì)措施6.1.1?增配構(gòu)造筋在施工前，通過和設(shè)計(jì)單位溝通，在船臺表面增配了?6@150的構(gòu)造筋提高抗裂性能，并為避免船臺板在下沉軌道槽處結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生應(yīng)力集中，在軌道槽內(nèi)應(yīng)力集中的薄弱處增加了側(cè)向配筋，提高混凝土的極限拉伸能力。6.1.2?板縫設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)將兩座船臺板劃分為110塊，最大板塊長、寬都不大于25?m，在大體積混凝土一次澆筑最大容許尺寸范圍內(nèi)。板塊間留有2?cm脹縫，給混凝土的變形創(chuàng)造了足夠的伸縮空間，無需再增加后澆帶。6.2?原材料及配合比措施6.2.1?混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)計(jì)水運(yùn)混凝土配合比要求，在施工前，項(xiàng)目部組織相關(guān)資質(zhì)單位精心設(shè)計(jì)混凝土配合比。在保證混凝土具有設(shè)計(jì)強(qiáng)度及良好工作性的情況下，盡可能降低混凝土的單位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）、二摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）、一高（高粉煤灰摻量）”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。對選用的水泥品種、砂石級配、粒徑、含泥量和外加劑等進(jìn)行混凝土預(yù)配，最后得出優(yōu)化配合比，試配結(jié)果通過監(jiān)理工程師審查合格后進(jìn)行生產(chǎn)。施工過程中，項(xiàng)目部安排專人到混凝土攪拌站旁站監(jiān)督，通過現(xiàn)場抽樣檢測等辦法，保證使用原材料與試配原材料技術(shù)指標(biāo)的一致性和穩(wěn)定性。6.2.2?水泥的選擇大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因是水泥水化過程中釋放了大量的熱，因此在本工程船臺大體積混凝土施工中，根據(jù)設(shè)計(jì)配合比要求，采用42.5低熱硅酸鹽水泥，在配制混凝土配合比時減少了水泥用量，水泥嚴(yán)格控制在340?kg/m3以內(nèi)，以降低混凝土的溫升，提高混凝土硬化后的體積穩(wěn)定性。同時要求水泥中發(fā)熱量和發(fā)熱速度最快的鋁酸三鈣（C3A）含量在8?%以下。預(yù)拌混凝土生產(chǎn)單位在水泥進(jìn)場時總包項(xiàng)目部安排專業(yè)質(zhì)檢員對水泥品種、強(qiáng)度等級、包裝或散裝倉號、出廠日期等進(jìn)行檢查，并對其強(qiáng)度、安定性、凝結(jié)時間、水化熱等性能指標(biāo)及其他必要的性能指標(biāo)進(jìn)行復(fù)檢，并提供檢測報告。6.2.3?骨料的選擇選用質(zhì)地堅(jiān)硬，連續(xù)級配，不含雜質(zhì)的非堿活性碎石。石子粒徑選用5~25?mm，含泥量（重量比）不大于1?%，泥塊含量（重量比）不大于0.5?%，針片狀顆粒含量不大于8?％。選用天然或機(jī)制中粗砂，級配良好，其細(xì)度模數(shù)在2.3~3.0的中粗砂，含泥量（重量比）不大于3?%，泥塊含量（重量比）不大于1?%。6.2.4?摻合物的選擇為了降低混凝土中水泥的用量，在混凝土拌合中增加了適量的粉煤灰，摻量不大于30?%。粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰，減少水泥用量，降低水化熱，減緩早強(qiáng)速率，減少混凝土早期裂縫。6.2.5?外加劑的選擇摻加適量的高效減水劑和引氣劑，有效地增加了混凝土的流動性，降低了混凝土的水化熱，延緩了水化熱釋放速度，提高混凝土的強(qiáng)度。這對減少大體積混凝土單位用水量和膠凝材料用量，改善新拌混凝土的工作性能，提高硬化混凝土的力學(xué)、熱學(xué)、變形、耐久性等性能起著極為重要的作用。6.2.6?水的選擇使用自來水或符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的地下水，用量不宜超過170?kg/m3，嚴(yán)格控制水中氯離子的含量。6.3?施工措施6.3.1?模板及機(jī)械設(shè)備選擇根據(jù)本工程施工部署和船臺板作業(yè)周期，船臺板作業(yè)時環(huán)境溫度較高，模板溫度超過5?℃，為了保證船臺板板塊邊緣四周的平整度和順直度，且有效利用三輥軸機(jī)進(jìn)行滑行找平面層，現(xiàn)場采用組合小鋼模板固定排版成4片大模板，施工時采用機(jī)械吊裝就位，外撐式固定模板。6.3.2?混凝土“跳倉法”澆筑整個船臺板按照設(shè)計(jì)脹縫劃分成塊，每塊混凝土量約為500~600?m3，板塊之間采用跳倉法施工，不僅可保證混凝土澆筑完成后熱量散失，而且部分區(qū)域可將已完成區(qū)塊側(cè)面作為未完區(qū)域一面或兩面模板，減少模板支設(shè)，節(jié)約成本。在施工前先確定作業(yè)路線，本工程充分利用設(shè)計(jì)對板塊的劃分，每塊板塊長度都不大于25?m，在規(guī)范允許作業(yè)長度范圍內(nèi)，通過嚴(yán)格組織，周密部署，采用兩次“跳倉”法作業(yè)，將相鄰邊的板塊間隔在7?d以上，較好地釋放出水泥水化熱所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和混凝土的收縮應(yīng)力，最大限度地疏散了混凝土塊體內(nèi)的水化熱，避免了混凝土因溫度無法釋放而產(chǎn)生的應(yīng)力裂縫。本工程兩次跳倉布置如圖1、圖2所示。圖1?第1次跳倉平面布置圖2?第2次跳倉平面布置第1次跳倉順序：2→19→12→4→21→14→6→23→16→8→25。第2次跳倉順序：18→11→3→20→13→5→22→15→7→24→17。6.3.3?分層分塊振搗在施工前，模擬仿真現(xiàn)場實(shí)際工況，對船臺“倉”內(nèi)混凝土進(jìn)行嚴(yán)格的熱工計(jì)算，不需采取敷設(shè)循環(huán)水管降溫的措施，可通過分層分塊澆筑的方法有效解決水泥水化熱的不利影響。在船臺每個“倉”內(nèi)澆筑混凝土?xí)r，為了更大程度地降低混凝土的內(nèi)部溫度，充分利用混凝土緩凝劑的效能，采用分層分塊連續(xù)循環(huán)澆筑的施工方法。在平面方向從船臺的1個角向?qū)牵ɑ驈亩踢呴_始沿著長邊方向）推移式連續(xù)施工，斜面由泵送混凝土自然流淌而成，坡度控制在1∶4左右。在垂直方向采用分層澆筑，層間間隔時間小于混凝土的初凝時間，一次澆筑的混凝土不可過高、過厚，每層厚度不超過30?cm，在混凝土初凝前，第2層再循環(huán)從開始點(diǎn)向前推移，并嚴(yán)格控制混凝土的澆筑速度，以加快熱量散發(fā)，并使溫度分布均勻。混凝土平面推進(jìn)方向如圖3所示。圖3?混凝土平面推進(jìn)方向另外，在澆筑過程中，通過加強(qiáng)振搗，保證振搗密實(shí)?；炷猎谡駬v過程中宜將振動棒上下略有抽動，使上下混凝土振動均勻，每次振搗時間以20~30?s為宜（混凝土表面不再出現(xiàn)氣泡、泛出灰漿為準(zhǔn)），振搗棒插點(diǎn)同“倉”內(nèi)混凝土的澆筑推移方向相同，采用行列式的次序移動，每次移動距離不超過混凝土振搗棒的有效作用半徑的1.25倍。振搗操作要“快插慢拔”，防止混凝土內(nèi)部振搗不實(shí)，盡量避免碰撞鋼筋及預(yù)埋件等，要“先振低處，后振高處”，防止高低坡面處混凝土出現(xiàn)振搗“松頂”現(xiàn)象。在上層混凝土振搗時，振搗棒需插入到下層混凝土至少5?cm，使得上下層混凝土有效結(jié)合，降低混凝土收縮裂縫。6.3.4?二次振搗、二次抹壓船臺大體積混凝土在振搗過程中，混凝土?xí)霈F(xiàn)泌水效應(yīng)和沉落現(xiàn)象，使得粗骨料和水平鋼筋下部產(chǎn)生水和空氣，極易造成混凝土的收縮裂縫，為了降低此種裂縫產(chǎn)生，在每層混凝土下層開始前，對當(dāng)前層進(jìn)行二次振搗，可加大振搗間距，排除混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部產(chǎn)生的水分或空隙，在一定程度上會提高混凝土和鋼筋之間的握裹力和粘結(jié)力，從而消除泌水效應(yīng)，防止因混凝土沉落而出現(xiàn)的裂縫，減少內(nèi)部裂縫，增加混凝土密實(shí)度，使混凝土的抗壓強(qiáng)度提高，并可再次釋放混凝土內(nèi)部熱量，增加混凝土的密實(shí)度。本工程船臺板面的平整度要求較高，在板塊最上層找平前，必須根據(jù)攪拌站經(jīng)驗(yàn)、配合比計(jì)算混凝土的沉落系數(shù)，在抹壓時要考慮此系數(shù)對標(biāo)高的影響。整個板塊的整平采用三輥軸機(jī)找平，磨光機(jī)抹壓成型成“鏡面”混凝土面。在7~8月高溫中極易失水發(fā)生塑性收縮開裂，故在混凝土終凝前，采用磨光機(jī)對混凝土進(jìn)行二次抹壓，以降低表面收縮裂縫。6.4?溫度監(jiān)控量測及養(yǎng)護(hù)措施本工程船臺混凝土施工正值夏季，為了更好地控制混凝土的溫差變化，防止溫度應(yīng)力裂縫，經(jīng)過對混凝土拌制原材、運(yùn)輸、環(huán)境、施工等多環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)密的熱工計(jì)算，里表溫差（表面以內(nèi)40~100?mm位置的溫度與混凝土澆筑體表面的溫差值）部分大于25?℃，表面與大氣溫差（撤掉覆蓋棉氈之后的混凝土表面以內(nèi)40~100?mm位置的溫度與環(huán)境溫度之差）均小于20?℃，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，混凝土自身里外溫差通過采取外保溫保濕措施可滿足裂縫控制要求的溫差，為更好地控制溫差，增設(shè)溫度監(jiān)控量測措施。采取覆蓋棉氈、加厚棉氈、撤掉棉氈等措施及時有效地調(diào)整混凝土表面的溫度變化，將混凝土溫度控制在規(guī)范溫差范圍內(nèi)，可有利于混凝土整體溫度的降低，減小與大氣溫度之差，達(dá)到控制裂縫的目的。6.4.1?溫控點(diǎn)布置根據(jù)結(jié)構(gòu)類似性、對稱性及溫度的分布特點(diǎn)，在船臺板上設(shè)5個具有代表性和可比性測溫點(diǎn)，根據(jù)對稱的特點(diǎn)，按X形布置，豎向布置在底部、中部和表面?；炷翝仓w的外表溫度，為混凝土外表以內(nèi)100?mm處的溫度；混凝土澆筑體底面的溫度，為混凝土澆筑體底面上100?mm處的溫度。采用預(yù)埋測溫導(dǎo)線的方法進(jìn)行測溫，施工前將測溫導(dǎo)線提前預(yù)埋固定，測溫點(diǎn)布置如圖4所示。船臺板每個測溫點(diǎn)斷面布置如圖5所示。圖4?船臺板測溫點(diǎn)布置圖5?每個測溫點(diǎn)斷面布置6.4.2?測溫頻率混凝土剛澆筑完成，水化熱急劇增大，后逐漸降低。在脫模后，外部溫度會急劇下降，為了更有效地控制溫差，測溫頻率如下，第1天至第4天每4?h不少于1次；第5天至第8天每8?h不少于1次；第7天至測溫結(jié)束每12?h不少于1次。養(yǎng)護(hù)完14?d，混凝土中心溫度與大氣溫差小于2