超长地下结构无缝冬施技术.doc

超长地下结构“无缝”冬施技术

胡文波
（江苏华建建设股份有限公司北京公司，北京100078）

提 要：本文就超长地下结构需进行“无缝”施工时，针对结构在抗裂补偿与冬施控制方面所采取的非一般性技术措施和施工方法加以论述。探索超长结构无缝冬施的控制点，积累在应用新工艺时所获得的施工经验。
1．概述
地下混凝土结构和大体积砼结构在施工前，一般应进行裂缝控制的施工计算，采取相应的技术措施，布置测温点，记录水化热温升变化。而超长地下结构在冬季进行“无缝”施工时，更应对其抗裂和畜热保温进行计算，以便采取更为严密的补偿措施，保证结构施工质量。
2．工程概况
北京朗琴园地下车库工程，建筑面积37994m2，地下二层，层高：-2F~3.9m、-1F~3.3m，结构尺寸：东西向~187.5 m、南北向~117.32 m，地库顶板厚200，地库上覆土1.5m~2.5m，上有园林、绿化。地库两端的的地上，各有一幢16层板楼。原设计要求在地库平面上设置纵向一道、横向七道后浇带（见平面图），外墙、-1F顶板采用C40P8抗渗混凝土，底板采用C35P8混凝土。后因业主要求结构施工工期不大于65天，以便在初春时进行园林和绿化施工，因此，必须取消中央部分的后浇带（三道），仅分流水段，采用“无缝”施工技术。取消后浇带后，结构“无缝”施工尺寸为：东西向为130m，南北向为76m。
在取得中国建筑科学研究院的技术支持和原设计的同意后（提供收缩补偿外加剂GT-1的技术支持）,我们制定了相应的技术方案。

3．施工控制重点
本工程结构超长，进行无缝施工，首先，应进行抗裂的理论分析。虽然有建科院提供的GT-1外加剂的部分技术参数，但这毕竟不是成熟的施工技术，仅是根据其试验数据和在其它一些工程中的应用经验而对本工程进行的一次探索性施工，在理论上通过抗裂分析后，尚应考虑本工程特定的情况，因此，需重点考虑抗裂补偿的程度及因地库整体刚度的分配不均匀而导致不均匀收缩的可能性，同时，还要考虑在实际施工中诸如对施工缝的处理以及不同部位进行不同补偿等因素。
其次，本结构施工期在12月1日至次年2月5日前，正好处在北京最冷的两个月中，因而，对混凝土进行抗裂分析时，除考虑外加剂的补偿作用外，还应考虑混凝土在冬施中因强度增长缓慢或因冬季养护等问题而可能对超长结构施工带来的不利影响等，因此，还需对冬季施工的养护进行理论上的验算，并考虑采取相应的冬施辅助措施。
4．结构抗裂补偿分析
4．1使用普通混凝土施工的伸缩缝间距
最大伸缩缝间距计算：（因顶板的厚度与墙板接近，且为梁板式结构，板跨8000mm，配筋率大于墙板，其收缩应小于墙板，故在此仅计算底板和墙板。）
Lmax＝（1.5√H*E/Ｃｘ ）* arch［|ɑT| / (|ɑT| -εp)］
式中：H为底板厚度或外墙每次施工高度（mm）
底板厚度：350 mm ，外墙施工高度：取3600mm
E：混凝土弹性模量。取：Ｃ35砼～3.15×104 Ｃ40砼～3.25×104 ( Mpa)
Ｃｘ:水平阻力系数。取：0.5 N/mm3 （底板在沙土上）
1.5 N/mm3 （墙板在Ｃ35砼基础上）
ɑ：混凝土线性膨胀系数。取1.0×105
εp:混凝土的极限变形值。根据本工程相关部位的配筋率,经计算得砼底板取值为1.51×10－4，砼墙板取值为1.64×10－4。考虑混凝土的徐变影响，并从偏于安全的角度考虑，对底板取1.5倍得：
εp（底板）= 2.265×10－4，
εp（墙板）= 1.64×10－4。
T :综合温差。T＝T1＋T2＋T3
T1 ：水化热温差
T2 ：气温差
T3 ：收缩当量温差
综合考虑混凝土的配比及现场情况，计算混凝土28天的收缩变形值，根据：
εy（t）＝3.24×10－4（1－e－0.15t）×M1×M2×M3×···×M10
（M为不同条件下的修正系数，可查计算手册取值。）·
得：εy（28）（底板）＝1.05×10－4，
εy（28）（墙板）＝1.12×10－4。
由此，根据Ty(t)＝εy（t）/ɑ
得：底板和墙板砼28天的收缩当量温差分别为10.5 0C和11.2.
考虑水泥水化热引起的温差（底板取100C，墙板取40C），而气温差按100C考虑，故综合取为30.5 0C（底板）和25.20C（墙板）。
将上述取值代入伸缩缝间距公式得：
Lmax＝1.5√350×3.15×104/0.05 × arch［1.0×10－5 ×30.5/ (1.0×10－5 ×30.5 -2.265×10－4)］＝44492.4mm≈44.5m<76m （底板）
Lmax＝1.5√3600×3.15×104/1.5 × arch［1.0×10－5 ×25.2/ (1.0×10－5 ×25.2 -1.64×10－4)］＝22302.2mm≈22.3m<130m （墙板）
由此可知，若采用普通混凝土，底板及外墙的单次施工长度均不能满足无缝施工要求，应按原设计要求，留设后浇带。
4．2掺用GT-1后的膨胀混凝土的伸缩缝间距
若采用膨胀混凝土（掺入GT-1），根据建科院提供的数据，设混凝土的限制膨胀率达到2/万（按建科院提供的数据，此外加剂可使混凝土的限制膨胀率达2/万～8/万，计算时取最小值），则膨胀当量温差应为0.0002÷（1.0×10－5）＝200C，那么以上综合温差的取值为：
T（底板）＝20＋4.3－20＝4.3 0C
T（墙板）＝14＋11.4－20＝5.40C
注：上式中4.3和11.4分别为底板砼和墙板砼的膨胀收缩当量温差，根据
St＝[t/（132.34+2.31t）]×R×β1×β2×···×βn 计算所得 (由建科院提供)。
同样，将膨胀混凝土的综合温差代入间距公式：
Lmax＝1.5√350×3.15×104/0.05 × arch［1.0×10－5 ×30.5/ (1.0×10－5 ×4.3 -2.265×10－4)］ （底板）
由于：(1.0×10－5 ×4.3 -2.265×10－4) < 0 ， 则arch为∞，在数学上无解，在物理意义为膨胀抵消了混凝土的收缩，可不设后浇带；同理，在代入墙板的间距公式时也是如此。
4．3抗裂补偿分析
从计算中可知：使用具有收缩补偿作用的GT-1型外加剂，可抵消混凝土的收缩应力，消除混凝土因超长施工而因引起的收缩裂缝，因此，能达到“无缝”施工的效果。但还应考虑如下问题：
（1）底板和墙板对伸缩缝的留置要求是不同的，因结构形式、尺寸、配筋率不同，混凝土的收缩率也不同，因而，对不同部位，GT-1的掺量也有所区别。此外，底板坐落在砂土之上，其外部约束较小，在抗裂计算时考虑了混凝土的徐变影响，而墙、顶板易受环境温湿度的变化而产生较大的收缩应力，在计算时不考虑徐变影响，并且，墙、板混凝土受到基础混凝土的约束，内拉应力不易释放，因此，墙与板的外加剂掺量应相对大于底板混凝土的掺量。
（2）其次，结构纵向尺寸达130m，混凝土在普遍采用GT-1后，在结构刚度变化处是否应该设立加强带？
（2）冬施的养护能否保证混凝土强度的正常增长？
经过与相关单位的讨论和协商，除一些常规措施外，我们还增加了以下措施。
4．4施工措施
（1）墙、板混凝土中，GT-1的掺量适当提高，由建科院提供数据；
（2）施工时，基本上按原设计中留设后浇带的位置划分施工段，在进行施工接缝时，设加强带，带宽2m，加强带内的混凝土，GT-1的掺量比周围混凝土的掺量提高2％；
（3）与原设计洽商，将外墙水平钢筋的间距进行加密，控制墙体竖向裂缝的产生；
（4）对施工缝处的混凝土施工前再进行界面处理―――涂刷EE界面剂（具有与混凝土的粘接力高、耐腐蚀性好等特性；
（5）对外墙、－1F顶板混凝土，在施工缝接缝时，还加入BW止水条。
对冬施所产生的影响，则进行以下分析。
5．混凝土冬施控制
根据冬施要求，混凝土浇筑后在受冻之前必须达到受冻临界强度。因此，在低温状态下，必须通过计算，掌握砼温度及强度的变化以及砼达到受冻临界强度的时间，采取相应的畜热保温养护措施。
那么，对与本结构，适合采用那种养护方法呢？
根据气象资料，北京属轻寒地区，冬施的室外平均气温不低于－150C，对混凝土表面系数不大于5或地面以下结构都适宜采用畜热法施工。因此，考虑到本车库工程系地下框架结构，施工时可分段维护，进行人工采暖养护。此外，综合考虑经济效益，我们采取综合畜热法并结合负温养护法进行施工养护。
5．1混凝土冷却时间计算
由于本工程混凝土表面系数不大（见以下计算），故可沿用较传统的斯氏畜热法计算。
混凝土在浇筑养护开始由初温降至00C时的延续时间t0
t0={(CCT0＋mceQce)÷[M(Tm－Tm,a)]}×（R÷ɑ）
CC : 混凝土的热容量。取2510kJ/m3·K
T0 ：混凝土浇筑完毕后的初温。
T0＝（CCT1＋0.3 C0 Tm,a）/（CC＋0.7 C0）
C0为保温材料的热容量。T1为混凝土的入模温度。（根据与商混站的合同要求入模时达180C，计算时取150C）。
T0＝（2510×15＋0.3×220×10）/（2510＋0.7×220）≈140C
mce ：每立方米混凝土的水泥用量。根据配合比报告，取330kg。
Qce ：每kg水泥在冷却期间的水化热。查表得250 kJ/kg 折减60％取为150kJ/kg。
M ：混凝土结构表面系数。
根据计算手册中的公式和混凝土构件尺寸，分别求出：底板为5.7 , 墙板为8, 柱为5.4，顶板为10，梁为8.4
Tm ：混凝土由浇筑到冷却的平均温度。Tm=T0/(1.03+0.181Mb+0.006 T0)
根据结构表面系数得不同分别求得相应Tm值为：底板为6.5，墙板为5.5，柱为6.7，顶板为4.8，梁为5.3。
Tm,a ：混凝土冷却期间的室外大气平均气温。根据气象报告，偏于保守地取－100C。
R ：保温材料的热阻系数。
根据每种材料包括模板，保温被等，对照其厚度和导热系数，查表计算得：
R＝0.012+∑d/λ＝0.012+0.06/0.42=0.155
ɑ ：保温材料的透风系数。查表得2。
将数据代入上述公式，分别求得：
t0（底板）={(2510×14＋330×150)÷[5.7×(6.5+10)]}×（0.155÷1.6）=87.7h ≈3.6d
t0（墙板）={(2510×14＋330×150)÷[8×(5.5+10)]} ×（0.155÷2.0）=53.3h ≈2.2d
t0（ 柱 ）={(2510×14＋330×150)÷[5.4×(6.7+10)]}×（0.155÷2.0）=73.2h≈3.0d
t0（顶板）= {(2510×14＋330×150)÷[10×(4.8+10)]}×（0.155÷2.0）=44.6h≈1.9d
t0（ 梁 ）={(2510×14＋330×150)÷[8.4×(5.3+10)]}×（0.155÷2.0）= 51.4h≈2.1d
5．2混凝土受冻分析
从计算结果来看，在上述施工条件下，砼内部降温时间一般不足3d，而表面系数大的构件，降温速度更快。降温时间的长短与混凝土的配比、结构尺寸、气温、砼的入模温度、保温方法及保温材料有关，而现场施工中的控制变量，主要是浇筑温度和养护方法。
根据经验数据及冬施规程所规定，普通混凝土（用普通水泥配制）在受冻之前，其强度必须达到设计强度的30％（受冻临界强），在上述计算中（尚未考虑因保温材料受潮使导热系数加而对保温所造成的不利影响），从降温时间与强度增长的曲线来推断，混凝土的强度不能达到受冻临界强度，如果是掺入抗冻剂的抗冻混凝土，其受冻临界强度应为4Mpa，那么从上述计算结果看，其强度也不能完全保证达到4Mpa，况且，由于施工工期紧迫，现场工序衔接紧凑，一些构件难以达到较理想的养护条件，因此，应采取技术措施来保证混凝土的冬季施工质量。根据当时的气温，掺入抗冻剂是必须的。
在混凝土中掺入抗冻剂，可以使混凝土中一直保持有液相存在，水泥在负温下不断进行水化反应增长强度，这就是负温养护，但负温养护，同样要注意冬期混凝土养护失水问题，因为掺入抗冻剂后，砼有早强现象，因此，必须十分重视保水问题，否则易引起混凝土强度损失和产生收缩裂缝。
从计算公式来看，现场有两种控制方法能使t0增大。（1）Tm－Tm,a 增大，而Tm相对不变，即Tm,a――平均气温（或环境温度）越低，混凝土降温时间越短，反之，则越长；（2）若R/ɑ越大，即保温材料越厚，材料的保温性越好，则可延长混凝土降温的时间，便于结构强度的增长。
5．3冬季施工措施
根据上述分析结果，综合考虑现场可能出现的一些不利因素，制定如下措施：
（1）从技术角度考虑。在进入冬施后，混凝土中必须掺入抗冻剂。抗冻剂的掺量由检测中心向商混站提供；
（2）要求商混站严格履行合同，确保混凝土的入模温度不低于150C；
（3）增加保温层的厚度，使用双层保温被进行覆盖，并尽量保持保温被的相对干燥，以便减小保温防护材料的导热系数；
（4）考虑到墙、板等表表面系数较大的构件散热快，保温覆盖有难度，加之工期紧迫，砼需要早强，因此，在进行顶板施工时，除对表面部分用塑料膜和双层保温被进行覆盖外，还对下层结构进行大面积的维护保温并在内部进行简易采暖，提高砼周围的环境温度等措施来使砼强度早强并保持较快增长。一方面，保证混凝土的施工质量，另一方面，也能起到加快施工节奏和保证施工进度的作用。
（5）对混凝土浇筑完毕后，要及时进行覆盖保水，防止因冬季干燥、风大而造成砼表面失水导致强度损失；
（6）墙体模板分段拆模，拆模后立即涂刷养护液，并随即用保温被进行覆盖，注意将保温被覆盖严密。
6．应用效果
经过较严密的组织与施工，地库工程在2月2日顺利完成结构主体的施工任务，质量状况良好，经仔细检查，未发现结构性裂缝，基本达到了预期的效果。通过与现场测温和通条件养护试块强度的比对，其结果基本一致。
现场测温记录和强度增长值
序号
部位
入模温度
0C
54h后温度
0C
试压强度Mpa
龄期
d
设计强度
％
1
底板
17.3
3.9
8.9
3
25
2
底板
18.5
5.3
9.2
6
26
3
底板
17.1
3.2
12.8
7
32
4
底板
17.4
4.2
13.3
7
38
5
底板
19.8
5.1
16.8
8
48
6
墙板
19.6
3.1
1.6
2
4.5
7
墙板
17.8
2.1
18.2
7
45.5
8
墙板
17.3
2.3
8.9
3
22.2
9
墙板
17.3
1.8
7.2
3
18
10
墙板
18.3
2.2
11.6
4
29

从施工记录中可看出现场情况也反映出入模温度、养护对砼强度增长的影响，其结果满足质量要求，比计算有富余，说明施工方案正确，措施得当。
7．应用体会
从本工程的施工实践中，我们得知：
（1）超长结构在冬季进行“无缝”施工时，无论从裂缝控制还是从养护的角度，均应严格控制混凝土的入模温度；
（2）对超长结构进行抗裂分析时，除考虑外加剂对混凝土的收缩补偿作用外，还应考虑结构的特性，综合考虑结构整体的刚度情况；
（3）冬施中，对混凝土的养护是保证混凝土质量的重要条件；
（4）简易采暖后维护内的环境温度达5～100C，因而，对维护范围内的混凝土的强度有明显的促进作用；
（5）施工方案是否完善是保证施工顺利进行的前提，而施工组织的严密和技术、质量的预控是否到位是保证施工质量的必要条件。
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