地下超长大体积混凝土结构变形裂缝控制.doc

地下超长大体积砼结构变形裂缝控制 近年来，工程建设规模迅猛发展，结构形式日趋大型化。地下超长大体积砼结构形式出现频率越来越高，其裂缝控制问题是普遍性的技术难题。一. 超长大体积混凝土构概念 所谓大体积混凝土结构，就是容易由温度收缩应力引起裂缝的混凝土结构，就几何尺寸而言，厚度应大于1.5米。其他厚度在20cm100cm之间的结构，如水池、地下隧道、通廊、各种立墙及筏式基础等，严格来说，仅按几何尺寸不能算作大体积混凝土，但从温度收缩裂缝控制角度仍然称为大体积混凝土。 所谓超长混凝土结构，就是伸缩缝间距大于砼规范规定的伸缩缝最大间距的结构。 地下超长大体积混凝土构筑物，凡能满足工艺和构造要求，一般都能满足强度要求，关键问题是控制变形裂缝。二. 混凝土裂缝产生的原因裂缝是固体材料中的某种不连续现象，属于结构材料强度理论范畴。混凝土变形受到约束，在其内部产生拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时便引起开裂。混凝土裂缝的成因分为两大类：由荷载引起的荷载裂缝和由变形变化引起的变形裂缝。国内外的调查资料显示，混凝土中80的裂缝是变形裂缝，所以变形裂缝的控制应引起工程技术人员的高度重视。下面仅探讨变形裂缝问题。引起混凝土变形的因素有温度、湿度和地基变形。温度包括：水化热、气温、生产热、太阳辐射等，受冷收缩以及温度不均匀产生温差拉应力使混凝土产生温度变形裂缝。湿度的变化产生湿度变形包括：硬化收缩、干缩、炭化收缩、塑性收缩。混凝土在硬化过程中，水与水泥发生化学反应引起收缩称为硬化收缩。这种收缩有正有负，普通硅酸盐水泥混凝土为正，即缩小变形，而矿渣硅酸盐水泥混凝土为负，即膨胀变形。混凝土膨胀剂就是利用材料膨胀变形的特性；混凝土浇注后415小时，水泥水化反应剧烈，出现泌水和水分急剧蒸发现象，引起失水收缩变形，同时骨料与胶合料间也产生不均匀的沉缩变形，由于这些变形都发生在混凝土终凝之前，故称塑性收缩。塑性收缩的量级很大，可达1；大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩叫炭化收缩。炭化收缩的量级小，仅引起表面开裂；混凝土在干燥环境中，其内部的物理化学结合水被蒸发，这些水分的蒸发引起显著的水泥石压缩，使混凝土产生干缩。三. 控制混凝土变形裂缝的措施及其原理 变形裂缝不像荷载裂缝那样在我国混凝土规范中有明确的计算公式并有严格的裂缝允许宽度限制，变形裂缝计算在规范中没有规定，即使是参考资料也很少且实用性不高，在实际工程中变形裂缝一般依靠设计人员对裂缝概念的理解和实践经验采取构造措施来控制。1. 设置伸缩缝结构长度是影响温度应力的重要因素之一，每隔一定间距设置一条伸缩缝，可以削减温度收缩应力和混凝土的干缩应力。设置伸缩缝是控制结构变形裂缝的重要措施，在有条件的情况下应设置伸缩缝。我国混凝土设计规范中要求地下现浇钢筋混凝土结构伸缩缝的最大间距宜为30米。但是伸缩缝的设置有时影响建筑空间和外观，降低结构刚度，破坏结构整体性，而且常常由于施工质量原因在伸缩缝处漏水，伸缩缝处的堵漏难度比一般裂缝处要大的多。实践也证明，留缝与否并不是决定结构变形抗裂与否的唯一条件，留缝不一定不裂，不留缝不一定裂，是否抗裂与很多因素有关。在不宜留缝的地方，只要设计与施工紧密结合，采取合理有效的措施，不留缝或少留缝是完全可以做到的。我国已有多项工程在设计中取消或减少了伸缩缝，凡是采取了控制措施的，都取得了良好的效果。2. 设置后浇带及加强带在施工期间保留一定宽度的临时性变形缝，待施工完毕一段时间后将其填充封闭，后浇成连续整体的无伸缩缝结构。此临时性变形缝称为“后浇带”。在不宜设置伸缩缝的结构中后浇带是一种扩大伸缩缝间距的有效措施，它可以减少混凝土结构施工期间的温度应力和收缩应力。因为地下结构遭受的最大温差、收缩、沉降的变形作用是在施工期间发生的，之后的温差、收缩就比较小，在此期间将混凝土分段浇注可以大大减少混凝土总的温差和收缩应力，从而起到减少裂缝的效果。为了减少清理后浇带的工作量，施工单位经常采用“跳仓浇注”，其效果与后浇带是一致的。近年来出现了设置混凝土加强带以减小混凝土变形裂缝的设计方法。所谓加强带就是在超长混凝土结构中，在一定间距内设置一个混凝土带，在该混凝土带中加入一定比例的混凝土膨胀剂，以膨胀剂产生的膨胀应力抵消混凝土结构中的收缩应力，以达到减小混凝土变形裂缝的目的。加强带设置间距应与混凝土设计规范中对伸缩缝间距的要求相同，一般控制在2030 米之间，带宽为1米。加强带可以代替混凝土后浇带，以减少后浇带后期的清理工作。但是，在一般情况下，设计人员并不知道施工单位用的是何种品牌的膨胀剂，不知道膨胀剂的性能参数，所以设计人员不能确定后浇带的间距、宽度和膨胀剂的掺入量，此项工作应由膨胀剂厂家设计。加强带内混凝土膨胀剂的掺量要严格执行国家的有关规定。同时加强带的设置为混凝土的浇筑顺序与管理增加了难度。通常情况下，设置混凝土加强带应事先与甲方沟通，得到甲方的同意。3. 配置抗裂钢筋混凝土材料结构是非均质的，截面各质点受力是不均匀的，有大量的应力集中点存在，往往在应力集中点处首先出现留缝配置适量的钢筋，钢筋将约束混凝土的塑性变形，分担混凝土的内应力，从而能起到控制留缝开展，减少裂缝宽度的作用。目前设计中存在有受力钢筋有余，分布钢筋不足的现象。根据施工经验，一般认为超长大体积混凝土分布钢筋配筋率宜为全截面的0.4%。宝钢一期工程焦化厂四个超长矩形水池（6076m）抗裂试验也证明了这一点，构造配筋率为0.33%的水池出现了裂缝，改造配筋率为0.377%的水池则没有出现裂缝，也没有渗水现象。4. 添加混凝土外加剂近代混凝土进步的一大标志是外加剂的发展，外加剂的种类繁多，能起到控制裂缝作用的主要有膨胀剂和减水剂。膨胀剂：膨胀剂拌水后生成大量膨胀性结晶水化物，使混凝土适度膨胀，在结构中生成预压应力，它可以大致抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩应力，从而减少裂缝的产生。膨胀剂应采用质量合格的产品且须适量添加，否则会产生不良后果。国家对膨胀剂的掺入量及含碱量有明确的规定。减水剂：减水剂可以使混凝土在保持良好的工作性条件下减少用水量，降低水灰比，减少水泥用量，减少混凝土收缩。减水剂的使用同样要求适量，过量使用会显著增加混凝土收缩。混凝土外加剂使用前须经过现场试配。5. 设置滑动层及缓冲层基础的收缩变形会受到地基的约束，使混凝土内部产生拉应力引起开裂，尤其是在承载力高的坚硬地基上。在混凝土垫层上设滑动层可及减少对基础的约束力，滑动层构造可采用一毡二油。基础收缩时基础底板突入地基中的部分在侧边会受到地基的阻力，其作用类似于剪力键，在其四周设置缓冲层能减少对基础的约束力，缓冲层可采用3cm厚左右的聚苯乙烯板。6. 合理采用混凝土强度等级配置高标号混凝土要采用高标号水泥及增加水泥用量，这样会增加混凝土的收缩以及水化热引起的温差。地下基础只要能满足工艺和构造要求，一般都能满足强度要求，因此基础混凝土的强度等级宜在C20C30之间。7. 正确选择混凝土配合比及其材料a. 在满足设计要求及施工要求的前提下科学地选择混凝土配合比，降低水灰比，减少水、水泥用量，以减少混凝土收缩和混凝土内外温差。b. 宜优先选用水化热低地矿渣硅酸盐水泥，优先采用第425号水泥，采用525号水泥应注意用量。c. 应采用坚硬的级配好的粗细骨料，严格按国家标准控制骨料中的含泥量。含泥量大会影响水泥的水化反应，同时严重降低水泥石与骨料间的粘结作用。8. 加强混凝土的浇注与养护混凝土浇注与养护质量的好坏对混凝土的裂缝控制具有决定性的影响，在施工中必须做好混凝土浇注与养护工作。a. 选择适当的浇注方式，可采用分层式连续浇注或推进式浇注，不得随意留施工缝。b. 控制混凝土浇注时的摊铺厚度，加强振捣，以增强混凝土的密实度。c. 采取有效措施尽量降低混凝土出罐温度，以降低混凝土的绝对温度，减少内外温差。d. 及时清除浇注过程中混凝土表面的浮浆，以防止表面干缩裂缝。e. 加强养护，保持混凝土表面的湿度，降低内外温差。在混凝土顶面及四周均应养护，可采用塑料薄膜与草袋覆盖。f. 加强温度监控，采取有效措施，控制混凝土中心与外表面温差不高于30。g. 混凝土拆模后应及时回填，减少暴露时间。四. 混凝土变形裂缝控制措施的工程实践（一）. x钢2150热连轧工程步进式加热炉基础2000年8月我接到任务设计x钢2150热连轧工程步进式加热炉基础。该基础长110m，宽90m，深12m，底板厚1.7m，四周挡土墙厚1.5m。沿纵向有6道支承炉体的大梁，沿横向有两道辊道基础。工艺要求基础内不能在设置隔墙。该加热炉基础纵横两方向均超长，按规范规定应设伸缩缝。如设置伸缩缝将把基础分割成独立的几块，伸缩缝处没有侧墙支承，严重破坏基础的整体性，再有纵横伸缩缝纵横交接处施工即为困难，经专家会研究决定采用无缝整体浇注。我们采用了以下措施以控制裂缝：1. 基础纵横方向各设置两道1m宽后浇带，后浇带用微膨胀混凝土浇灌。2. 配置抗裂钢筋，配筋率控制在为0.4%左右。3. 炉体底板的砼垫层之上铺设一毡一油作为“滑动层”。4. 底板突入地基部分，侧面与土壤直接接触的部位设置20mm厚的聚苯已稀泡沫塑料板作为“缓冲层”。5. 正确选择砼配合比和原材料1) 建议采用低水化热的矿渣水泥。2) 采用玄武岩、花岗岩等强度较高不易发生体积变形的骨料。3) 严格按规范控制粗细骨料的级配及含泥量、杂质含量，黄砂含泥量2%，石子含泥量1%。4) 掺加木钙减水剂，增加砼的和易性,减少水泥用量。6. 加强振捣,提高砼的密实度.砼应分层振捣，每层厚度控制在400mm为宜，投棒间距不大于400mm，每次振捣时间不小于3045秒。7. 避免砼表面收水裂缝砼浇注后应及时将泌水、浮浆排出，砼浇注45小时后用长尺将表面刮平，去掉表面厚浆.再初凝前用铁滚筒碾压数遍。8. 在浇捣顺序上,应争取先浇捣中间部位,然后向两端分层浇捣.9. 加强养护措施1) 砼表面盖两层草袋,并蓄水养护，池壁内外模亦均覆盖两层草袋，并充分淋水使各部位均处于充分湿润状态。2) 应及时掌握砼内温度变化，控制砼内外温差不大于30度3) 应作好保温措施，预防寒潮侵袭。10. 边拆模边快速回填。 经过采取以上措施后，该基础于2001.3月开始浇注底板，于2000.10月施工完毕，2002年底投入使用，目前使用良好，未发现裂缝和渗漏现象。（二）. 宝钢厚板轧机工程轧机区设备基础宝钢厚板轧机工程轧机区设备基础长246m，宽36m，底板顶标高8.000m，底板厚1.2m，侧壁厚0.8m，顶板厚0.41m，沿纵向有两道0.8m厚纵墙构成的冲渣沟。由于上部设备复杂，无法找到合适的伸缩缝位置，宝钢项目组与设计院多次组织专家会讨论，决定该基础不设伸缩缝，采用连续整体浇注。该基础裂缝控制方法与武钢2150热连轧工程步进式加热炉基础基本相同，只是将后浇带改为“跳仓浇注”。再有该基础下部地基为淤泥，使用了钢筋混凝土管桩，对基础底板约束较小，故取消了“滑动层”和“缓冲层”。该基础于2003.4月开始施工于2004.2月施工完毕，工程于2005.3月投产。目前该基础目前使用良好，未发现裂缝和渗漏现象。五. 结论 从混凝土形成机理和内部构造来看，虽然混凝土开裂是绝对的，不裂是相对的，但通过实践证明，混凝土裂缝程度是可以控制的。即使是超长大体积混凝土，只要设计与施工紧密结合，采取切实可行的控制措施，也可以把其裂缝有害程度控制在允许范围之内，超长大体积混凝土一次连续整体浇注是可行的。