临海复杂地质大体积地下混凝土结构防裂控制施工技术.pdf

2 0 1 2 年 第 2 期 (总 第 2 6 8 期 ) N u mb e r 2 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TE CHNOL0GY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 2 0 3 8 临海复杂地质大体积地下混凝土结构 防裂控制施工技术 高昆 ，田砾 ，肖范 ，梁洪雷 ， ( 1 青岛城建集团有限公司，山东 青岛 2 6 6 0 3 1 ； 2 青岛理工大学 土木学院，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ) 摘要： 青岛市太原路固体废弃物中转站迁建工程是目前国内最大的生态型地下中转站 ， 建于临海复杂地质条件下， 其大体积混凝土 结构施工中防裂控制技术是结构承载力、 安全耐久和正常运行的重要保证。 工程结合实际， 对因温度应力及收缩应力引起裂缝问题的大 体积混凝土结构做出系统的分析， 从混凝土原材料、 配合比、 浇筑与养护、 掺合料和外加剂以及掺加聚丙烯纤维等方面对大体积混凝土结 构裂缝的控制做出总结。 结果表明： 合理选择原材料， 科学优化配合 比， 采用分层浇筑， 保温保湿养护， 掺加适量的聚丙烯纤维等都能有效 控制裂缝出现。 最终制定出相应的技术措施， 防止裂缝出现， 提高结构耐久性能。 该技术对同类结构施工具有借鉴意义。 关键词： 临海复杂地质；大体积混凝土；裂缝； 控制措施 中图分类号 ： T U5 2 8 0 7 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 1 1 9 0 2 Te c hnol og y of c r a c k s co nt r ol o f unde r gr ou nd m a s s c onc r e t e c on s t r uc t i on oc a t e d i n be ac h compl e x ge ol og i c al c ondit i ons GAO Ku n ， T I A N Li 2 , XI A0 F a n 2 , LI ANG Ho n g - l e i ( 1 Q i n g d a oU r b a nCo n s t r u c t i o nGr o u p ， Qi n g d a o 2 6 6 0 3 1 ， C h i n a ； 2 Qi n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y， Qi n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e r e l o c a t i o n p r o j e c t o f Qi n g d a o t a i y u a n r o a d s o l i d g a r b a g e t r a n s f e r s t a t i o n i s t h e ma x i mu m i n l a n d e c o t y p e u n d e r g r o u n d t r ans f e r s t a t i o n a t p r e s e n t ， whi c h l o c a t e d i n t h e c o mp l e x g e o l o g i c a l c o n d i t i o n n e a r t h e c o a s t a l fly a s h d r e d ge r f i l 1 a r e a T h e c r a c k c o n tro l t e c h n o l o g y d u r i n g t he ma s s u n d e r gro u n d c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n i s t h e s i g n i fi c a n t a s s u r a n c e o f t h e l o a d b e a r i n g c a p a c i t y ， s a f e ty， d u r a b i l i ty a n d n o r ma l o p e r a t i o n o f t h e r e l o c a t i o np r o j e c t C o mb i n i n gwi t ht h e r e a l i ty， a s y s t e ma t i cana l y s i s h a s b e e nma d e i nthi s p a p e r o nma s s c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n ， wh i c hh a s p r o b l e ms d u e t o t e mp e r a t u r e s tre s s a n d s h r i n k a g e s tre s s An d t h e n， t h e c o n tro l me t h o d s a r e s umma r i z e d o n c r a c k s o f ma s s c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n f T o m ma t e r i a l s ， mi x p r o p o r t i o n， po u r i n g o fc o n c r e t e ， c u r i n g， a d mi x t u r e s ， p o l y p r o p y l e n e fib e r s an d o t h e r a s p e c t s T he r e s u l t s s h o w t h a t ， man y m e t h o d s C an c o n t r o l c r a c k s o f ma s s c o n c r e t e s u c hasr e a s o n a bl e s e l e c t i o no f r a w ma t e ria l s ， mi x o p t i mi z at i o n， po u r i n go f c o n c r e t el a y e r ， t ok e e pwa r m andp r e s e r v e mo i s t u r e ， mi x po l y p r o p y l e n e fib e r s a n d S O o nF i n a l l y， t h e p a p e r g i v e s a p pr o p ria t e t e c hnol o gy me a s u r e s a c c o r d i n g t o t h e r e s u l t s o fthe s e s t u d i e s t o c o n tro l c r a c k s a p pe a r an c e s ， e n hanc et h ec o n c r e t ed ura b i l i t y Th et e c hn o l o gy wi l l p r o v i d ewit hr e f e r e n c et ot h e s i mi l ar s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n Ke y wor d s： be a c h c o mp l e x g e o l o g i c a l c o n d i t i o ns ； mass c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n； c r a c k s ； c o n tro l me a s u r e s 1 工程 概 况 总投资 3 6亿元、 日处理能力 4 0 0 0 t 的青岛市太原路固体 废弃物 中转站迁建工程位于娄山河污水处理厂西侧的电厂粉 煤灰吹填区， 场地南侧为胶州湾， 娄山河在此注入大海。 拟建场 地原为海滩， 后经人工填海造陆形成陆地， 回填后场地地形平 坦， 无地表水体 ， 但滨海地区地质条件复杂。 作为国内目前最大 的生态型垃圾中转站， 其主体结构位于地下， 地上则为开放式 公园。 地上大量种植的植被和地下腐蚀性海水的影响要求结构 必须具有良好的抗渗性。 此外， 设备使用过程底板对刚度， 裂缝 控制等方面有较为严格的要求。 其中中转车间底板长 1 4 4 m， 宽 8 2 5 m； 底板底部设计标高 一8 9 m， 持力层是砂质泥土。 中转车间设计采用桩基础及大体积 成片筏板基础， 底板厚度 8 0 0 m i l l ， 局部 1 5 0 0 mm， 双层双向钢 筋， 采用 C 4 0 、 P 8抗渗混凝土， 混凝土总量大约 1 3 0 0 0 m。 ， 必须 一 次性浇筑成型。 以该工程大体积混凝土施工为例， 分析了滨海 环境、 地下大体积混凝土裂缝出现的主要原因， 总结出合理选 择原材料， 科学优化配合 比， 采用分层浇筑 ， 保温保湿养护 ， 掺 加适量的聚丙烯纤维等有效控制裂缝的综合措施。 2 裂缝产生的主要原因 导致混凝土结构开裂的因素很多， 除了由静、 动荷载等产 生的应力引起的裂缝外 ， 混凝土早期裂缝产生的原因主要有以 下几个方面 。 2 1 水 泥水化 热 水泥在水化过程中要释放出相当可观的水化热， 水泥水化过 程： 硅酸盐水泥一水化硅酸钙 +氢氧化钙 +水化热， 并且释放出 可观的热量使混凝土内部温度升高。 大体积混凝土断面往往较厚， 混凝土导热较差， 致使水化热聚集在结构内部不易散发， 而结构表 面温度却接近常温， 使混凝NN r b 形成温度梯度 1 。 降温的过 收稿日期：2 0 1 1 - 0 8 1 7 基金项目：国家自然科学基金面上项目( 5 0 8 7 8 1 0 9 ) ； 泰山学者建设工程专项经费资助 1 l 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 程中， 混凝土收缩引起拉应力， 温差大， 拉应力就大， 超过极限拉应 力值时， 裂缝就出现了。 所以， 降低? 昆 凝土水化热至关重要。 2 2混凝 土 的收缩 混凝土在浇筑后， 会出现水分蒸发和泌水现象 ， 骨料与胶 合料之间产生相对沉降， 引起变形。 收缩是由混凝土的性质决定 的， 几乎可以说混凝土的收缩是不可避免的。 但早期收缩量的控 制却是可行的。 2 3 桩基对结构附加约束 由于本工程结构主体位于地下， 而场地是由粉煤灰吹填区 开挖形成， 濒临胶州湾 ， 施工现场布有大量预制混凝土方桩 ， 对 结构的自由变形增加了阻力作用， 导致桩基对结构产生附加约 束应力。 当该应力超过混凝土的抗拉强度时， 则从约束面开裂形 成温度裂缝。 但 目前为止， 还没有统一的计算方法。 3 控制裂缝的主要措施 针对上述隋况， 本工程着重采取如下技术措施控制裂缝问题： 3 1 优 选原材料 ( 1 ) 水泥： 在大体积混凝土施工中， 水化热引起的温升高， 降 温幅度大， 比较容易引起温度裂缝， 所以选用水化热低的水泥或 者减少水泥用量是控制裂缝的首要措施， 经过计算与优化 ， 最终 本工程选用青岛山水 P O4 2 5 R级水泥， 用量为2 8 8 k g m 。 ( 2 ) 粗 、 细骨料 ： 配制混凝土时， 选择合适的骨料是增强其 抗裂性的一个重要方法 ， 骨料选择的好， 混凝土的密实性高， 孔 隙率就低 ， 混凝土的强度高。 细骨料宜采用中砂， 其细度模数宜 大于2 3 ； 粗骨料宜选用粒径 5 3 1 5 m i r l ， 并连续级配； 应选用非 碱活性的粗骨料； 当采用非泵送施工时， 粗骨料的粒径可适当 增大。 掺入粒径大的骨料同样能够减少水泥用量。 砂、 石的含泥 量过大影响混凝土的收缩， 降低混凝土的抗拉强度 ， 因此 ， 砂 、 石料的含泥量控制必须严格控制在小于 1 。 ( 3 ) 粉煤灰 ： 粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火 山灰质材料。 粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一， 也 是 目前混凝土掺合料中价格最低廉的。 粉煤灰是以颗粒形态存 在的， 且这些颗粒的矿物组成、 粒径大小、 形态各不相同。 用粉 煤灰后取代一部分水泥， 从而可以减少水泥水化产生的热量， 粉 煤灰颗粒如同玻璃球一般， 质地致密 ， 表面光滑， 粒度细， 内比 表面积小 ， 对水的吸附力小， 流动性好 ， 在拌合物中起着润滑作 用并填充于其中孔隙， 从而改善混凝土胶合物的密实性。 粉煤灰 中的活性成分 S i O 与水泥水化后的产物填充内部孑 L 隙， 使孔径 细化 ， 改变孔结构， 提高混凝土内部组分黏结作用2 1 。 粉煤灰还 可以弥补混凝土中细粉料的不足， 阻塞泌水通道 ， 有利于泌水 率的降低。 水泥浆中粉料的增加， 也使浆体体积增加， 改善了混 凝土的黏聚l生， 抑制了混凝土的离析现象。 由于粉煤灰颗粒的形 态和亲水特性 ， 球状玻璃体可吸附一层水膜， 即粉煤灰具有 良 好的保水性， 这均有利于混凝土需水量的减小。 由此可见， 在混凝土中掺加粉煤灰节约了大量的水泥和细 骨料 ； 减少了用水量； 改善了混凝土拌合物的和易性； 增强混凝 土的可泵性 ； 减少了混凝土的徐变； 减少水化热、 热能膨胀性； 提高混凝土抗渗能力； 有利于减少混凝土开裂现象。 3 2 合理使用外加剂 高效减水剂可以有效地减少水的用量 ， 降低混凝土的坍落 度损失 ， 改善混凝土的工作性 ， 增加密实度， 从而提高防裂性 能， 在混凝土中发挥重要的作用。 但减水剂种类繁多， 性能不一 ， l 2 O 因此合理使用减水剂至关重要。 首先要确定减水剂与水泥的适 应性， 其次是确定合理用量 ， 还要根据结构形式、 施工条件和工 艺等确定配合比。 此外还有进行经济性的比选。 超长地下混凝土结构的抗裂防渗还可以通过防水剂的添 加来保证。 防水剂能与水泥水化产物反应发生膨胀， 补偿混凝土 的收缩， 填充混凝土毛细孑 L 隙， 延缓水化速度使水化放热平缓3 1 。 本工程采用的高性能防水剂是沈阳运龙生产的Y L型防水剂。 3 3 优化 混凝 土配合 比 根据上述原则， 并进过水化热计算， 本工程 C 4 0 混凝土最后 确定的配合比如表 1 所示。 采用了青岛山水 P O4 2 5 R级水泥、 大 沽河 I I 区砂、 5 3 1 5 mm连续级配莱西碎石、 日照净宇 I 级粉煤灰， 家 足球 $ 9 5矿粉、 膨胀带采用了潍坊 A E A膨胀剂、 中盛生产的 z s z型阻锈剂。 考虑最- t g 热温升、 地基约束系数、 环境温差等的 影响， 经计算， 3 d龄期混凝土的温度应力为 0 4 6MP a ， 7 d时为 1 5 6 MP a ， 小于混凝土的拉应力设汁随， 不会因温度应力造成开裂。 表 1 混凝土配合 比 3 4 设置冷却水管 由于中转车间筏板基础是大体积混凝土 ， 1 4 4 0 0 0 mmx 8 2 5 0 0 mmx 1 5 0 0 m m( 局部 7 0 0 mm) 因此考虑在 1 5 0 0 mm厚 中间设置冷却水管， 采用人为措施尽快降低混凝土内部温度 ， 从 而达到减小混凝土块体内外温差的目的。 在大体积混凝土内部 埋设连通比表面积大、 热交换效率高的金属薄壁管 ， 通水循环 流通 ， 通过调节水流量及流速， 控制混凝土内部温升速率， 有效 地解决超大体积混凝土温度裂缝防治的技术难题4 1 。 循环水流 经混凝土内部， 通过热交换后被加温， 抽出后作为养护用水， 提 高混凝土表面温度 ， “ 外保” 效果明显， 施工成本降低。 3 5 设置膨胀加强带、 后浇带 结构长度是影响温度应力的因素之一， 并且在一定长度内对 温度应力影响较为显著。 后浇带、 加强带的设置能有效减少温度应 力产生的裂缝。 后浇带、 加强带的布置如图 1 。 加强带在混凝土初 凝前浇筑完成， 后浇带则一直保留到主体施工完毕才浇筑 ； 加强 带、 后浇带采用添加膨胀剂的混凝土。 膨胀剂采用抗裂防渗型铝酸 钙膨胀 I ( AE A膨胀剂) 。 AE A膨胀剂掺入到? 昆 凝土中， 形成膨胀 性结晶水化物钙矾石， 使混凝土早期适度膨胀， 在钢筋和邻位 的限制作用下， 在混凝土中建立 0 2 -4 ) 7 MP a预压应力， 这一压应 力可以大致抵消混凝土干缩时产生的拉应力， 而且在混凝土中后 期仍保持微弱的膨胀势头， 以补偿其冷缩， 同时钙矾石结晶体不断 填充混凝土内部间隙， 改善了混凝土的孔隙结构， 提高了密实度 ， 达到抗裂防渗之目的。 膨胀带混凝土配合比见表 2 。 4 5 0 0 0 45 0 0 0 4 5 0 0 0 8 0 0mm 8 0 01 11 1 11 l I 强 浇 带 楷 l l l 图 1 加强带、 后浇带布置 图( 单位 ： mm) 下转第 1 2 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 度较大时 ， 浆液只能在掏砂洞内扩散 ， 土层和砂卵石层基本不 吸浆 ； 而当采用稠度较稀的浆液( 配合比为 1 ： 2 5 ： 3 5 ， 结构剂为 1 5 ) ， 在地层中可形成一定的扩散范围。 这样既可以更好查明掏 砂洞的具体情况， 又能对土层和砂卵石层中的松散部位( 掏砂 洞坍塌部位) 进行挤压密实 ， 从而对基础起到加固的作用。 表 3 施工浆液配合 比力学性能 3结论 根据南水北调中线一期工程掏砂洞灌浆浆液配合比试验 结果分析和研究， 可以得出以下几点结论： ( 1 ) 水泥黏土复合浆液结石率高， 收缩率小。 ( 2 ) 在水泥黏土复合浆中， 随着水泥掺人量的增加， 浆液结 石体元侧限抗压强度增加 ， 收缩率减少， 初凝时间缩短 ， 初始黏 度增大， 适用期缩短 ； 随水的加人量增加 ， 黏度降低， 适用期延 长， 浆材结石体无侧限抗压强度降低。 ( 3 ) 随着结构剂加入量的增多， 浆液无侧限抗压强度增加； 相对于没有加人结构刹的， 加入了 1 0 2 0 结构剂的水泥黏土 固化浆 ， 强度增加 3 5 1 0 0 ； 同时浆液的失水率降低 ， 有利于 上接第 1 1 8页 参考文献 ： f 1 1 KH A YA T K H， A S S AA D J R e l a t i o n s h i p b e t w e e n w a s h o u t r e s i s t a n c e a n d r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s o f h i g h - p e rf o r ma n c e u n d e r w a t e r c o n c r e t e J Ma t e r i al s J o u r n a l ， 2 0 0 3 ， l O O ( 3 ) ： 1 8 5 1 9 3 2 S ON E B I M， T A MI MI A K， B AR T O S P J M A p p l i c a t i o n o f f a c t o r i a l m o d - e l s t o p r e d i c t t h e e f f e c t o f a n t i wa s h o u t a d mi x t u r e， s u p e r p l a s t i c i z e r a n d c e me n t o n s l u mp， flo w t i me a n d wa s h o u t r e s i s t a n c e o f u n d e r wa t e r c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 O 0 ， 3 3 ( 5 ) ： 3 1 7 3 2 3 【 3 姜从盛， 陈江 ， 吕林女， 等 水下不分散混凝土的研制与应用【 J 武汉 理工大学学报： 交通科学与工程版 ， 2 0 0 4 ， 2 8 ( 3 ) ： 3 5 3 3 5 6 【 4 买淑芳 混凝土聚合物复合材料及其应用 M E 京： 科学技术文献出 版社， 1 9 9 6 ： 1 8 1 1 8 9 5 K a z u o Y a ma d a ， T o mo T a k a h a s h i ， S h u n s u k e Ha n e h a r a ， e t a1E f f e c t s o f t h e 上接第 1 2 0页 表 2 膨胀带混凝土配合比 k g m 3 6 屋面板采用预应力 由于中转站上部为开放式花园， 屋面板上部需要覆盖土壤， 种植植被， 致使屋面板荷载较大 ， 且抗裂防渗要求较高。 为了控 制裂缝， 采用预应力技术是一个很好的办法。 所谓预应力混凝土 结构， 是在结构构件受外力荷载作用前 ， 先人为地给混凝土结 构施加压力， 由此产生的预应力状态用以减小或抵消外荷载所 引起的拉应力， 即借助于混凝土较高的抗压强度来弥补其抗拉 强度的不足， 达到推迟受拉区混凝土开裂的 目的。 预应力混凝土 构件具有抗裂能力强 、 抗渗性能好、 刚度大、 强度高、 抗剪能力 和抗疲劳陛能好的特点， 对节约钢材 、 减小结构截面尺寸、 降低 结构 自重、 防止开裂和减少挠度都十分有效 ， 可以使结构设计 得更为经济、 轻巧与美观。 充填密实掏砂洞； 初凝时间缩短， 早期塑性强度增加， 有利于控 制浆液的扩散半径和后续浆体产生灌浆压力。 ( 4 ) 掺有结构剂的水泥黏土混合浆液配制过程简易可控、 稳定性好， 液液的初始黏度较低， 灌浆施工操作方便 ， 同时具有 一 定的结石体强度。 参考文献 ： 1 】朋改非， 沈大钦， 朱海英， 等 同配合比条件下再生骨料混凝土与基 准混凝土的力学性能比较研究叫 混凝土， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 3 4 3 8 2 刘厂同， 张宝生， 袁杰， 等 基于最佳浆骨比的混凝土配合比设计方 法研究J 1 混凝土， 2 0 0 3 ( 7 ) ： 3 1 3 4 【 3 】 甘继胜 燕山水库防渗墙低弹猫土混凝土配合比研究叨 河南水利与 南水北调， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 3 2 3 5 4 】 苏智光， 郭铁柱苏家河口水电站大坝趾板帷幕灌浆试验研究【 J 云 南水力发电， 2 0 1 0 。 2 6 ( 6 ) ： 4 7 5 0 5 】 江帆， 廖志高， 刘谷机场软基水泥土配合比试验研究叨华东公路， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 7 7 8 0 6 J6 S L 6 2 9 4 ， 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范f s 】 1 9 9 4 作者简介 联 系地址 ： 联 系电话 ： 张世宝( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 教授， 主要从事水工结构数值分析和 试验研究工作。 河南省郑州市北环路 3 6 号 华北水利水电学院( 4 5 o o 1 1 ) 1 5 0 0 3 8 9 8 9 21 c h e mi c al s t r u c t u r e o n t h e p r o pe i e s o f p o l y c a r b o s y l a t e 。 t y p e s u p e r p l a s - t i c i z e r J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ( 3 0 ) ： 1 9 7 2 0 7 6 缪昌文 ， 冉千平， 洪锦祥 ， 等 聚羧酸系高性能减水剂的研究现状及 发展趋势叨 中国建材进展， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 1 1 ) ： 3 6 4 5 7 蒋正武， 崔宝琦， 孙振平， 等 水下抗分散混凝土的性能研究忉 建筑 材料学报， 2 0 O 0 ， 3 ( 2 ) ： 1 2 9 1 3 4 8 1 陈国新， 祝烨然， 卢安琪， 等 高保坍高强水下不分散混凝土的研究 及在船台滑道工程中的应用叨 混凝土技术， 2 0 1 0 ( 1 1 ) ： 4 5 4 8 作者简 介： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 陈国新( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 博士生， 高级工程师， 主要从事水工混 凝土及外加剂的研究开发。 南京市虎踞关 3 4 号 南京瑞迪高新技术公司( 2 1 0 0 2 4 ) l 3 8 5 1 7 9 2 5 0 9 4结语 通过采用上述综合抗裂措施， 青岛市太原路固体废弃物中 转站迁建工程大体积混凝土施工过程中未产生裂缝， 该工程即 将封顶， 在后续使用中将继续监测结构开裂情况。 大体积混凝土 裂缝控制技术还有许多需要改进和完善的地方， 例如桩基对结 构附加约束的计算方法还需要积极的探索和研究。 参考文献 ： 【 1 王铁梦 工程结构裂缝控制【 M 】 北京 ： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 2 1 钱觉肘 粉煤灰特性与粉煤灰混凝土【 M 】 北京： 中国科学出版社， 2 0 0 2 【 3 】S Y J G 2 0 0 7 1 ， 超长地下混凝土结构防裂技术规定 s 1 f 4 1 张心斌， S i m o n C h e n ， 程大业， 等 大体积混凝土裂缝控制 J 】 工业建 筑。 2 0 1 0 ( 1 ) 作者简介： 联系地址 ： 联系电话 ： 高昆( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 高级工程师， 研究方向： 大型市政工程施 工技术 。 青岛市四方区嘉定路 1 5 号 青岛 强 摸 团有限公司( 2 6 6 0 3 1 ) l 3 5 8 3 2 6 7 9 7 7 1 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m