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浅谈大体积混凝土基础的施工方法

时间:2013-08-05 10:54

王新民

随着经济建设的发展和城市大型公用设施及高层建筑的兴建,大体积混凝土基础越来越多,从几千立方米至数万立方米的大型基础已不鲜见,其施工方法也不尽相同。不同的方法会产生不同的问题。如何使施工方法更近合理并避免施工中出现问题,成为施工管理的重中之重。本文从分析大体积混凝土基础裂缝产生的原因入手,结合实例探讨了大体积混凝土基础施工的最优工艺及对质量、技术的控制措施,总结出一种合理的、最优的大体积混凝土基础施工方法。

一、大体积混凝土基础施工中存在问题的原因分析

由经验可知,裂缝是大体积混凝土基础施工中的主要通病,主要表现在以下方面:

1、收缩引起的裂缝

混凝土中约20℅的水分是水泥硬化所必须的,而约80℅的水分要蒸发。也就是说混凝土的收缩主要原因是内部水蒸发引起的,干湿交替会引起混凝土体积的交替变化,这对混凝土是很不利的。混凝土在逐渐散热和硬化过程中会导致其体积收缩,对于大体积混凝土基础这种收缩更加明显。如果混凝土的收缩受到外界的约束,就会在体内产生相应的收缩应力,当产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度,就会在混凝土中产生收缩裂缝。混凝土中的用水量和水泥用量越高,混凝土收缩就越大。水泥品种对缩量及收缩量也有很大的影响,一般中低热水泥和粉煤灰水泥的收缩量较小。

塑性收缩也是大体积混凝土基础收缩的一个主要来源。在水泥活性大、混凝土温度较高或者水灰比较低的条件下,混凝土的泌水明显减少,表面蒸发的水分不能及时得到补充,这时混凝土尚处于塑性状态,稍微受到一点拉力,混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后,混凝土体内的水分蒸发进一步加快,于是裂缝迅速扩展。

2、温度裂缝

混凝土内部和外部的温差过大会产生裂缝。特别是大体积混凝土基础更易发生此类裂缝。

大体积混凝土在施工阶段,它的浇筑温度随着外界气温变化而变化。特别是气温骤降,会大大增加内外层混凝土时温差,这对大体积混凝土是极为不利的。温度应力是由于温差引起温度变形造成的,温差愈大,温度应力也愈大。同时,在高温条件下,大体积混凝土不易散热,混凝土内部的最高温度一般可达60—65℃,并且有较长的延续时间。因此,应采取温度控制措施,防止混凝土内外温差引起的温度应力。

混凝土降温阶段,由于逐渐降温而产生收缩,再加上混凝土硬化过程中,由于混凝土内部拌合水的水化和蒸发以及胶质体的胶凝等作用,促使混凝土硬化时收缩。这两种收缩由于受到基底或结构本身的约束,也会产生很大的拉应力,直至出现收缩裂缝。

3、水化热裂缝

水泥在水化过程中要释放出一定的热量,而大体积混凝土结构断面较厚,表面系数相对较小,所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去,以至于越积越高,使内外温差增大。单位时间混凝土释放的水泥水化热,与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关,并随混凝土的龄期而增长,就会产生水化热的裂缝。

通常情况下,当大体积混凝土基础表面与内部温差超过25℃,混凝土表面温度与环境温度超过15℃时;最高浇筑温度大于28℃且混凝土断面温度变化梯度较大时,易出现水化热裂缝。

大体积混凝土基础的水化热裂缝,除主要与温度有关外,还与其周边的约束条件以及混凝土原材料性质和混凝土自身的收缩变形等因素有关。

4、施工不当裂缝

由于施工粗糙、措施不当导致混凝土结构出现裂缝。在大体积混凝土基础施工中,在混凝土初凝前和终凝前未进行二次抹压,导致混凝土出现塑性收缩裂缝。

二、大体积混凝土基础主要施工方法特点对比分析

大体积混凝土基础的施工方法主要有三种:后浇带施工、分层分块施工、采用一次性连续浇筑施工。结合施工环境的不同,采用不同的施工方法。

1、后浇带施工

后浇带是指在现浇整体钢筋混凝土结构中,只在施工期间留存的临时性的带形缝,起到消化沉降收缩变形的作用,根据工程需要保留一定时间后,再用混凝土浇筑密实,成为连续整体的结构。本方法适用于高低结构的高层住宅、公共建筑及超长结构的现浇整体钢筋混凝土结构,其他有特殊要求结构可参照本方法。

后浇带的设置位置,应视工程的具体结构形状而定,并经设计院认可;后浇带的保留时间,应按设计要求确定,当设计无要求时,应不少于40天,在不影响施工进度的情况下,应保留60天。后浇带应采取保护措施。基础承台的后浇带留设后,应防止垃圾杂物掉入,可采用木盖覆盖在承台的上皮钢筋上,盖板两边应比后浇带各宽出500毫米以上。地下室外墙竖向后浇带可采用砌砖保护。楼层面板后浇带两侧的梁底模及梁板支承架不得拆除。

达到后浇带混凝土封闭条件后,须清理后浇带模板内的杂物,调整钢筋并除掉水泥浆,冲洗干净后,用顶托封闭清扫孔。浇筑结构混凝土时,后浇带的模板上应设一层钢丝网,施工时,钢丝网不需要拆除,只要把后浇带里面的垃圾、杂物、松散石子清理干净,钢筋除锈即可。然后用微膨胀提高一个强度等级的混凝土浇筑。后浇带无论采用何种形式设置,都必须在封闭前仔细地将整个混凝土表面的浮浆凿除,并凿成毛面,彻底清除后浇带中的垃圾及杂物,并隔夜浇水湿润,铺设水泥浆,以确保后浇带混凝土与先浇捣的混凝土连接良好。地下室底板和外墙后浇带的止水处理,按设计要求及相应施工验收规范进行。后浇带的封闭材料应采用比先浇捣的结构混凝土设计强度等级提高一级的微膨胀混凝土(可在普通混凝土中掺入微膨胀剂UEA,掺量为12%—15%)浇筑振捣密实,并保持不少于14天的保温、保湿养护。

通过设置后浇带,使大体积混凝土可以分块施工,加快了施工进度,缩短了施工工期。由于不设永久性的沉降缝,简化了建筑结构设计,提高了建筑物的整体性,同时也减少了渗漏水的因素。

2、分层分块施工

分层分块施工即对基础混凝土分层、分块、分期浇筑。大体积混凝土基础的体积庞大,施工中必须用纵横接缝把基础分割成许多块体,并以水平缝将每一基础块分成若干浇筑层。分层分块主要有两个目的:一是为了便于施工,将庞大的基础逐块逐层进行浇筑;二是为了防止裂缝,减小基础块的尺寸,增加散热面,从而降低施工期间的温度应力,以减小产生裂缝的可能性。施工时先从底层开始浇筑,进行至一定高度后浇筑其他各层。

3、一次性连续浇筑施工

一次性连续浇筑在大体积混凝土基础施工过程中不留任何施工缝,一次性浇筑完成。采用一次整体浇筑的方法和“综合温控”施工技术,有利于提高结构的整体性、抗渗性同时提高了结构的抗震能力。

4、对比分析

从施工方法、施工难易程度、施工周期、劳动力、材料及产品质量进行对比,不难发现:

后浇带施工及分层分块施工,其清除垃圾、扎筋、支模难度较大,技术停歇时间长,工序环节交叉多工期长,加大人工费;后浇部分需提高混凝土强度等级,成本也会增加;另外,施工缝本身质量难以保证,结构整体性、抗渗性、抗震性较差。

采用“综合温控”一次连续不留任何施工缝浇筑,施工较为方便,工序环节交叉少,连续均衡施工,工期短节省人工。不必提高混凝土强度等级,仅需增加少量构造钢筋,就可以保证无裂缝,且结构整体性、抗渗能力、抗震能力均能够大大提高。这种结构主要适合工业与民用建筑中国足球协会超级联赛长、超厚的现浇钢筋混凝土结构,如连续性基础底板、箱型基础、设备基础等需要裂缝控制的钢筋混凝土工程。

由此可见,一次性连续浇筑混凝土的方法是大体积混凝土基础施工中的最优方法。在我国采用一次性浇筑混凝土成功施工的实例很多。

三、大体积混凝土基础施工工艺探讨

组织施工前必须根据工程的特点,全方面综合考虑,采取有效的质量、技术控制措施,得到最优的施工方案。下面以北京市昌平区南环路南环大桥基础承台施工为例,进行最优施工方案的探讨。

北京市昌平区南环路南环大桥桥梁工程位于昌平城东,主桥7#、8#承台构造为:19.5×19.5×3.5m,共计4个。每个承台混凝土方量为1330m3,标号为C30。

1.技术准备

水泥。施工中应选用水化热较低的水泥以及尽量降低单位水泥用量(每减少10kg水泥,降低温度1℃)。本工程选用525号普通混凝土酸盐水泥。

粗细骨料。粗骨料选用5~40mm单粒级卵石。细骨料采用中粗砂,其细度模数为218。降低混凝土的干缩。

混合料及外加剂。混凝土中掺入水泥重量0.25%左右的木质素磺酸钙,可明显延缓水化热释放的速度,推迟水化热峰值的出现;同时可减少10%拌和用水,节约水泥,降低水化热。混凝土中掺入适量粉煤灰,不仅改善混凝土的工作度,减少混凝土的用水量,减少泌水和离析现象;同时代替部分水泥,减少水化热。掺入适量UEA膨胀剂,有效地补偿混凝土干缩冷缩,增加密实性,提高抗渗能力

2、混凝土准备:

承台混凝土强度等级为C30。为降低C30大体积混凝土的内部最高温度,最主要的措施是降低混凝土的水化热。由搅拌站试验室合理选取外加剂,优化配合比,同时满足混凝土泵送、缓凝等要求;混凝土浇筑前,搅拌站做7天、28天强度试验试配,根据设计及有关专家的论证意见,决定混凝土的养护时间;搅拌站提前三天做好原材料储备,按技术协议的内容供应混凝土。

3、现场准备

(1)承台钢筋品种、规格、数量、间距、锚固长度、保护层厚度等均符合图纸及规范要求,钢筋接头经复试合格。承台平面位置线、标高控制线、模板支设位置、支撑情况、强度及稳定性已通过质量检查。办好隐预检手续,签字齐全。

(2)模板采用酚醛覆膜多层板,浇注混凝土前模板内的杂物和钢筋上的油污等清理干净,模板的缝隙和孔洞予以堵严。模板保温材料采用聚苯板。

4、混凝土浇筑  

(1)混凝土运输。混凝土运到现场后,应及时检测混凝土坍落度,从运输罐车中取1/4~3/4之间试样进行坍落度试验,两个试样的坍落度值之差超过3㎝的返回搅拌站。当坍落度太小时严禁加水,允许加少量外加剂按照相关规定用运输罐车搅拌。同时检测好混凝土出机坍落度和入泵坍落度,坍落度每小时损失值不超过30mm,总损失不得大于60mm,超过以上规定的一律返回搅拌站。混凝土入泵及入模以前均要进行测温,不满足温度要求的罐车一律返回搅拌站。

(2)混凝土的浇筑要求。大体积混凝土整体性能要求高,采用连续浇筑、不留施工缝,竖向分层、横向分段,每段10m左右的方法进行施工,以放松约束程度,减少每次浇筑长度的蓄热量,防止水化热的积聚,减少温度应力。

为了避免冷缝产生,混凝土浇灌采用“斜向分层、一次到底、薄层浇筑、逐渐倒退”的方式组织施工,每层的浇筑厚度控制在400~500mm。混凝土运输、浇筑及间歇的全部时间不应超过混凝土的初凝时间。同一施工段的混凝土应连续浇筑,并应在下层混凝土初凝之前将上一层混凝土浇筑完毕。要合理安排施工顺序,控制混凝土在浇筑过程中均匀上升,分层浇筑可使下层混凝土的水化热在初凝时间内充分散发,可减少混凝土的蓄热量,防止水化热的积聚,从而减少温度应力。为防止承台冷缝的产生,现场和混凝土搅拌站应设调度员,合理调配混凝土的供应,保证混凝土浇筑能连续不间断的进行。

(3)混凝土的振捣。上层混凝土应在下层混凝土初凝之前浇筑完毕,并在振捣上层混凝土时,振捣棒向下层混凝土中插入5cm,避免上下层之间冷缝的产生。每一插点要掌握好振捣时间,一般为20~30秒,避免过振或漏振,视混凝土表面不再显著下沉,不再出气泡,表面泛出灰浆为准。

(4)表面处理由于大体积混凝土表面的水泥浆较厚,在混凝土浇筑到顶面后,应及时把水泥浆赶走,浇筑后5~8h内初步按标高用长刮尺刮平,用抹子滚压两遍,初步分散水泥浆。待表面收干后,再用木抹子搓平压实,使混凝土硬化过程初期产生的收缩裂缝在塑性阶段就予以封闭填补,以控制混凝土表面龟裂。第二遍抹压要掌握好时间,以初凝时间前1小时为宜,但由于施工现场白天、晚上气温不一样,对凝结时间有影响,因此现场用手压有痕的方法控制抹压时间。抹压完成后,马上用塑料扫帚在混凝土表面沿施工的短方向扫毛。混凝土浇筑过程中泌水较少时用铁锹均匀分开,较多时人工将其收集于灰斗内用吊车运走,避免因泌水多而造成砼收缩裂缝产生。

5、混凝土养护

混凝土浇筑完成20~24小时内周边开始覆盖养护,采取“保温、保湿”的养护方法。

(1)覆盖方法:采取“单膜双被”做法,即在一层塑料膜上再覆盖一层草被,使混凝土表面的水分及水化热不致散失太快,又可降低混凝土内外温度梯度,从而保证大体积混凝土内外温差在允许范围内,同时也有利于混凝土强度增长及混凝土裂缝控制。

(2)在养护测温期间,及时提供各温度控制点的混凝土内部最高温度、表面温度及大气温度,以此引导现场保温和养护。中午、下午适当时减少保温层,以缩短保温养护时间,晚上再重新盖上。

(3)保温时间:根据测温记录,等混凝土中心温度开始下降、中心温度与表层温度之差开始接近时,停止保温。揭除塑料膜及保温草帘被应一层一层进行,每层揭除应保持一定时间间隔,以避免产生较大的温度梯度。

6、混凝土测温

(1)测温点布置:测温点的布置以尽量覆盖整个施工面为原则,测温点位置及间距根据结构形式及浇筑顺序,分区段对角对称布置。每一测温点位均设3个测温管,上、下表面及承台中间部位处各设一个,深度分别为150mm、1750mm、3300mm,并距边角和表面大于50mm。测温管用一端封闭的内径3cm薄壁钢管做成,下端封闭要密,不得渗漏水。将钢管点焊固定在承台钢筋上,浇筑前管内注入适量机油,上口用棉花塞紧。测温时将温度仪探头插入测温管中,并马上加以覆盖,以免受外界气温影响。测温仪探头在管中至少停留5分钟,迅速记下温度值,测温后将测温孔用保温材料原样覆盖好,测温结束后用同强度的水泥砂浆灌注测温孔。

(2)测温时间:由于混凝土入模后前期水化热趋于上升,后期呈下降趋势,混凝土入模4天内,每2小时测一次温;5天后每4小时测一次温,一周后每6小时测一次温,直至测温结束。

四、大体积混凝土基础施工中的要点控制

1.合理选用原材料

(1)水泥品种。在大体积混凝土基础施工中,水化热引起的温升较高、降温幅度大,容易引起温度裂缝。因此在配制大体积混凝土时应考虑在满足强度和耐久性等要求的前提下,宜选用低热或中热的矿渣硅酸盐水泥。由于大体积混凝土工程量大,水泥用量多,因此要加强水泥进场检验,并尽量降低单位水泥用量;这样可以降低混凝土水化热,使混凝土浇筑后的里外温差和降温速度控制在一定范围内。

(2)粗骨料,碎石、卵石均可,应采取连续级配。大体积混凝土基础多采用泵送混凝土,碎石最大粒径40mm,卵石最大粒径50mm,增大了粗骨料粒径,可减少水泥用量,水泥的水化热减少,且混凝土的收缩随之减少。

2.优化设计配合比

(1)精心设计混凝土配合比混凝土配合比设计时,在保证良好工作性的情况下,应尽可能降低混凝土的单位用水量,采用“三低(低砂率、低坍落度、低水灰比)、二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)、一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出“高强、高韧性、中弹、低热”的抗裂混凝土。

(2)增配构造筋提高抗裂性能配筋应采用小直径、小间距全截面的配筋率应在0.3%~0.5%之间。

(3)避免结构突变产生集中应力在易产生集中应力的薄弱环节采取加强措施。

(4)在易裂的边缘部位设置暗梁,提高该部位的配筋率,提高混凝土的极限拉伸。

(5)在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征,合理设置后浇缝,在正常施工条件下,后浇缝间距20~30m,保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件,也可临时根据具体情况作设计变更。

3.施工中的技术控制

(1)混凝土振捣。为避免和消除裂缝,应降低混凝土水灰比,减少用水量,浇筑时进行强力振捣,这样也可避免浇筑过程中跑浆。由于施工中受多种因素影响,且多采用泵送商品混凝土,为此要采用二次振捣技术,以保证混凝土的抗渗质量,对混凝土密实度和强度有明显的效果。

二次振捣可使坍落度已经消失的混凝土拌合物重新液化,消除粗骨料、钢筋周围的水膜,使这些水分与周围砂浆再次搅拌均匀,也可将未水化的水泥颗粒打散,使其充分水化。这样既可提高强度,又可防止渗水通道,减少了孔隙和气泡,提高混凝土的密实度。

(2)控制混凝土初始温度。通过掺用高效减水剂减少用水,减少胶凝材料,多掺粉煤灰和矿物掺和料等措施,降低混凝土内的水化热温度;通过骨料水冷和风冷降温,加冰和加冷却水拌和,各生产环节加强保温以免冷量损失等措施,降低混凝土初始温度,减少和避免裂缝风险。

浇筑时间尽量安排在夜间,最大限度降低混凝土的初凝温度。白天施工时要求在沙、石堆场搭设简易遮阳装置,或用湿麻袋覆盖,必要时向骨料喷冷水。混凝土泵送时,在水平及垂直泵管上加盖草袋,并喷冷水。

随时对混凝土进行温度监测控制,掌握大体积混凝土的温升和降温的变化规律以及各种材料在各种条件下的温度影响。测温要求:混凝土温度上升阶段2h测一次,温度下降阶段3h测一次,同时测大气温度。

(3)混凝土的养护。大体积混凝土基础表面蓄热保温、适度湿润养护是保证将混凝土内外温差控制在25℃内的一项十分关键的工作。一般可采用一层塑料薄膜两层草袋保温湿润养护,使混凝土表面保持较高温度,减少表面热的扩散,延长散热时间,使内外温差<25 ℃ ,避免裂缝。另一项措施是适度的潮湿养护,可在混凝土表面和保温层间形成水蒸气层,防止混凝土表面脱水而产生干缩裂缝。厚度达2.5m以上的混凝土基础底板,在内部排放冷却水管,通过循环冷却水可以加快混凝土内部的散热速度,应控制内外温差,防止因温度产生的裂缝。

五、结论

本文对大体积混凝土基础几种施工方法的对比论述,得出最优的施工方法即一次性连续浇筑混凝土的施工方法。该方法在大体积混凝土基础施工中已得到多方验证。采取一次性连续浇筑不留任何施工缝,保证基础混凝土高质量的浇筑,施工完成后不导致有害裂缝,为现代化、多功能建筑的正常使用奠定了坚实基础。审定认为该综合技术的研究与应用达到了国内领先、国际先进水平。在具体施工中,大家仍需多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施,创造安全有效的生产和合理的施工顺序,达到最优的施工方法。

(编辑为北京城乡集团紫荆企业项目总工)

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