超长曲面纤维混凝土墙体裂缝控制综合技术

EvaluationWarning:ThedocumentwascreatedwithSpire.Docfor.NET.超长曲面纤维混凝土墙体裂缝控制综合技术1.1超长曲面墙体混凝土结构裂缝现状及课题的提出由于混凝土结构的日趋大型化、复杂化、施工工艺的变化、水泥细度和成分的变化等多种因素的影响，混凝土结构裂缝是长期以来一直困扰工程界的一个难题。特别是近几年来，地下室墙体混凝土工程施工愈来愈多地采用商品混凝土，混凝土搅拌运输时间过长，水泥用量增加，掺合料和外加剂的不当使用，混凝土的大流动性，浇速度过快、养护不当等因素，都会引起或加剧地下室混凝土墙体裂缝的开展。因而长期以来，地下室外墙裂缝一直是影响地下室工程质量和使用功能的主要质量通病。而超长曲面墙体裂缝的控制更是国内工程界尚未解决的难题，且产生裂缝后的经济和社会效益损失严重，因此必须采取有效措施控制各种裂缝的产生。**大剧院地下室一层外墙长达420m（如图1.1所示），高分别为6.8m和5m。它由弧形墙、斜形墙、斜柱和异形柱组成的外墙。弧形墙在（D11~D1轴和C11~C1轴）墙厚为600mm，斜形墙和斜柱在（A1~A11轴和B1~B11轴）墙厚为600mm，斜墙和斜柱均向内倾斜620，向上收缩，斜柱截面尺寸为600*800和1200*800，共有24根斜柱。整个地下室外墙以后浇带分为四个施工段，最长施工段曲面墙体长达198余米，如何避免因各种原因引起的肉眼可见裂缝，是本工程的一个难点。对此，课题组对钢筋混凝土曲面墙体裂缝控制进行理论分析、研究、探讨，提出了裂缝控制综合技术，并将其应用于工程实践——**大剧院地下室曲面墙体工程施工，取得了良好的效果。图1.1地下一层平面图1.2混凝土曲面墙体裂缝开裂机理及裂缝控制对策1.2.1混凝土曲面墙体开裂原因及开裂机理混凝土浇筑后，由于收缩或者温度变化导致混凝土变形受到约束过大、当拉应力超过混凝土极限拉应力即导致混凝土开裂。收缩裂缝混凝土收缩裂缝的起因是混凝土在凝结硬化过程中产生体积变化，当混凝土产生收缩而结构又受到约束时，就可能产生收缩裂缝。根据裂缝产生机理的不同，收缩裂缝又可分为干燥收缩、塑性收缩、自收缩裂缝等。①干燥收缩：干燥收缩是指混凝土养护完成后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩，它不同于干湿交替引起的可逆收缩。随着相对湿度的降低，水泥浆体的干燥收缩增大。混凝土的水灰比和水化程度、水泥的组成和用量、细掺料和外加剂、集料的品种和用量等是影响干燥收缩的主要因素。混凝土的干燥过程是其所含水转变为蒸汽的蒸发过程。混凝土内的可蒸发水存在于大孔洞、毛细孔及凝胶孔中。水分蒸发时，首先是大孔洞里的水蒸发，但这不至于引起收缩；随后是毛细孔水蒸发，由较粗孔到较细孔再到更细孔，脱水量依次减小而收缩量却依次增大；在强烈干燥下，凝胶孔里的吸附水也能蒸发并收起收缩。②塑性收缩：塑性收缩是指在塑性阶段的混凝土因表面失水而产生的收缩。混凝土在新拌合状态下，拌合物中颗粒间充满水，若养护不足，表面失水速度超过内部水向表面迁移的速度，就会造成毛细管中产生负压，使浆体产生收缩。影响混凝土塑性收缩开裂的内部因素是水灰比、细掺料、混凝土的温度、凝结时间等；外部因素是风速、环境温度、相对湿度等。控制塑性收缩最有效的方法是终凝前保持混凝土表面的湿润，如在混凝土表面覆盖塑料薄膜、喷洒养护剂等。③自收缩：混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，造成毛细孔中的水分不饱和而产生压力差，当压力差为负值时，引起混凝土的自收缩。对水灰比较高的普通混凝土，自收缩可以忽略。混凝土自收缩的大小与水灰比、细掺料的活性、水泥细度等因素有关。混凝土的收缩裂缝一般从混凝土表层开始向深处发展，有时会在混凝土保护层出现环向裂缝。干燥收缩裂缝最显著的特征是与荷载无关，常在无外荷载的作用下开裂，且裂缝比较稳定。即一旦出现裂缝，若没有其它影响，裂缝宽度不会再有太大变化，这一点与温度裂缝有明显不同。温度裂缝温度裂缝是水泥水化过程中形成的水化热与散热条件形成的内表温差，降温过快或急冷急热产生的温差导致的收缩裂缝。温度裂缝一般出现在配筋薄弱处。由于温度引起的内应力及约束应力的大小与温差有关，特别是与昼夜间的变化关系最大，结构上较严重的裂缝往往发生在气候条件最差的时候；温度应力也与结构所处的地理位置有关，例如，处于比较稳定的海洋气候中的结构要比处于大陆性气候中的结构有利一些。1.2.2裂缝控制对策项目部认真分析当前地下室混凝土曲面墙体裂缝出现的主要原因，强调综合控制措施，精心组织、精心施工，将平时施工中不易做到、做好的工作一一落实到实处，最终达到了理想的控制效果。设计方面在建筑设计中应处理好构件中“抗”与“放”的关系。所谓“抗”就是处于约束状态下的结构，没有足够的变形余地时，为防止裂缝所采取的有力措施；而所谓“放”就是结构完全处于自由变形无约束状态下，有足够变形余地时所采取的措施。设计中应尽量避免结构断面突变带来的应力集中。此外应重视构造钢筋的作用。在结构设计中，应重视对于构造钢筋的配置，特别是楼面、墙板等薄壁构件更应注意构造钢筋直径和数量的选择。可以通过改进内部配筋设计达到抵抗温度应力的目的。原材料选择方面水泥：在原材料方面易引起产生收缩裂缝的主要是水泥。用于泵送混凝土中的水泥应均匀、稳定、与外加剂具有良好的适应性，宜选用早期化学收缩性较小的水泥。粗骨料：应尽量选用较大粒径的粗骨料，因为粗骨料粒径越大，级配越好，孔隙率越小，总表面积越小，每立方米的水泥砂浆用量和水泥用量就越小，水化热就随之降低，对防止裂缝的产生有利。细骨料：宜选用质地坚硬、洁净、级配良好的中粗砂为宜。因为中粗砂的孔隙率小，总表面积小，这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少，水化热就低，裂缝就减少。要控制砂子的含泥量，含泥量越大，收缩变形就越大，裂缝就越严重。要注意控制砂率，砂率增加虽有利于泵送施工，但超过一定值时混凝土的抗裂性降低，混凝土的干燥收缩加大，易产生收缩裂缝。若混凝土的坍落度过大，振捣后粗骨料下沉，表面浮浆增加，抗裂性下降，干燥收缩加大，也会导致混凝土的开裂，泵送混凝土中，在配合比设计中控制交接材料总量，同时在满足泵送施工的情况下，混凝土的坍落度以较小为宜，如可控制在140mm～160mm。配合比设计方面配合比设计人员应深入施工现场，依据施工现场的浇捣工艺、操作水平、构件截面等情况，合理选择好混凝土的设计坍落度，针对现场的砂、石原材料质量情况及时调整施工配合比。在混凝土配合比上，严格控制水灰比、坍落度，可以最大限度的减少早期干缩裂缝的产生。同时，在混凝土中掺适量聚丙烯纤维，可有效提高混凝土对塑性收缩、离析、水化热温度应力等因素导致的非结构性裂缝的抗裂能力；有效提高混凝土的抗渗能力；大大提高混凝土的韧性，提高抗裂变形能力。施工操作方面①混凝土浇筑方式：混凝土浇筑速度不宜过快，分层浇筑时，保证连续浇筑不出现冷缝，层与层之间加强振捣，促使混凝土在浇筑期间散失部分热量以减少后期升温幅度。振捣时，振捣捧要快插慢拔，根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间，避免过振或漏振，可采用二次振捣，以排除混凝土泌水、内部水分和气泡。避免在雨中或大风中浇筑混凝土。夏季应注意混凝土的浇捣温度，采用低温入模、低温养护，必要时经试验可采用冰块，以降低混凝土原材料的温度。②适当推迟拆模时间：混凝土带模养护更有利于保证混凝土的温湿度，避免裂缝的产生。特别是模板内混凝土的温度与外部环境相差较大时，可适当推迟拆模时间。③及时和充分养护：混凝土裂缝防治工作中，新浇混凝土早期养护尤为重要，可保证混凝土在早期尽可能少产生收缩。在拆模后半个月内应保持湿养护，朝阳面的墙面尤其要保养好，应采取挂草袋、专人喷水、塑料布覆盖或喷洒养护膜等方法保湿保温养护。充分利用有利的气候条件**市属亚热带海洋季风气候，长夏无冬，日照充足，雨量充沛，终年温暖、湿润，温差振幅小；最冷年平均气温为23.1℃，最暖年平均气温为23.6℃。这些有利的气候条件有利于混凝土的浇筑与养护，减少混凝土裂缝的产生。1.3**大剧院超长曲面墙体纤维混凝土施工技术1.3.1原材料的选择本工程采用商品混凝土，为保证大体积混凝土的施工质量，原材料的选择极为重要，故对商品混凝土搅拌站使用的原材料质量应予以严格要求，并定期抽检。水泥：选用华润POⅡ42.5水泥并掺粉煤灰外掺料，降低并延迟水化热高峰期的到来，有利于混凝土的后期强度增长，避免温度应力过大而产生裂缝。碎石：选用级配较好且压碎指标小于12%的碎石，粒径为25～40mm，其含泥量不得大于0.6%，且不得含有机杂质。砂：选用级配较好的中粗砂，含泥量不得超过3%，通过0.315mm筛孔的砂不得少于15%。砂、石等原材料都堆放在料棚中，含水率稳定，且降低了砂石的温度，可有效降低混凝土浇筑后的内外温差，避免温度裂缝的产生。外加剂：外加剂应掺加缓凝剂、膨胀剂，掺量必须严格按照配合比来进行，进场必须有出厂合格证或质量保证书，确保其性能和质量的可靠性。1.3.2利用聚丙烯纤维提高混凝土的综合性能**大剧院超长曲面墙体工程施工时，在外墙抗渗混凝土中掺入杜克裂单丝纤维（每立方米混凝土中掺入纤维0.9kg/m3），且纤维分散良好，如图1.2所示。杜克裂单丝纤维是采用表面处理剂对聚丙烯纤维单丝进行表面改性处理，改善纤维在混凝土基体中的分散性，提高纤维与基体的粘接强度。该纤维外形呈挠曲状半透明，直径为42μm的超细单丝纤维，其主要技术性能指标如表1.1所示。表1.1杜克裂单丝纤维主要技术性能指标相对密度(g/㎝3)纤维长度(mm))抗拉强度(Mpaa)断裂伸长率(%))弹性模量(Mpaa)熔点(℃)耐酸耐碱腐蚀0.9112～1550020～253800170好图1.2掺加了聚丙烯纤维的混凝土试件配制纤维混凝土时，先将纤维与水泥、砂、石、粉煤灰干拌后，再加入水搅拌均匀即可。掺加了聚丙烯纤维后，可有效提高混凝土的抗裂能力和综合性能。提高抗裂能力在混凝土中加入聚丙烯纤维后，可以阻止水泥基体中原有微裂缝的扩展并有效延缓新裂缝的出现。这种阻裂效应主要是对混凝土早期塑性开裂起抑制作用。由于刚浇注的混凝土含水率较大，表面水分大量蒸发，尤其是在养护不当或经烈日照射或大风吹刮时，表面水分的蒸发更快，因而产生表层收缩。但这种收缩会受到内层混凝土的限制而使表层引起拉应力，由于处于塑性状态与初期硬化阶段的混凝土尚不具备足够的强度，故其表层极易产生大量不规则的无固定取向的裂缝，即塑性收缩裂缝。在这种情况下，若在混凝土中掺加适量聚丙烯纤维，并在其中形成均匀的三维乱向分布，则可承受因基材收缩而引起的内应力，从而抑制基材中微裂缝的生成与发展，并可大大减少甚至彻底消除宏观裂缝的产生（如图1.3）。a.未添加聚丙烯纤维的b.添加聚丙烯纤维的混凝土表面出现裂缝混凝土表面未出现裂缝图1.3聚丙烯纤维对混凝土的阻裂效果提高抗渗性掺入聚丙烯纤维有助于大幅度提高混凝土的抗渗性。这主要归功于均布于水泥基材中的数以千万计的细纤维，这些纤维在混凝土基体中起着如下的作用：①阻止了混凝土的离析现象，提高了浇注体的整体均匀性，不致发生各层的不均匀收缩，减少浇注体的内部裂缝。②即使基材在限制收缩情况下因失水干缩而引发裂缝，由于存在纤维的阻裂作用，亦可显著减少裂缝的数量、长度和宽度，降低生成贯通裂缝的可能性。试验表明，在很低的纤维掺率下，例如每1m3混凝土掺加300～500g聚丙烯纤维，混凝土表面的粗大裂缝即开始变得细碎。③由于混凝土体内大量均匀散布的短纤维呈三维乱向分布，事实上可以起到阻断混凝土内毛细作用的效果，这也是纤维混凝土具有较高抗渗性能的一个原因。由于掺入合成纤维的作用，混凝土的抗渗性能得到明显改善，透水性降低，因此降低了混凝土内水分、氯离子、空气等的转移速率，从而起到延缓钢筋锈蚀的作用。增强韧性、提高抗冲击及抗震能力聚丙烯纤维可大大提高混凝土的韧性，提高抗裂变形能力，特别是对于改善高强混凝土的脆性有重要的意义（如图1.4所示）。因为加入聚丙烯纤维有助于提高混凝土结构受冲击时吸收能量的能力，从而有效减少了应力集中的现象，阻碍了混凝土中裂缝的迅速扩展，因而增强了混凝土的抗冲击及抗震能力。图1.4添加聚丙烯纤维的试件抗碎性提高，其试件较未添加者更能保持完整性提高耐久性在混凝土中掺入聚丙烯纤维后，可提高混凝土的抗冻融性、抗碳化性、抗碱—集料反应的能力，因而提高混凝土的耐久性。①抗冻融性。在混凝土中加入聚丙烯纤维能够在混凝土内部引入微量空气，这样，因冻融循环导致混凝土膨胀收缩而破坏的游离水，可以进入这些微细气泡中，从而降低早期冻融损害。同时聚丙烯纤维可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止温度裂缝的扩展，此外，混凝土抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。改善混凝土外观质量聚丙烯纤维是一种微细柔软的单丝纤维，不象其它一些刚性添加材料会露出混凝土构件表面而影响外观；相反，在混凝土中分布数量巨大的聚丙烯单丝纤维，它们和水泥基牢固地结合在一起，可以改善混凝土结构的外观质量，使其致密、细润、平整与美观。对于混凝土预制构件，由于聚丙烯纤维的存在，可以为预制构件的边、角提供有效的保护，抑制表面裂缝，提高抗冲击能力，从而明显减少制品的破损率，提高混凝土预制构件的质量。通过以上分析可知，与普通混凝土相比，聚丙烯纤维混凝土性能的改善，主要是通过抗裂、抗渗能力的提高而使混凝土整体的耐久性能得以提高，从而减小维修费用，提高综合经济效益（如图1.5所示）。聚丙烯纤维聚丙烯纤维混凝土减少或消除减少或消除减少或消除减少或消除塑性收缩裂缝干缩裂缝温度收缩裂缝碳化收缩裂缝大幅度提高混凝土的抗渗性提高混凝土提高混凝土抵抗侵蚀液体防止碱—集料提高混凝土抗冻融性抗碳化性的破坏反应的发生抗疲劳性大幅度提高混凝土的耐久性，减少混凝土结构的维修费用图1.5聚丙烯纤维提高混凝土性能的综合效果1.3.3混凝土配合比的设计由于本工程采用商品混凝土，根据施工部位的不同及时向混凝土生产厂家提出不同的配合比技术要求，并进行试配，以利于混凝土配合比的优化设计，确保商品混凝土满足以下的技术参数要求：（1）水灰比控制在0.45～0.5，坍落度控制在140～160mm。（2）初凝时间不少于8小时。（3）砂率控制在40%～45%。（4）强度满足设计要求。（5）掺加外加剂，外加剂能起到降低水化热峰值及推迟峰值热出现的时间，延缓混凝土凝结时间，减少混凝土水泥用量，降低水化热。减少混凝土的干缩，提高混凝土强度，改善混凝土和易性。（6）掺入0.9kg/m3混凝土体积率的聚丙烯单丝纤维，直径及长度为48μm/19mm，以提高混凝土的抗拉能力，有利于混凝土的裂缝控制。（7）掺加适量粉煤灰，以降低水化热。（8）抗渗等级:S6——S8在拌制混凝土时，利用各种优质材料，如优质水泥、性能稳定的粉煤灰、建筑外加剂等，确保混凝土在搅拌后一小时内坍落度没有损失。1.3.4混凝土的浇筑与养护本工程地下室一层弧形长墙总长约420米，地下一层底板、外墙按后浇带划分为四段施工，弧形墙最长段达198余米（如图1.6所示）。图1.6地下室曲面墙体施工段划分图1.7弦长-矢高定位法弧形长墙定位——弦长-矢高法图1.8外墙模板示意图首先测放出弧形轴线。根据圆曲线的半径，选择一定的控制点，在底板垫层上测放出这些点，然后根据每两个控制点所在两轴线的圆心夹角，按弦线法计算各弦长中心点上的矢高，然后逐一细分成小段用同样方法在垫层上确定出弧线上各点。将各点连接成光滑曲线即为需要测放的弧轴线。然后根据弧轴线向外扩大一定距离，即可测放出弧墙边线。线的准确度与光滑度可由调节点的多少控制；对弧线的复核可利用上述方法更换弦长比较矢高，即：任意选择弧上两点，利用计算出的准确矢高与实测的矢高比较。由于该方法主要利用弦长与矢高之间的几何关系，称之为弦长-矢高法，如图1.7所示。图1.8外墙模板示意图外墙模支设采用18厚木胶合板，模板竖楞采用50×l00mm的木枋，横楞采用Φ48×3.5mm的钢管；模板支撑采用Φ48×3.5mm钢管。为保证模板的侧向刚度，在模板中间加设Φ14的对拉螺杆，对拉螺杆带50×50、4厚的钢板止水片，对拉螺杆的纵横向间距按600mm×600mm布设。地下室外墙模安装如1.8图所示。由于剪力墙与支护间间距较小，不利于进行支撑，为保证剪力墙的垂直度，加强支撑，在底板上沿地下室内侧四周距墙内边线1500mm处留设一圈钢筋头，上套钢管支撑顶在外墙模板中部，如图1.9所示。图1.9外墙模板支撑混凝土浇筑在混凝土浇筑前，先将与下层混凝土结合处凿毛，并注意在混凝土斜向浇筑前应在底面先均匀浇筑50mm厚与混凝土配合比相同的水泥砂浆，砂浆下料时间应根据混凝土浇筑速度掌握，浇筑时分层推进，分层振捣，每次推进控制在1000mm左右。（1）剪力墙浇筑顺序地下室曲面墙体总体浇筑顺序为Ⅰ段→Ⅲ段→Ⅱ段→Ⅳ段，采用混凝土泵车辅以串筒直接卸料，每段浇筑时，自中部向两端浇筑，采用斜坡推进法，靠混凝土自流形成斜坡，每次推进1000mm左右。（2）分段、分层混凝土施工由于地下二层墙体厚、高，如果一次浇筑，模板支撑加固比较困难，而且混凝土方量较大，墙体四周闭合，一次浇筑难以保证不出现施工冷缝。因此，在外墙高度方向留设3道施工缝，浇筑底板混凝土时在外墙50cm高处留设施工缝，第二次浇筑至7.3m夹层框架梁底，第三次浇至地下一层底板地梁底，剩余部分与地下一层底板一次浇筑完成。施工缝处均安装钢板止水带或遇水膨胀止水条处理防水问题。以后浇带为界，将地下一层外墙分为四段，各段独立浇筑混凝土。同样地，浇筑底板混凝土时在外墙50cm高处留设施工缝，第二次浇至首层梁底。（3）两台混凝土输送泵同时配合浇筑，防止施工冷缝出现由于外墙为四周闭合墙或分段墙太长，地下二层、地下一层外墙混凝土浇筑均配备2台混凝土输送泵，两台泵从墙长中部各覆盖一半范围，分别向两个方向往返浇筑，每次在中部汇合，形成V字形结合面，有利于中间浮浆的抽出。同时，采用两台混凝土输送泵缩短了混凝土下料与凝结之间的时间差，避免了产生施工冷缝。（4）后浇带施工外墙后浇带处均设钢板网模板，其间安装止水钢板。由于宽度小且高度大，后浇带处模板加固较困难，施工时用短钢筋网片与钢板网和墙主筋焊接加固，效果良好。后浇带混凝土在主体完成后采用C35•S8补偿收缩混凝土封闭，并加厚200mm作为附加层。混凝土的养护混凝土浇筑完毕后，常温下在12个小时之内浇水（小水）养护。遇高温时6小时之内浇水养护。墙体采用涂刷养生液养护，保证这些关键构件始终处于湿润状态，养护时间为浇筑后不少于15天，并加强施工中养护的监督，保证混凝土在早期时不产生收缩裂缝和温度裂缝。1.3.5混凝土浇筑质量检测**大剧院超长曲面墙体工程，通过应用本课题的裂缝综合控制技术，并经过精心组织、精心施工，未发现肉眼可见裂缝（如图1.10所示）。图1.10混凝土墙体浇筑效果超长曲面墙体工程施工完毕之后