大体积混凝土施工技术.doc

大体积混凝土施工技术摘要：由于经济建设规模的迅速扩大，建筑业向高、大、深和复杂结构的方向发展。工业建筑中的大型设备基础；大型构筑物的基础；高层、超高层和特殊功能建筑的箱型基础及转换层；有较高承载力的桩基厚大承台等都是体积较大的钢筋混凝土结构，大体积混凝土已大量地应用于工业与民用建筑之中。论文介绍了建筑大体积混凝土施工的特点及对大体积混凝土工程的研究中所取得的成就，介绍了大体积混凝土结构质量问题产生的原因,并以材料、施工、设计、和养护四个方面进行综合解决,并提出了预防和和减少砼裂缝的一般方法和施工中所要注意的几个问题，提高工程经济效应及保证工程质量。关键词：大体积混凝土、裂缝、施工技术、预防控制前言大体积混凝土在工程中开始普遍应用，技术也日益成熟，文章主要阐述大体积混凝土定义、特点、质量控制等方面，探讨大体积混凝土在国内工程施工中存在的问题，针对这些存在的实际问题针对性采取措施，保证大体积混凝土工程质量。一、大体积混凝土定义我国大体积混凝土施工规范GB50496-2009里规定：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，称之为大体积混凝土。二、大体积混凝土与普通混凝土区别大体积混凝土与普通混凝土的区别表面上看是厚度不同，但其实质的区别是由于混凝土中水泥水化要产生热量，大体积混凝土内部的热量不如表面的热量散失得快，造成内外温差过大，其所产生的温度应力可能会使混凝土开裂。因此判断是否属于大体积混凝土既要考虑厚度这一因素，又要考虑水泥品种、强度等级、每立方米水泥用量等因素，比较准确的方法是通过计算水泥水化热所引起的混凝土的温升值与环境温度的差值大小来判别，一般来说，当其差值小于25时，其所产生的温度应力将会小于混凝土本身的抗拉强度，不会造成混凝土的开裂，当差值大于25时，其所产生的温度应力有可能大于混凝土本身的抗拉强度，造成混凝土的开裂，此时就可判定该混凝土属大体积混凝土。大体积混凝土具有结构厚大、浇筑量大，工程条件复杂，且多为现浇超静定结构混凝土，施工技术和质量要求高等特点。因此，除了必须具有足够的强度、刚度、稳定性以外，还应满足结构物的整体性和耐久性要求。三、大体积混凝土结构裂缝产生的机理3.1裂缝种类及成因混凝土是由水泥浆、砂子和石子组成的水泥浆体和骨料的两相复合型脆性材料。存在着两种裂缝：肉眼看不见的微观裂缝和肉眼看得见的宏观裂缝。微观裂缝是混凝土本身就有的，它的宽度仅25pm，主要有三种形式的微观缝：砂浆与石子粘结面上的裂缝，称为粘着裂缝；穿越砂浆的微裂缝，称为水泥石裂缝；穿越骨料的微裂缝，称为骨料裂缝。微观裂缝在混凝土结构中的分布是不规则、不贯通的，并且肉眼看不见，因此有微观裂缝的混凝土可以承受拉力。宽度不小于005mm的裂缝称为宏观裂缝，宏观裂缝是由微观裂缝扩展而来的。混凝土结构的裂缝产生的原因主要有三种，一是由外荷载引起的；二是结构次应力引起的裂缝，这是由于结构的实际工作状态和计算假设模型的差异引起的；三是变形应力引起的裂缝，这是由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素引起的结构变形，当变形受到约束时便产生应力，当此应力超过混凝土抗拉强度时就产生裂缝。混凝土的宏观裂缝按其成因有荷载裂缝、变形裂缝、施工裂缝、碱骨料反应裂缝。根据它们在结构中的分布区域，一般可分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三类。混凝土表面裂缝一般是在干缩变形和混凝土自身温度场变化的内部约束或由于气温骤降而引起的。表面混凝土冷却受内部热混凝土的约束而产生的温度应力，当它们大于混凝土同龄期的抗拉强度时裂缝就会发生。如果不受其它因素的影响，一般不会形成贯穿裂缝或深层裂缝。内部裂缝是在浇筑块顶面上出现表面裂缝后，再在其上浇筑新混凝土，则原来的表面裂缝就变成了内部裂缝。深层裂缝是出现在脱离基础约束范围以外的表面裂缝，在经历一个较长降温的过程以后，如果内部温度较高，在混凝土块内部将形成一个温度梯度比较陡的复杂温度场，从而使裂缝向纵深发展，形成深层裂缝，其内部仍是连续的。基础贯穿裂缝是切断混凝土结构的大裂缝。混凝土浇筑温度过高加上混凝土水化热温升，形成混凝土的最高温度，当降到施工期的最低温度时，即产生基础温差，这种由于均匀降温产生的温度应力，当其大于同龄期混凝土的抗拉强度时就产生裂缝。基础贯穿裂缝是混凝土变形受外界约束而发生的，它的整个断面均受拉应力，只要产生裂缝，就会形成贯穿裂缝。微裂缝是所有混凝土结构都具有的，它的存在是正常的现象。它虽然对混凝土结构的变形、强度有影响，但在设计规范中就已经考虑到微裂缝对混凝土强度和抗裂性能的影响，对具体的结构不需另加研究。但微裂缝的存在，结构受力作用时，就会发展成宏观裂缝。其基本过程是原始粘结裂缝的逐渐扩大和新的粘结裂缝的出现，产生少量穿越砂浆的裂缝，穿越砂浆的裂缝发展较快，并出现局部穿越骨料的裂缝，各种裂缝迅速发展并逐渐贯通，形成贯穿裂缝。3.2大体积混凝土温度裂缝的产生原理温度，作为一种变形作用，在混凝土结构中引起的裂缝有表面裂缝和贯穿裂缝两种。这两种裂缝在不同程度上都属于有害裂缝。由于高层建筑、高耸结构物和大型设备基础的出现，大体积混凝土也被广泛采用，大体积混凝土结构的温度裂缝日益成为建筑工程技术人员面临的技术难题。大体积混凝土的质量问题是混凝土结构产生裂缝。造成结构裂缝的原因是复杂的，综合性的。但是，大体积混凝土从浇筑时起，到达设计强度止，即施工期间产生的结构裂缝主要是水泥水化热引起的温度变化造成的。大体积混凝土产生温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果。矛盾的一方面是混凝土由于内外温差而产生的应力和应变，另一方面是外部约束和混凝土各质点间的约束，要阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。这是导致混凝土产生裂缝的主要原因，现将产生裂缝的主要原因分述如下：3.2.l 水泥水化热水泥水化过程中要放出一定的热量。而大体积混凝土结构物一般断面较厚，水泥放出的热量聚集在结构物内部不易散发。通过实测，水泥水化热引起的温升，在水利工程中一般为1525C，而在建筑工程中一般为2030C，甚至更高。水泥水化热引起的绝热温升，是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(时间)按指数关系增长，一般在1012天接近于最终绝热温升。但由于结构物有一个自然散热条件，实际上混凝土内部的最高温度，多数发生在混凝土浇筑后的最初35天。由于混凝土的导热性能差，浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低，对水化热引起的急剧温升约束不大，相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长，弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大，以至产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。3.2.2 外界气温变化大体积混凝土在施工阶段，外界气温的变化影响是显而易见的，因为外界气温愈高。混凝土的浇筑温度也愈高；而外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土是极为不利的。混凝土内部的温度是水化熟的绝热温度，浇注温度和结构物的散热降温等各种温度叠加，而温度应力则是由温差引起的温度变形造成的；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在6065C，并且有较大的连续时间(与结构尺寸和浇筑块体厚度有关)。在这种情况下，研究合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力，就显得更为重要。3.2.3 约束条件各种结构物在变形变化过程中，必然会受到一定的“约束”或“抑制”而阻碍变形，这就是指的约束条件。约束条件一般可概括为两类：即外约束和内约束(亦称自约束)。外约束指结构物的边界条件，一般指支座或其它外界因素对结构物变形的约束。内约束指较大断面的结构，由于内部非均匀的温度及收缩分布，各质点变形不均匀而产生的相互约束。具有大断面的结构，其变形还可能受到其它物体的宏观约束。大体积混凝土由于温度变化会产生变形，而这种变形又受到约束，便产生了应力，这就是温度变化引起的应力状态。而当应力超过某一数值，便引起裂缝。3.2.4 混凝土的收缩变形混凝土中80的水分要蒸发，约20的水分是水泥硬化所必须的。混凝土水化作用产生的体积变形，称为“自身体积变形”，该变形主要取决于胶凝材料的性质，对于普通水泥混凝土来说，大多数为收缩变形，少数为膨胀变形，一般在-50+50 x l0-6旷范围内。如果以混凝土温度线膨胀系数为10x0-6计，当混凝土的自身体积变形从-0 x l0-6击变至50 x l0-6时，即相当于温度变化10引起的变形，这一数值是相当可观的。目前，补偿收缩混凝土的研究和发展逐渐认识到，如果有意识地控制和利用混凝土的自身体积膨胀，有可能大大改善某些混凝土的抗裂性。但对于普通水泥混凝土，由于大部分属于收缩的自身体积变形，数量级较小，一般在计算中忽略不计。如前指出，在混凝土中尚有80的游离水分需要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩(干缩)，这种收缩变形不受约束条件的影响。若有约束，即可引起混凝土的开裂，并随龄期的增长而发展。混凝土的收缩机理比较复杂，其最大的原因，可能是内部孔隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有可逆现象的。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积干湿交替将引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。此外，影响混凝土收缩的因素很多，主要是水泥品种和混合材、混凝土的配合成分，化学外加剂以及施工工艺，特别是养护条件等。四、大体积混凝土裂缝控制4.1控制混凝土温度大体积混凝土结构在降温阶段，由于降温和水分蒸发等原因产生收缩，再加上存在外约束不能自由变形而产生温度应力。因此，控制水泥水化热引起的温升，即减小了降温温差，这对降低温度应力、防止产生温度裂缝能起釜底抽薪的作用。为控制大体积混凝土结构因水泥水化热而产生的温升，需采取相应的施工措施。4.1.1材料要求1.水泥（1）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水泥、火山灰水泥（发热量270290kJ/kg）、严禁使用安定性不合格的水泥。（2）由于大体积混凝土工程量大，水泥用量多，水泥供应难以做到按施工要求的品种标号一次进场，因此要加强水泥进场的检验和试配工作。2.骨料（1）粗骨料。碎石和卵石均可，并采取连续级配或合理的掺配比例。其最大粒径不得大于钢筋最小间距的3/4。当采用泵送混凝土时，为了提高混凝土的可泵性和控制增加水泥用量。骨料中不得含有有机杂质，其含泥量应=1%。泵送大体积混凝土粗骨料最大粒径（）管道直径（） 100 125 150 砾 石 30 40 50 碎 石 25 30 40（2）细骨料。宜选用粗砂或中砂，含泥量应3%。当采用泵送混凝土时，其细度模数以2.62.8为宜。控制细砂以0.3筛孔的通过率为1530%；0.15筛孔的通过率为510%。（3）粉煤灰。为了减少水泥用量，可掺入水泥用量10%的粉煤灰取代水泥。粉煤灰应符合技术条件10356的要求，其烧失量应15%，SO3应40%，并应对水泥无不良反应。（4）外加剂。为了满足和易性和减缓水泥早期水化热发热量的要求，宜在混凝土中掺入适量的缓凝型减水剂。4.1.2配合比设计（1）设计配合比时尽量利用混凝土60天或90天的后期强度，以满足减少水泥用量的要求。但必须征得设计单位的同意和满足施工荷载的要求。（2）混凝土配合比，应根据使用的材料通过试配确定。一般要求水泥用量宜控制在260300kg/m3。水灰比应0.6。砂率应控制在0.330.37（泵送时宜为0.40.45）。坍落度应根据配合比要求严加控制，当采用商品混凝土泵送时，坍落度的增加应通过调整砂率和掺用减水剂或高效减水剂解决，严禁在现场随意加水以增大坍落度，并应控制在1014为宜。4.2施工工艺4.2.1 控制混凝土的温度为了降低大体积混凝土总温升和减少结构的内外温差，需要先控制混凝土的出机温度和浇筑温度。混凝土的原材料中石子的比热较小，但其在每立方米混凝土中所占的重量较大；水的比热最大，但它的重量在每立方米混凝土中只占一小部分。因此对混凝土出机温度影响最大的是石子及水的温度，砂的温度次之，水泥的温度影响很小。为了进一步降低混凝土的出机温度，其最有效的办法就是降低石子的温度。在气温较高时，为防止太阳的直接照射，可在砂、石堆场搭设简易遮阳装置，必要时须向骨料喷射水雾或使用前用冷水冲洗骨料。混凝土从搅拌机出料后，经搅拌运输车运输、卸料、泵送、浇筑、振捣、平仓等工序后的混凝土温度称为浇筑温度。关于浇筑温度的控制，我国有些规范提出不得超过25，否则必须争取特殊的技术措施的规定。美国ACI施工手册中规定不得超过32；日本土木学会施工规程中规定不得超过30；日本建筑学会钢筋混凝土施工规程中规定不得超过35。在土建工程的大休积钢筋混凝土施工中，浇筑温度对结构物的内外温差影响不大，因此对主要受早期温度应力影响的结构物，没有必要对浇筑温度控制过严。但是考虑到温度过高会引起较大的干缩以及给混凝土的浇筑带来不利影响，适当限制浇筑温度是合理的。建议最高浇筑温度控制在40以下为宜，这就要求在常规施工情况下合理选择浇筑时间，完善浇筑工艺以及加强养护工作。4.2.2大体积混凝土浇筑1、大体积混凝土的浇筑，应根据整体连续浇筑的要求，结合结构尺寸的大小、钢筋疏密、混凝土供应条件等具体情况，选用以下三种方法：全面分层。即将整个结构浇筑层分为数层浇筑，当已浇筑的下层混凝土尚未凝结时，即开始浇筑第二层，如此逐层进行，直至浇筑完成。这种方法适用于结构平面尺寸不太大的工程。一般长方形底板宜从短边开始，沿长边推进浇筑；亦可从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。分段（块）分层。适用于厚度较薄而面积或长度较大的工程。施工时从底层一端开始浇筑混凝土，进行到一定距离后浇筑第二层，如此依次向前浇筑其它各层。斜面分层。适用于结构的长度超过厚度三倍的工程，振捣工作应从浇筑层的底层开始，逐渐上移，以保证分层混凝土之间的施工质量。2、当基础底板厚度超过1.3m时，应采取分层浇筑。分层厚度宜为0.61.0m。对于大块底板，在平面上应分成若干块施工，以减少收缩和温度应力，有利于控制裂缝，一般分块最大尺寸宜为30m左右。3、为了减少大体积混凝土底板的内外约束，浇筑前宜在基层设置滑移层。为了减少分块间后浇缝处钢筋的连接约束，应将钢筋的连接设置在后浇缝处。设置滑移层可采取以下做法：在基层设置沥青油毡层或其它类似做法；利用防水层上的保护层在其早期强度较低时，浇筑底板大体积混凝土；在岩基等基层上铺设250厚级配砂石层，作为缓冲层。4、分层浇筑时，上层钢筋的绑扎应在下层混凝土经一定养护其强度达到1.2N/2，混凝土表面温度与混凝土浇筑后达到稳定时的室外温度之在25C以下时（即Tb-Tq25C）进行。5、为了加强分层浇筑层间的结合，可以采取在下层混凝土表面设置键槽的办法。键槽可用100100的木方每隔1m左右留设。6、分层浇筑间隔的时间，应以混凝土表面温度降至大气平均温度为好，即水化热温峰值以后，一般为35天，因此间隔时间以大于5天为宜。7、炎热天气施工时，必须采取有效措施降低混凝土内部的实际温度（Tmax）：降低混凝土入模浇筑温度如拌和水中掺入冰块、使用冷却水作拌合用水、砂石采取遮阳措施和喷冷水降温等；骨料中掺入适量毛石；掺入适量的粉煤灰。拌砼水用冰量可按下式（使用3m水箱，每台搅拌可按用水量为1m3/h，混凝土浇筑温度Ti=30C，要求拌合水降至5C）计算：P=7.51.125（tw10）式中 P-用率，占拌合水的百分率（%）；Tw-降温前水温（C）。8、为了防止混凝土发生离析，当混凝土的自由倾落高度超过2m时，应采用串筒，溜槽下落。串筒和漏斗的布置应根据浇筑面积、浇筑速度和铺平混凝土的能力确定，一般其间距不得大于3m。9、混凝土应采用机械振捣。振捣棒的操作，要做到“快插慢拔”，在振捣过程中，宜将振动棒上下略有抽动，以使一下振动均匀。每点振捣时间一般以2030s为宜，但还应视混凝土表面呈水平不再显著下沉、不再出现气泡、表面泛出灰浆为准。分层浇筑时，振捣棒应插入下层5左右，以消除两层之间的接缝。振捣时要防止振动模板，并应尽量避免碰撞钢筋、管道、预埋件等。每振捣完一段，应随即用铁锹摊平拍实。五、大体积混凝土的养护刚浇筑的混凝土强度低、抵抗变形能力小，如遇到不利的温湿度条件，其表面容易发生有害的冷缩和干缩裂缝。保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土温度梯度，防止表面裂缝的发生。无论在常温还是在负温下施工，混凝土表面都需覆盖养护。5.1 大体积混凝土的养护要求5.11大体积混凝土养护的一般要求大体积混凝土的养护包括自然养护、蒸汽养护和养生液养护。1、自然养护混凝土带模养护期间，应采取带模包裹、浇水、喷淋洒水等措施进行保湿、潮湿养护，保证模板接缝处不致失水干燥。为了保证顺利拆模，可在混凝土浇筑2448h后略微松开模板，并继续浇水养护至拆模后再继续保湿至规定龄期。混凝土去除表面覆盖物或拆模后，应对混凝土采用蓄水、浇水或覆盖洒水等措施进行潮湿养护，也可在混凝土表面处于潮湿状态时，迅速采用麻布、草帘等材料将暴露面混凝土覆盖或包裹，再用塑料布或帆布等将麻布、草帘等保湿材料包覆。包覆期间，包覆物应完好无损，彼此搭接完整，内表面应具有凝结水珠。有条件地段应尽量延长混凝土的包覆保湿养护时间。2、混凝土蒸汽养护混凝土的蒸汽养护可分静停、升温、恒温、降温四个阶段.1、 静停期间应保持环境温度不低于5，灌筑结束46h且混凝土终凝后方可升温。2、 升温速度不宜大于10/h。3、 恒温期间混凝土内部温度不宜超过60，最大不得超过65，恒温养护时间应根据构件脱模强度要求、混凝土配合比情况以及环境条件等通过试验确定。4、降温速度不宜大于10/h。蒸汽养护定时测温度，并作好记录。压力式温度计布置在内箱跨中和靠梁端4m处以及侧模外。恒温时每2小时测一次温度，升、降温时每1小时测一次，防止混凝土裂纹产生。蒸汽养护结束后，要立即进行洒淡水养护，时间不得少于7天。对于冬季施工浇注的混凝土要采取覆盖养护，当平均气温低于5时，要按冬季施工方法进行养护，箱梁表面喷涂养护剂养护。3、混凝土养生液养护喷涂薄膜养生液养护适用于不易洒水养护的异型或大面积混凝土结构。它是将过氯乙烯树脂料溶液用喷枪喷涂在混凝土表面上，溶液挥发后在混凝土表面形成一层塑料薄膜，将混凝土与空气隔绝，阻止其中水分的蒸发以保证水化作用的正常进行。有的薄膜在养护完成后自行老化脱落，否则不宜于喷洒在以后要作粉刷的混凝土表面上。在夏季，薄膜成型后要防晒，否则易产生裂纹。混凝土采用喷涂养护液养护时，应确保不漏喷。在长期暴露的混凝土表面上一般采用灰色养护剂或清亮材料养护。灰色养护剂的颜色接近于混凝土的颜色，而且对表面还有粉饰和加色作用，到风化后期阶段，它的外观要比用白色养护剂好得多。清亮养护剂是透明材料，不能粉饰混凝土，只能保持原有的外观。混凝土养护期间应注意采取措施，防止混凝土表面温度受环境因素影响（如曝晒、气温骤降等）而发生剧烈变化。养护期间混凝土的芯部与表层、表层与环境之间的温差不宜超过20。大体积混凝土施工前应制定严格的养护方案，控制混凝土内外温差满足设计要求。六、加强混凝土的温度监测工作温度控制是大体积混凝土施工中的一个重要环节，也是防止温度裂缝的关键。加强施工监测工作在大体积混凝土的凝结硬化过程中，及时摸清大体积混凝土不同深度温度场升降的变化规律，随时监测混凝土内部的温度情况，以便有的放矢地采取相应的技术措施，确保混凝土不产生过大的温度应力，避免温度裂缝的发生，具有非常重要的作用。监测混凝土内部的温度，可采用在混凝土内部不同部位埋设铜热传感器，用混凝土温度测定记录仪进行施工全过程的跟踪监测，做到全面、及