改性聚丙烯纤维混凝土屋面施工工法

大跨度无缝聚丙烯纤维砼屋面施工工法汕头市****总公司1.前言屋面工程是建筑工程的一个重要分部，其良好的防水隔热性能是保证建筑物正常使用的主要指标，尤其是渗漏问题。如今屋面防渗漏已成为业主头等大事，如果出现渗漏，日后的维修可以说是打一场持久战，甚至严重影响建筑物的使用功能，对大型公共建筑尤其如此，往往造成业主与施工方两败俱伤的局面。随着社会的发展，工业与民用建筑的屋面跨度越来越大，混凝土的抗渗抗裂性能要求越来越高。但目前，对于屋面工程一般采取刚柔结合的防水方法，极少考虑通过补偿砼抗拉裂性能来达到提高混凝土抗渗性能的目的。改善混凝土抗渗抗裂性能的有效途径主要有两种，一是在混凝土中添加外加剂，即通过膨胀剂提高混凝土的密实性，或加入憎水性有机材料，以达到改善混凝土抗渗性能的目的；二是在混凝土中掺入抗拉纤维，减少混凝土内部缺陷，提高其抗裂抗渗性能。通过添加外加剂提高混凝土抗渗性能的方法，易引起混凝土碱—集料反应或其他化学反应，使混凝土的耐久性难以保证。而以往采用的玻璃纤维和钢纤维存在抗剪能力差，虽能改善混凝土的某些品质，但增加结构负担，且对混凝土抗渗性能改善不明显等诸多不足，故近年多改用改性聚丙烯纤维。在建筑材料中掺入纤维的做法由来已久，但多用于地下结构包括底板、壁板等防水要求高的部位，极少用于屋面工程。河源市广播电视中心一期工程是河源市的重点工程项目，外观造型设计独特新颖。其中在主楼设有两个大跨度的超高演播厅，面积分别为800m2、400m2，砼强度等级为C30，抗渗等级为P8。其中800m2的演播厅屋盖大梁跨度为20m，层高达17.7m；400㎡的演播厅屋盖跨度为18m，层高达14m。由于演播厅内设有大量贵重的播音设备，设计对屋面结构的防水等级设为Ⅰ级，且不留任何施工缝。如此高的防水要求，对大跨度的屋面结构混凝土的抗渗抗裂性能必然是一个严峻的考验。为此我司通过参考国内外同类建筑的做法结合地下工程防水新技术进行综合考虑，同时经过与汕头大学的建材专家进行多次的试验研究，大胆提出了该屋面结构混凝土中掺入改性聚丙烯纤维以达到高抗渗抗裂的建议，得到建设各方的认可。本工法是根据我司在该工程实践经验中总结出的关于大跨度无缝屋面结构抗渗抗裂的施工新技术，该技术2008年9月9日经广东省科学技术情报研究所查新中心检索证明为国内最新施工技术，2008年10月16日经河源市科学技术局组织相关专家进行科技鉴定，结论为国内先进水平。图1-1800㎡演播厅屋盖结构平面图图1-2400㎡演播厅屋盖结构平面图2.工法特点大跨度屋面结构混凝土通过掺入国产改性聚丙烯纤维改善混凝土的抗渗抗裂性能，有以下优点和特点：2.1通过试验证明在混凝土中掺入一定比例的改性聚丙烯纤维，可以明显改善混凝土的抗渗性能。当纤维掺量0.5～1.3kg/m3时，混凝土抗拉强度比基准混凝土提高12～20%，极限拉伸应变提高37～49%，而且掺入的比例越高，抗渗性能改善越明显，证明聚丙烯纤维混凝土是较经济的自防水刚性混凝土；2.2同普通混凝土相比，大跨度无缝屋面通过掺入聚丙烯纤维，可以显著减少塑性裂缝和早期干缩裂缝，抑制硬化过程中多余水分形成的孔隙，有效地抑制混凝土收缩，其混凝土抗裂能力在混凝土硬化阶段可提高50％～70％，从而增强大跨度混凝土结构的抗渗性能，使混凝土耐久性能大幅提高；2.3聚丙烯纤维混凝土施工工艺与普通混凝土基本相同，只需合理控制坍落度，并适当加强振捣和收面工作，操作简单，便于施工；2.4由于聚丙烯纤维具有良好的化学稳定性，可以与任何化学外加剂任意匹配，不需要改变原有的混凝土配合比。掺入纤维不影响混凝土的化学性质，且有利于防止混凝土的碱－集料反应的产生，较其他改善混凝土抗渗性能的方法所要求的使用条件和施工条件更宽松、使用过程更安全、更可靠；2.5纤维对混凝土抗渗性能的改善是全过程的，其长期抗渗防水效果更佳。3.适用范围本工法适用于工业与民用建筑中的大跨度屋面工程，尤其适用于环境十分恶劣、形状十分复杂、抗渗防水性能要求很高的屋面工程。4.工艺原理聚丙烯纤维是由丙烯聚合物或共聚物制成的烯烃类纤维，在砼内掺入聚丙烯纤维，聚丙烯纤维与水泥、集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地混合。由于改性聚丙烯纤维有良好的分散性，单根纤维间的平均间距分别约为1.87mm和1.61mm。纤维在混凝土内呈现三维空间网络结构，起到支撑集料的作用，也一定程度阻止了粗、细集料的沉降，降低了砼表面的析水和骨料的离析，使砼中直径为50～100um和大于100um的孔隙含量大大减少，有效阻止由于混凝土表面迅速失水造成塑性期较大的体积收缩，因此聚丙烯纤维可以有效地抑制砼早期干缩微裂缝及离析裂缝、温度裂缝的产生和发展，极大地减少收缩裂缝；另外在混凝土中掺入聚丙烯纤维可有效降低裂缝尖端的应力集中，有效防止微裂缝扩展并阻止微裂缝的贯通。同时由于聚丙烯纤维在混凝土中无规则分布，弥补混凝土的固有缺陷，使应力裂缝趋于闭合，可有效抑制裂缝的宽度和长度，并大大降低生成贯通裂缝的可能性，从而极大地提高了砼的密实度和抗渗能力。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程聚丙烯纤维混凝土搅拌工艺流程配合比设计配合比设计配合比试配掺合料计量水计量外加剂计量砂计量纤维定量砼质量检查出厂纤维投入加强搅拌水泥计量碎石计量投料搅拌聚丙烯纤维混凝土施工工艺流程钢筋绑扎钢筋绑扎纤维混凝土搅拌混凝土运输模板支设技术复核混凝土试配纤维混凝土养护混凝土施工方案与技术交底纤维混凝土浇筑坍落度测试5.2操作要点聚丙烯纤维混凝土配制C30砼原材料的选用及配合比水泥：塔牌42.5R水泥；砂：中砂，Mx＝2.7，含泥量≤1.7％；石：为16～31.5mm连续级配的碎石，含泥量≤0.4％，针片状含量≤7.1％，压碎指标≤9.4％；粉煤灰：Ⅱ级，掺量24%；外加剂：CSP-2，掺量2%；纤维：HX-19mm聚丙烯纤维，密度为0.91g/cm2，抗拉强度≥500MPa，长度19mm。掺量为0.9kg/m3。本工程的屋面纤维砼配合比为：表5.2-1C30聚丙烯纤维混凝土配合比单位:kg/m3水泥砂石水粉煤灰外加剂聚丙烯纤维3157311084180757.80.9混凝土搅拌聚丙烯纤维混凝土的搅拌与普通混凝土的搅拌工艺基本相同，只需注意以下几点：在砂、石、水泥和水均匀拌合后，再加入定量的聚丙烯纤维进行搅拌，搅拌时间的长短应以纤维能在混凝土中均匀分布为准，一般为3～5min，也可先将聚丙烯纤维与砂、石、水泥干拌后再加水湿拌，整个搅拌时间较拌制普通混凝土延长1～2min，使纤维充分分散。混凝土配置必须按照配合比要求正确计量每次加入纤维的重量。搅拌完成后随机取样，如纤维已均匀分散成单丝，则混凝土可投入使用，如果仍有成束纤维则延长搅拌时间20～30秒，即可使用。混凝土运输以舍远求近的原则合理选择商品混凝土搅拌站，合理安排运输路线，确保混凝土供应的连续性，以保障混凝土浇筑的连续性，不出现施工冷缝。搅拌站到施工浇筑段运输时间不宜超过60min，运输过程中搅拌车的搅拌筒应保持3～6r/min的转速持续转动，确保聚丙烯纤维混凝土拌合物保持均匀、不离析、不分层状态，搅拌车到达施工现场后应加大马力自转25s左右再进行浇筑。严格控制运输过程中聚丙烯纤维混凝土的停放时间，停放时间不应超过1h，否则聚丙烯纤维宜在混凝土运至工地后再由专人按配合设计规定添加。输送过程中严禁司机、施工人员随意加水以调节聚丙烯纤维混凝土的和易性，否则会严重影响混凝土的质量。聚丙烯纤维混凝土到达施工现场后应按规定进行坍落度检测，检测合格后才可卸料浇筑，现场试验员同时进行混凝土试件的留置。大跨度屋面梁板结构模板体系安装本工程演播厅屋盖结构的主梁截面尺寸主要为400mm×1500mm，楼板厚度h=120mm，支模高度最大达到17.7m，为保证超高、超重支架的安全稳定性，采用Φ48×3.5mm扣件式钢管支撑系统。支模方案的编制：根据梁板截面尺寸、支模高度进行荷载计算确定钢管立杆的排设间距，编制超高支模专项施工方案，并按相关要求提请专家论证合格后才能搭设。支撑体系的设计：梁模板支架采用垂直于梁轴线的布置方式，板模板支架采用平行于板短向而布置。由于本工程梁截面比较统一，故支撑立杆间距统一采用900mm（横向）×900mm（纵向），基本布置如图5.2-1所示。模板体系的设计：梁底次龙骨采用80mm×80mm木方＠200mm，主龙骨采用Φ48×3.5双钢管；梁侧模内龙骨采用80mm×80mm木方，间距400mm，梁侧模竖向设置3道Φ14对拉螺栓，纵向间距为400mm，外龙骨采用Φ48×3.5的双钢管；板底主次龙骨均采用80mm×80mm木方，间距400mm。支架稳定性计算：1)荷载的计算：钢筋混凝土梁自重(kN/m)：q1=25.500×1.500×0.200=7.650kN/m模板的自重线荷载(kN/m)：q2=0.500×0.200×(2×1.500+0.400)/0.400=0.850kN/m活荷载为振捣混凝土时产生的荷载(kN)：P1=2.000×0.400×0.200=0.160kN均布荷载q=1.20×7.650+1.20×0.850=10.200kN/m集中荷载P=1.4×0.160=0.224kN主次龙骨按照集中与均布荷载下多跨连续梁并以应力传递方式计算出主龙骨的最大支座力为F=13.689kN。2)立杆的稳定性计算：根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2001）中的立杆稳定性计算公式为：其中N=13.689+2.510=16.199kN（2.510为支架自重）考虑到高支撑架的安全因素，由公式l0=k1k2(h+2a)计算出：=16199/(0.274×489)=120.902N/mm2<[f]＝205N/mm2，故此按照900mm×900mm的排设间距，1.5m的步距要求，立杆的稳定性满足要求。图5.2-1支架搭设示意图整体稳定性设置：水平加固杆纵横设置，步距为1.5m。梁板支撑立杆纵横水平加固杆应每隔二步距与已浇注的钢筋混凝土柱抱箍扣接一度，以增强支撑体系的整体稳定性。在支架四边、主梁底两侧与中间每隔四排支架立杆设置纵横向剪刀撑，由底至顶连续布置。在支架两端及中间每隔四排立杆从顶层开始向下每隔2步设置一道水平剪刀撑。本工程由于超高支模体系面积较大，为保证高支模的稳定性以及混凝土结构的质量安全，要求超高部位支架的水平拉杆每隔一道均与普通楼板的预埋钢管纵横拉结（如图5.2-2所示）。图5.2-2支架稳定性拉结示意图在超高支模使用期间要求保留地下负一层的支架，以便荷载能安全向下传递至底板基础上。聚丙烯纤维混凝土浇筑及养护浇筑：由于主梁截面较大，跨度长，且钢筋密集，采用分段分层浇注，每层300～400mm。振捣：纤维混凝土的振捣与一般混凝土相同，采用插入式振捣器振捣，第一振点的延续时间应以使混凝土表面呈现浮浆和不再下沉为准，捣固点间距≤0.5m，振捣器插入下层混凝土的深度≥0.5m，并在梁、柱等钢筋密集部位加强振捣。收面压光：与普通混凝土相比，聚丙烯纤维混凝土较稠，其初凝、终凝时间较普通混凝土有所增加，表现在插入式振动棒拔出时穴坑复平时间较长，收面要适当加强。宜在其接近初凝前收浆抹平，并在其终凝前将混凝土表面赶压密实并压光，以防纤维外露，使纤维混凝土表面平整、密实、光滑。养护：聚丙烯纤维混凝土在其压光抹面后，应立即覆盖塑料薄膜养护，待其强度达到12MPa后，再加盖麻袋，浇水养护至14天。浇水次数以能保持混凝土始终处于湿润状态为准。试块留置：按规定留置混凝土抗压强度、抗渗等级、同条件养护试块，并进行相应的试验检验。6.材料与设备6.1主要材料要求聚丙烯纤维应有厂家提供的产品合格证及检验报告，其物理性能应满足混凝土设计要求。本工法选用HX-19mm聚丙烯纤维，密度为0.91g/cm2，抗拉强度≥500MPa，长度19mm，掺量为0.9kg/m3。表6-1聚丙烯纤维的主要物理性能参数表纤维形状束状单丝规格长度19mm安全性无毒材料表面积228m2/kgg纤维直径19～35um纤维密度0.91熔点160～180℃℃弹性模量≥3850Mpa抗裂强度≥340Mpa断裂伸长率％≥8％导热性极低抗酸碱性极高导电性极低含湿量﹤0.1%水泥：42.5R普通硅酸盐水泥，其质量应符合《通用硅酸盐水泥》GB175—2007标准。细骨料：选用中砂，要求连续级配，含泥量≤1.7％，其质量应符合《建筑用砂》GB/Tl4684—2001国家标准。粗骨料：16～31.5mm连续级配的碎石，含泥量≤0.4％，针片状含量≤7.1％，压碎指标≤9.4％，其质量应符合现行国家行业标准《建筑用卵石、碎石》GB/Tl4685—2001。掺合料：选用Ⅱ级粉煤灰，掺量24%，其质量应符合现行国家行业标准《粉煤灰混凝土应用技术规范》GBJl46－90。水：采用饮用水，水质应符合国家现行标准《混凝土用水标准》（JGJ63-2006）的规定。支撑钢管应有产品合格证，严禁使用不合格或强度不满足要求的钢管及配件。对多次周转使用的主要受力杆件应进行抽样检测，以确保构件的强度和刚度满足要求。模板选取18mm厚双面覆面木胶板，必须具有足够的强度和刚度，要求边角整齐、表面光滑、易于脱模等性能。对拉螺杆采用优质碳素钢加工，套管采用硬质塑料管，对拉螺杆应加工准确，采用双螺帽拧紧。支撑架的次龙骨、主龙骨采用80×80mm木方，木方要求加工尺寸准确，无翘曲变形等缺陷。6.2施工设备及机具表6-2施工设备及机具表序号设备名称设备型号单位数量用途1混凝土输送泵HBC100-111-1611R台2泵送混凝土2塔式起重机QT25610台1钢筋、模板垂直运运输3插入式振动棒BL50-2200支8混凝土振捣4平板式振动器ZW-50台4混凝土振捣5混凝土坍落度筒规格:100×200××300只5混凝土坍落度测试试6混凝土标准试模规格:150×150××150只60混凝土试件制作7水准仪DSZ3自动安平平水准仪台3标高定位8经纬仪索佳DT2数字式电子子经纬仪台2测量放线7.质量控制7.1应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）、《混凝土质量控制标准》（GB50164-92）、《混凝土强度检验评定标准》（GB107-87）等现行国家规范及行业标准中相关内容要求。7.2原材料质量控制：原材料质量必须符合国家规范的规定，材料进场时要检查合格证和检测报告，根据进场数量、批次做复试，合格后方可使用。纤维的化学成份分析和力学性能指标应委托有资质的试验单进行试验分析，试验结果应符合设计规定要求。纤维混凝土的其它材料（骨料、水泥、掺合料、外加剂等）质量要求同普通混凝土要求一样，要满足国家规范规定的要求。7.3计量控制：原材料应计量准确，上料顺序正确。混凝土的搅拌时间、原材料计量、上料顺序，每一工作班至少应抽查两次。所有计量用具必须经过法定计量管理部门的鉴定并附有合格证。混凝土原材料每盘称量的偏差应符合表7.3的规定。表7-1原材料每盘称量的允许偏差材料名称聚丙烯纤维水泥或掺合料粗、细骨料水外加剂允许偏差±2%±2%±3%±2%±2%计量控制检验方法：称重法，烘干法。7.4混凝土坍落度的控制：混凝土拌合物的坍落度应在搅拌地点和浇筑地点分别取样检测，所测坍落度值应符合设计和施工要求，其允许偏差应符合规范的规定。对坍落度不满足要求的混凝土不能随意加水，不合格者不用。7.5混凝土拌合物应拌合均匀、颜色一致，不得有离析、泌水、纤维结团现象。对离析度大，拌和物不均匀、稠度不符合要求的混凝土拌和物，不能用于施工结构，应分析原因，查清问题所在，并针对原因进行改善，以保证混凝土搅拌质量。7.6合理安排运输和浇筑路线，做好施工部署，确保混凝土浇筑的连续性，避免出现施工冷缝。8.安全措施8.1聚丙烯纤维属于易燃物品，使用及堆放时需远离电气焊及其它火源。严格执行现场用火制度，接受相关部门的检查。8.2对投放聚丙烯纤维的操作人员及时发放安全技术交底，并对其进行培训后方可上岗。8.3模板支撑架必须严格按照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》（JGJ130-2001）要求搭设，确保支架的安全稳定。设专人随时检查模板支架的稳定情况，发现问题应及时汇报并处理。8.4混凝土浇筑前，应对振动器进行试运转，振动器操作人员应穿绝缘靴、戴绝缘手套；振动器不能挂在钢筋上，湿手不能接触电源开关。8.5混凝土运输、浇筑部位应有安全防护栏杆，操作平台。8.6接拆泵管要先停泵，再接拆泵管。泵送期间不得进行接管工作。堵管时严禁在管正前方用手掏管内的混凝土。8.7用电应按三级配电、二级保护进行设置。施工用电的设备电缆线、导线、漏电保护器等级应有产品质量合格证；漏电保护器要经常检查，动作灵敏，发现问题立即调换，闸刀熔丝要匹配，8.8电动工具应符合有关规定，电源线、插头插座应完好，电源线不得任意接长和调换，工具的外绝缘完好无损，维护和保管由专人负责。8.9夜间施工应有足够照明。9.环保措施9.1合理安排作业时间，尽量避免夜间作业，减少施工噪音，避免影响施工现场内或附近居民的休息。9.2对施工现场场地进行硬地化和绿化，并经常洒水，减少粉尘污染。9.3易燃品应隔离堆放，确保施工安全。对于可能产生有害物质或气体的材料，应做好保管工作，并在发挥过期前使用完毕，以免对环境造成影响。9.4施工污水严禁随意排放。施工垃圾要集中堆放，严禁将垃圾随意堆放或抛撒。9.5清理现场严禁将垃圾从外脚手架、窗口、洞口、阳台等抛撒乱扔，以防造成坠落伤人和粉尘污染。9.6聚丙烯纤维为轻质易飘散材料，贮存时要做好防潮、防风等工作。10.效益分析10.1本工法在正式施工前委托汕头大学进行相关的试样检测，同时对施工过程中的聚丙烯纤维混凝土试件委托有相关资质的建筑材料测试中心进行检验，与普通混凝土对比结果如下：表10-1C30聚丙烯纤维混凝土和普能混凝土力学性能对比表性能普通混凝土聚丙烯纤维混凝土土28d抗压强度38.7MPa39.5MPa28d抗折强度5.25MPa5.49MPa28d劈裂抗拉3.84MPa4.61MPa抗渗性能（渗水高高度）6.42cm1.98cm由上表可看出，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度与普通混凝土相差无几，但抗拉强度明显提高20%，抗渗性能也大大提高，证明聚丙烯纤维混凝土能较大幅度地提高混凝土的抗渗、抗裂性能，极大地满足设计和施工需求。10.2该工程如采用普通抗渗混凝土，对原材料中的水泥、膨胀剂和外加剂要求很高，成本也相应提高。如改性聚丙烯纤维提高混凝土性能，则单方材料费用可以大大减少，详见下表10-2，经济效益十分可观。表10-2经济效益分析表材料名称42.5＃水泥膨胀剂UEA-DD外加剂CSP-22聚丙烯纤维合计原用量35030.48.80采用新技术后用量量31507.80.9减少用量(kgg/m3)3530.41.0-0.9材料单价(元/kkg)0.3150.603.8025.00减少费用(元/mm3)11.0318.243.80-22.510.5710.3大跨度屋面采用聚丙烯纤维混凝土，可以不设置任何后浇带、加强带，实行无缝施工，而且聚丙烯纤维混凝土本身同时具有结构自防水功能，从而增强大跨度混凝土结构的抗渗性能，大大提高屋面的防水功能，既提高了结