船台大体积混凝土的抗裂措施

1 工程概况本工程位于东北某沿海城市，含两个单位工程，分别为工业厂房和辅助办公楼。工业厂房为单层钢结构工程，办公楼为框架混凝土工程。工业厂房室内设计有2座钢筋混凝土船台，每座船台尺度为300 m×60 m，船台顶面设有4组重移轨道，钢轨型号QU 80，船台底设计为600 m×600 m预应力混凝土群桩。两座船台按模数25×20、20×20等划分为110块，厚度均为1.5 m。板块间留有2 cm的胀缝，使用沥青木丝板间隔，纵向设有 20@200的抗剪传力杆，船台板混凝土强度为C 35，两座船台混凝土总量超过5万m3。2 施工部署及作业环境依据本工程施工合同工期目标，施工组织设计总体施工部署及总进度计划和资源配置计划，单层工业厂房室内船台施工时间为6~9月，每座船台分别由2个作业班组从中间向两端按照无节奏流水组织施工。本工程地处海滨城市，属暖温带亚湿润季节性气候，常年多风且风向多变，冬夏气温相差较大，夏季气温最高时间分布在7月至8月份，最高达35 ℃，冬季最低气温达–20 ℃，6~9月份降水量较大。本工程部分船台板浇筑位于7月份至8月份，多风、高温、多雨气候将对大体积混凝土的浇筑造成一定的影响。3 质量控制标准本船台板质量标准要求高，属水运工程大体积清水混凝土地面，每块船台板必须一次浇筑成型。表面不得存在宽度大于0.05 mm的裂缝，且裂缝宽度小于0.05 mm的区域面积占比需严格控制在总船台面积的5 %以内，表面平整度要求控制在±5 mm以内，严禁后期采用薄料贴补法修复。4 重难点分析本船台面积大，混凝土浇筑周期长，在施工过程中要确保每块船台板都不出现温度造成的结构裂缝，塑性收缩裂缝占比也需严格控制在一定范围内，表面平整度也要达到设计要求，整体质量标准要求非常高，这是本工程的第1个难点。施工时受海边高温、大风及多雨环境影响，采取单一的控制措施很难确保每块船台板质量达到设计要求，高温、大风及多雨环境极易使得混凝土内外温差超标，造成混凝土出现裂缝，施工受环境影响较大，这是本工程的第2个难点。为了有效地将施工成本控制在预期范围内且最大限度地降低成本，若采用流行的敷设循环水管降温措施或增加后浇带，势必会大幅增加成本，这给如此体量的混凝土施工提出较大挑战，经项目部周密部署，多次研究探讨，充分模拟现场实际施工工况，进行了多部位、多阶段的热工计算，并借鉴邻近工程施工经验，最终采取以下“综合性”的控制措施，严格地控制船台裂缝的发生，在降低成本的情况下，又确保了施工质量，这是本工程的第3个难点。5 大体积混凝土裂缝类型及产生原因本工程邻近海边，船台大体积混凝土施工时，正值大风、高温、多雨等季节，混凝土施工将受外部环境、设计构造、原材料选择、混凝土配合比、施工措施、温度监控量测及养护等多因素影响。为了更好地控制本工程船台大体积混凝土的施工质量，减少裂缝的出现，达到工程质量目标和成本目标，通过对邻近本项目已完类似工程船台大体积混凝土产生裂缝的长度、宽度、深度等多方面进行统计、分析研究发现，船台主要存在两种类型的裂缝。第1种为混凝土自身塑性收缩裂缝。在混凝土凝结成形过程中受收缩张力产生的裂缝，该种裂缝细而密，多表现为块状纹路类无规则裂纹，板面干燥时通常不可见，降雨湿润后板面出现“蜘蛛网”类裂纹。第2种为温差应力裂缝。混凝土在浇筑、凝结硬化过程中水泥水化时会释放大量的热，若该热量不能均匀传递和疏导，将积聚在混凝土内部，造成混凝土内外温差过大而产生温度应力，当温度应力大于此时混凝土抗裂应力时，处于凝固过程中的混凝土被拉裂，此类裂缝宽而深且有一定的规则，往往向薄弱处不断发展，并随环境温度伸缩变化，直接影响混凝土结构受力，属较大的病害。5.1 塑性收缩裂缝产生原因混凝土胶凝材料在固化过程中体积会产生不同程度的收缩，对于大体积混凝土，这种收缩更加明显。如果混凝土的收缩受到外界的约束，就会在混凝土内部产生相应的收缩应力，当产生的收缩应力超过当时混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土中产生收缩裂缝，而这种裂缝往往从混凝土表面上先呈现出来。造成混凝土收缩的主要因素是混凝土中单位体积用水量、水泥用量及水泥品种。混凝土中的用水量和水泥用量越高，混凝土收缩就越大。如在水泥活性大、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，若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，遍布整个板面。5.2 温差裂缝产生原因大体积混凝土在浇筑过程中（主要在浇筑初始阶段），会释放大量的水化热，由于混凝土热传导性能较差，聚集在大体积混凝土内部的水泥水化热不易散发而凝聚在混凝土的内部结构当中，使得混凝土内部结构的温度大幅度增加，而混凝土表面因外露在室外环境中则散热较快，内外形成较大的温度梯度。外部和内部的极大温差使得内部产生压应力，外部混凝土表面开始初凝所产生的拉应力，综合形成一种不规则顺着温差方向的拉应合力，当拉应合力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土被从内部拉裂，这种裂缝常常贯穿于全结构断面，形成结构性裂缝，给结构安全带来严重的危害。除此之外，在拆模的前期阶段，混凝土表面温度会大幅度降低，温度骤降会再次出现类似前期浇筑混凝土时的应力变化，致使已出现的结构裂缝再次扩展。6 大体积混凝土的抗裂措施本工程地处沿海，属于高盐碱和氯环境，若船台出现裂缝，不仅影响美观，而且会造成钢筋锈蚀，影响结构的安全性、适用性和耐久性。为了更好地控制本工程船台大体积混凝土的质量，充分总结类似工程大体积混凝土裂缝产生的原因和机理，在此基础结合本工程的实际工况，采取综合性的控制措施，从设计措施、原材料及配合比措施、施工措施、温度监控量测及养护措施等多方面来预防裂缝产生，未采取循环水降温措施或增加后浇带，也能保证施工质量，并严格地控制裂缝发生，大幅地降低施工成本。6.1 设计措施6.1.1 增配构造筋在施工前，通过和设计单位沟通，在船台表面增配了 6@150的构造筋提高抗裂性能，并为避免船台板在下沉轨道槽处结构突变产生应力集中，在轨道槽内应力集中的薄弱处增加了侧向配筋，提高混凝土的极限拉伸能力。6.1.2 板缝设计设计将两座船台板划分为110块，最大板块长、宽都不大于25 m，在大体积混凝土一次浇筑最大容许尺寸范围内。板块间留有2 cm胀缝，给混凝土的变形创造了足够的伸缩空间，无需再增加后浇带。6.2 原材料及配合比措施6.2.1 混凝土配合比设计依据设计水运混凝土配合比要求，在施工前，项目部组织相关资质单位精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有设计强度及良好工作性的情况下，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、低水胶比）、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。对选用的水泥品种、砂石级配、粒径、含泥量和外加剂等进行混凝土预配，最后得出优化配合比，试配结果通过监理工程师审查合格后进行生产。施工过程中，项目部安排专人到混凝土搅拌站旁站监督，通过现场抽样检测等办法，保证使用原材料与试配原材料技术指标的一致性和稳定性。6.2.2 水泥的选择大体积混凝土产生裂缝的主要原因是水泥水化过程中释放了大量的热，因此在本工程船台大体积混凝土施工中，根据设计配合比要求，采用42.5低热硅酸盐水泥，在配制混凝土配合比时减少了水泥用量，水泥严格控制在340 kg/m³以内，以降低混凝土的温升，提高混凝土硬化后的体积稳定性。同时要求水泥中发热量和发热速度最快的铝酸三钙（C3A）含量在8 %以下。预拌混凝土生产单位在水泥进场时总包项目部安排专业质检员对水泥品种、强度等级、包装或散装仓号、出厂日期等进行检查，并对其强度、安定性、凝结时间、水化热等性能指标及其他必要的性能指标进行复检，并提供检测报告。6.2.3 骨料的选择选用质地坚硬，连续级配，不含杂质的非碱活性碎石。石子粒径选用5~25 mm，含泥量（重量比）不大于1 %，泥块含量（重量比）不大于0.5 %，针片状颗粒含量不大于8 ％。选用天然或机制中粗砂，级配良好，其细度模数在2.3~3.0的中粗砂，含泥量（重量比）不大于3 %，泥块含量（重量比）不大于1 %。6.2.4 掺合物的选择为了降低混凝土中水泥的用量，在混凝土拌合中增加了适量的粉煤灰，掺量不大于30 %。粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰，减少水泥用量，降低水化热，减缓早强速率，减少混凝土早期裂缝。6.2.5 外加剂的选择掺加适量的高效减水剂和引气剂，有效地增加了混凝土的流动性，降低了混凝土的水化热，延缓了水化热释放速度，提高混凝土的强度。这对减少大体积混凝土单位用水量和胶凝材料用量，改善新拌混凝土的工作性能，提高硬化混凝土的力学、热学、变形、耐久性等性能起着极为重要的作用。6.2.6 水的选择使用自来水或符合国家现行标准的地下水，用量不宜超过170 kg/m³，严格控制水中氯离子的含量。6.3 施工措施6.3.1 模板及机械设备选择根据本工程施工部署和船台板作业周期，船台板作业时环境温度较高，模板温度超过5 ℃，为了保证船台板板块边缘四周的平整度和顺直度，且有效利用三辊轴机进行滑行找平面层，现场采用组合小钢模板固定排版成4片大模板，施工时采用机械吊装就位，外撑式固定模板。6.3.2 混凝土“跳仓法”浇筑整个船台板按照设计胀缝划分成块，每块混凝土量约为500~600 m3，板块之间采用跳仓法施工，不仅可保证混凝土浇筑完成后热量散失，而且部分区域可将已完成区块侧面作为未完区域一面或两面模板，减少模板支设，节约成本。在施工前先确定作业路线，本工程充分利用设计对板块的划分，每块板块长度都不大于25 m，在规范允许作业长度范围内，通过严格组织，周密部署，采用两次“跳仓”法作业，将相邻边的板块间隔在7 d以上，较好地释放出水泥水化热所产生的温度应力和混凝土的收缩应力，最大限度地疏散了混凝土块体内的水化热，避免了混凝土因温度无法释放而产生的应力裂缝。本工程两次跳仓布置如图1、图2所示。图1 第1次跳仓平面布置图2 第2次跳仓平面布置第1次跳仓顺序：2→19→12→4→21→14→6→23→16→8→25。第2次跳仓顺序：18→11→3→20→13→5→22→15→7→24→17。6.3.3 分层分块振捣在施工前，模拟仿真现场实际工况，对船台“仓”内混凝土进行严格的热工计算，不需采取敷设循环水管降温的措施，可通过分层分块浇筑的方法有效解决水泥水化热的不利影响。在船台每个“仓”内浇筑混凝土时，为了更大程度地降低混凝土的内部温度，充分利用混凝土缓凝剂的效能，采用分层分块连续循环浇筑的施工方法。在平面方向从船台的1个角向对角（或从短边开始沿着长边方向）推移式连续施工，斜面由泵送混凝土自然流淌而成，坡度控制在1∶4左右。在垂直方向采用分层浇筑，层间间隔时间小于混凝土的初凝时间，一次浇筑的混凝土不可过高、过厚，每层厚度不超过30 cm，在混凝土初凝前，第2层再循环从开始点向前推移，并严格控制混凝土的浇筑速度，以加快热量散发，并使温度分布均匀。混凝土平面推进方向如图3所示。图3 混凝土平面推进方向另外，在浇筑过程中，通过加强振捣，保证振捣密实。混凝土在振捣过程中宜将振动棒上下略有抽动，使上下混凝土振动均匀，每次振捣时间以20~30 s为宜（混凝土表面不再出现气泡、泛出灰浆为准），振捣棒插点同“仓”内混凝土的浇筑推移方向相同，采用行列式的次序移动，每次移动距离不超过混凝土振捣棒的有效作用半径的1.25倍。振捣操作要“快插慢拔”，防止混凝土内部振捣不实，尽量避免碰撞钢筋及预埋件等，要“先振低处，后振高处”，防止高低坡面处混凝土出现振捣“松顶”现象。在上层混凝土振捣时，振捣棒需插入到下层混凝土至少5 cm，使得上下层混凝土有效结合，降低混凝土收缩裂缝。6.3.4 二次振捣、二次抹压船台大体积混凝土在振捣过程中，混凝土会出现泌水效应和沉落现象，使得粗骨料和水平钢筋下部产生水和空气，极易造成混凝土的收缩裂缝，为了降低此种裂缝产生，在每层混凝土下层开始前，对当前层进行二次振捣，可加大振捣间距，排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部产生的水分或空隙，在一定程度上会提高混凝土和钢筋之间的握裹力和粘结力，从而消除泌水效应，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，减少内部裂缝，增加混凝土密实度，使混凝土的抗压强度提高，并可再次释放混凝土内部热量，增加混凝土的密实度。本工程船台板面的平整度要求较高，在板块最上层找平前，必须根据搅拌站经验、配合比计算混凝土的沉落系数，在抹压时要考虑此系数对标高的影响。整个板块的整平采用三辊轴机找平，磨光机抹压成型成“镜面”混凝土面。在7~8月高温中极易失水发生塑性收缩开裂，故在混凝土终凝前，采用磨光机对混凝土进行二次抹压，以降低表面收缩裂缝。6.4 温度监控量测及养护措施本工程船台混凝土施工正值夏季，为了更好地控制混凝土的温差变化，防止温度应力裂缝，经过对混凝土拌制原材、运输、环境、施工等多环节进行严密的热工计算，里表温差（表面以内40~100 mm位置的温度与混凝土浇筑体表面的温差值）部分大于25 ℃，表面与大气温差（撤掉覆盖棉毡之后的混凝土表面以内40~100 mm位置的温度与环境温度之差）均小于20 ℃，根据计算结果，混凝土自身里外温差通过采取外保温保湿措施可满足裂缝控制要求的温差，为更好地控制温差，增设温度监控量测措施。采取覆盖棉毡、加厚棉毡、撤掉棉毡等措施及时有效地调整混凝土表面的温度变化，将混凝土温度控制在规范温差范围内，可有利于混凝土整体温度的降低，减小与大气温度之差，达到控制裂缝的目的。6.4.1 温控点布置根据结构类似性、对称性及温度的分布特点，在船台板上设5个具有代表性和可比性测温点，根据对称的特点，按X形布置，竖向布置在底部、中部和表面。混凝土浇筑体的外表温度，为混凝土外表以内100 mm处的温度；混凝土浇筑体底面的温度，为混凝土浇筑体底面上100 mm处的温度。采用预埋测温导线的方法进行测温，施工前将测温导线提前预埋固定，测温点布置如图4所示。船台板每个测温点断面布置如图5所示。图4 船台板测温点布置图5 每个测温点断面布置6.4.2 测温频率混凝土刚浇筑完成，水化热急剧增大，后逐渐降低。在脱模后，外部温度会急剧下降，为了更有效地控制温差，测温频率如下，第1天至第4天每4 h不少于1次；第5天至第8天每8 h不少于1次；第7天至测温结束每12 h不少于1次。养护完14 d，混凝土中心温度与大气温差小于2