广州某机场航站楼大体积钢筋混凝土梁、楼板裂缝控制

广州机场航站楼大体积钢筋混凝土梁、楼板裂缝控制

一.工程概况

广州白云国际机场工程位于广州花都，由广州白云国际机场有限公司投资兴建，广东

省建筑设计研究院设计。

广州新白云国际机场总投资196亿人民币，首期工程建设预定于2010年完成，占地

近16平方公里，新建东、西两条跑道分别长3800米、宽60米和长3600米、宽45米，

满足B747和A340类型飞机全重起降要求。新航站楼建筑面积28万平方米。首期建设规

模按年旅客吞吐量2500万人次，典型高峰小时旅客吞吐量9300人的要求设计°

建成后的新白云国际机场将是国家三大中枢机场之一，不但会大大提升广州作为国际

化大都市的形象，催化广州市、广东省乃至华南地区的经济增长速度，同时也将成为新世

纪中国民航事'也迈向国际化讲程的一个重要标志。

二.大体积混凝土裂缝控制技术

现代工业与民用建筑中，大体积混凝土的工程规模日趋扩大，其结构形式也日趋复杂。

大体积混凝土的裂缝控制问题是一项国际性技术难题。许多国家都成立了专门的研究机

构，理论成果颇多，但在工程实践中仍然缺乏成熟的实用和理论依据。

1.大体积混凝土裂缝的基本原因

从基本概念上认为，混凝土结构的裂缝是不可避免的，但其有害程度是可以控制

的。有害程度的界限由各种建筑物的使用要求所决定。使用要求包括承载力、持久承

载力、允许变形、防水、防射线、防腐蚀以及精神方面包括建筑艺术和美观等。

引起混凝土结构开裂的原因是极为复杂的,主要可分为两大类作用，即外荷教作用和

变形作用，这两种作用可称为“第一类荷载”和“第二类荷载”，“第二类荷载”即“变

形荷载”。国内外大量调查说明，由于“变形荷载”引起的裂缝约占8c”以上，变形作用包

括气温、生产热源、水泥水化热引起的温度变形作用；温度变形作用（收缩和膨胀变形）；

地基不均匀变形作用（水平变形和垂直变形）等。

从材料方面看,水泥水化是个放热过程,其水化热为40-60卡/克,对于大体积混凝土来

说,就存在蓄热与放热过程,混凝土绝热温升可达到30-50℃,与环境温度出现温差效应,持

续放热时间达30-60天。研究表明，当混凝土内外温差为10℃时,产生冷缩值约0.01%,当

温差达20-40℃时,其冷缩值则为0.02-0.04%,这是大体积混凝土开裂的主要原因。

2.新乡机电专科学校综合教学楼地下室大体积钢筋混凝土底板抗裂验算

新乡机电专科学校综合教学楼地下室大体积钢筋混凝土底板高为1200mm,长72m,宽

32m,混凝土设计标号C,单向配筋率P^O.86%。采用525#普通硅酸盐水泥，商品混凝

土,混凝土坍落度16T9cm,泵送。采用高效混凝土泵送剂,混凝土单方水泥用量420Kg/m\,

水胶比W/B=0.45.环境温度26-32℃,取T产29℃。混凝土入模温度29℃,抗裂验算如下:

水泥水化热引起混凝土最高绝热温升：

T_"

]nax-o

式中:W—单方混凝土水泥用量(Kg/n?)o

Qi一每公斤水泥水化热值,525普通硅酸盐水泥水化热值取375J/Kgo

rh一混凝土容重,取2400Kg/m\

C--混凝土比热,取0.96KJ/Kgro

420x375

所以,Tnax=%69(℃)o

2400x0.96

忽略大体积钢筋混凝土梁沿宽度方向的散热，只考虑沿高度方向一维散热，散热系数

为0.5-0.6,取0.5,则由水泥水化热引起的温升值：3=69X0.5=35(℃)。

混凝土入模温度:丁2二29℃。

则预计混凝土中心平均温度:

Ta-^+T-35+29-61(℃)<>

环境气温26-32℃,取平均差值T广义二竺=3(℃)。

2

所以，混凝土的最大冷缩值：

5

x(T3-T.,+TO)=1.OX1O-X(64-29+3)=3.8X10'o

混凝土7天最大干缩值SKt)按下面经验公式计算：

S.,(t)=3.24X10'X(l-efmm.....。

叫、叱…叫为各种因素影响系数,这里取以下几种影响系数:

水泥品种影响系数:口尸1.00；

水泥细度影响系数:叱=1.00；

骨料系数:叱=1.00；

水灰比系数:皿=1.10；

水泥浆量系数：01户1.20；

养护时间系数：s=L00;

环境湿度系数:叱=0.77。

代入公式得:Sd⑺=0.63X10

混凝土的极限延伸率、按下式计算：

S*0.5RJ1+K)xi(T。

d

C40混凝土RN.55Mpa代入公式得：

Sk=l.67X10。

混凝土7天的极限延伸率：

2/3

Sk⑺=0.8Sk(lgt)=l.19X10\

混凝土的受拉徐变，偏于安全地假设为极限延伸率的0.5倍,则

44

CT=0.5Sk(7)=O.5X1.19X10=0.60X10O

混凝土最终变形：

D=-(St+S「G)=-3.83X10,(负号表示受拉状态)。

由于混凝土7天最终变形值D=-3.83X10M大于混凝土7天的极限延伸率$附=1.19

X10',故混凝土会开裂。

3.大体积混凝土抗裂技术措施

大体积混凝土工程因散热降温引起的冷缩比干缩更容易引起开裂，常规的温度控制措

施往往既复杂又费钱。吴中伟院士提出，采用水化热低，又有一定膨胀性能的补偿收缩混

凝土，同时加以适当的温度控制，就有可能做到既经济合理，又能有效地解决大体积混凝

土的开裂问题。他提出了混凝土冷缩和干缩的联合补偿模式。首先根据混凝土最大温降值

(℃)和混凝土的线膨胀系数Q(通常取IX107C)计算最大冷缩值Sr，同时考虑干缩

值S2,最后选定适宜的限制膨胀率£2和湿养膨胀时间t,对两种收缩进行补偿，当(£2

-S2+er)-ST=0或不超过极限拉伸J,就能达到控制裂缝的目的。在这一理论指导下，

中国建筑材料科学研究院以UEA-H膨胀剂，缓凝高效减水剂和粉煤灰或矿渣粉的“三掺”

技术，在降低水泥热的同时，通过UEATI产生的前期膨胀以补偿混凝土的冷缩，后期(14

-60d)微膨胀以补偿干缩，这种“抗”的方法较好地解决了大体积混凝土的裂缝控制问

题。

在大体积混凝土施工中，控制混凝土中心温度与表面温度之差是非常重要的。采用普

通混凝土，温差应控制在25℃之内，否则，往往因温差应力而产生开裂(冷缩裂缝)。而

采用UEA-II补偿收缩混凝土，这个温差可放宽至40-45C。其原理如下：设大体积混凝土

中心温度为3,表面温度为T2,大气温度为％；UEA-H混凝土限制膨胀率是£2,混凝土产

4

生限制膨胀系数为a,产生的膨胀当量温度TF£2/。，一般，£2=2-3X10,a=1.0X107℃,

则T4=20-30℃O

若采用普通混凝匕须AT尸T「TW25℃.否则，混凝十会开裂°

而采用UEA-H补偿收缩混凝土后：ATFT-T2^25+T..(℃),AT2二T「T：W25+「(℃)。

当量温度与混凝土限制膨胀率成正比。

这意味着在大体积混凝土施工时，采用UEA-H补偿收缩混凝土，放宽了温控指标，一

般不必再用冷却骨料、在混凝土中埋设冷却水管等传统施工方法。这样可以大大节约昂贵

的施工费用。

例如重庆世界贸易中心转换层大梁(1.5X4X129m,CQ,重庆嘉陵江黄花园大桥桥

墩承台C50大体积混凝土工程，深圳华为科研中心5区承台3m厚大体积混凝土工程，广

州天汇大厦底板(厚1.5-2.Om,Co,S,o),青岛中银大厦底板(厚1.3-1.8m,Cso,S12),

上海世界贸易商城板(183X101Xlm,C.1O,S12),秦山核电站二期工程和西部卫星发射井

等大体积特种结构，采用补偿收缩碎获得成功。

4.广州机场航站楼大体积钢筋混凝土梁抗裂分析

沿用二一2前提条件，在混凝土中掺入北京中岩特种工程材料公司生产的“中岩”牌

低碱低掺量高效混凝土膨乐剂(UEA-H),掺入量为胶凝材料总量的8%,单方混凝土水泥用

量C=386Kg/m3,UEA-H=34Kg/m\UEA-H混凝土在配筋率P=0.79%时限制膨胀率50

X10,配筋率P=0.86%时限制膨胀率£2=3.22X10、抗裂分析如下：

水泥水化热引起混凝土最高绝热温升：

_卬0+必。2

13--------------------------

式中:单方混凝土水泥用量。

W2—单方混凝土UEA-11用量。

Qi一每公斤水泥水化热值,525硅酸盐水泥水化热值取375J/Kgo

Q-UEA-H水化热值，取246J/Kgo

;一混凝土容重,取2400Kg/m\

C—混凝土比热,取0.96KJ/Kgro

386x375+34x246

所以,Tnax==67(℃)o

2400x0.96

考虑混凝土梁一维散热,散热系数为0.5-0.6,取0.5,则由水泥水化热引起的温升值:

V67X0.5=34(℃)0

混凝土入模温度:丁2=29℃。

则预计混凝土中心平均温度：

T3=T.+T2=34+29=63(℃)<>

环境气温26-32℃,取平均差值T。二%二竺=3(℃)o

2

所以，混凝土的最大冷缩值：

5

St=aX(T3-T.t+T0)=l.OX10X(63-29+3)=3.7X10\

混凝土7天最大收缩值&(l)按下面经验公式计算：

Sd(t)=3.24X10-4,(1飞°网)叫叱・・m-

g、nv••明为各种因素影响系数，这里取以下几种影响系数：

水泥品种影响系数:向=1.00；

水泥细度影响系数：m产L00；

骨料系数:叱=1.00;

水灰比系数:D1尸1.10;

水泥浆量系数:叱=1.20；

养护时间系数:现尸1.00;

环境湿度系数：m产0.77。

代入公式得:Sd⑺=0.63X10\

混凝土的极限延伸率工按下式计算：

Sk=0.5R/1+K)X10'

d

Co混凝土Rf=2.55Mpa代入公式得：

Sil.67X10'。

混凝土7天的极限延伸率：

2/3

Sk<7)=0.8Sk(lgt)=1.19X10\

混凝土的受拉徐变，偏于安全地假设为极限延伸率的0.5倍,则

-4

CT=0.5Sk(?)=0.5Xl.19X10=0.60X10\

混凝土最终变形：

D=e2-(S.+Sd-CT)=-0.51X10'(负号表示受拉状态)。

由于混凝土7天最终变形值D=-0.5151()Y,小于混凝土7天的极限延伸率率-1.19X

104,故混凝土不会开裂。

三.广州机场航站楼大体积钢筋混凝土梁裂缝控制技术措施

(一).结构设计原则

1、掺低碱低掺量高效混凝土膨胀剂(UEA-H)补偿收缩混凝土大多应用于控制有害裂

缝的钢筋混凝土工程，混凝土的膨胀只有在限制条件下才能产生于压应力。所以，构造(温

度)钢筋的设计对该混凝土有效膨胀能的利用和分散收缩应力集中起到重要作用。结构设

计者必须根据不同的结构部位，采取不同的合理配箭.以往绝大多数设计图纸只写混凝土.

掺入膨胀剂、强度等级，对混凝土的限制膨胀率没有提出具体要求，造成膨胀剂少掺或误

掺，达不到补偿收缩效果而产生有害裂缝。根据GBJU9-88《混凝土外加剂应用技术规范》

要求，掺膨胀剂的补偿收缩混凝土水中养护14天的限制膨胀率20.015%,相当于在结构

中建立的预压应力大于0.2Mpa。该工程实际混凝土限制膨胀率最好控制在0.03-0.04%0

施工单位或混凝土搅拌站应根据设计要求，确定膨胀剂的最佳掺量，在满足混凝土强度要

求下，同时达到补偿收缩混凝土的限制膨胀率。只有这样，才能达到控制结构有害裂缝的

效果。所以，当采用膨胀剂时请结构设计者在图纸上注明：“采用掺膨胀剂的补偿收缩混

凝土，强度等级、水中养护14天的混凝土限制膨胀率2XX%（一般应大于0.030%）”。

2、对于大梁与楼板相连的结构，由于大梁与楼板的配筋率相差较大甚至混凝土标号

亦不一致，混凝土胀缩变形与限制条件有关，由于集中应力原因，在离F大梁1〜2nl的楼

板上易出现收缩裂缝。工程实践表明，在梁板相连处设附加筋（钢筋网片）可以有利于分

散梁板间的应力集中，避免裂缝的出现。

3、对于超长结构楼板，鉴于泵送混凝土的收缩值比现场搅拌混凝土大20〜30%,为减

少有害裂缝，可采用补偿收缩混凝土浇筑，但设计上要求采用细而密的双向配筋，构造筋

间距小于150mm,配筋率在0.6%左右\对于现浇混凝土防水屋面，应配双向钢筋网，钢筋

间距小于150mm,配筋率在0.5%左右。楼面和屋面受大气温差影响较大，其后浇缝最大间

距不宜超过50mo

（二）.混凝土配合比设计原则

1.原材料选择

从材料方面，混凝土结构裂缝控制的关键措施是应用膨胀剂，改善混凝土的收缩属性,

消除混凝土内部的收缩应力，从而抑制混凝土裂缝的发生与发展。除此之外，还应优选与

UEA-H膨胀剂相适应的水泥、缓凝型高效减水剂、活性混合材等。具体要求如下：

（1）、选用水化热较低的水泥：

水泥水化热大小，对混凝土的温度起决定性影响，而水泥水化热量大小取决于水泥品

种及其所含的矿物成分，水泥小硅酸三钙（简称CB）及铝酸三钙（简称CA）含量愈高，

发热量愈大，水化速度也愈快，出现温峰值也较早。因此，应尽量采用水化热较低的水泥。

（2）、掺加高效缓凝减水剂：

在混凝土中有选择的掺加与UEA-II相适应的高效高效缓凝减水剂，能保持混凝土工作

性质不变而显著减少拌合用水量、降低水灰比、改善和易性、减少水泥用量、降低水化热、

减缓水化速度。除有以上效果外，还可以推迟初凝时间4〜6h,延缓水泥水化热的释放速

度，推迟混凝土放热高峰时间，延长混凝土升温期，减少混凝土表面温度梯度。因此，在

配制UEA-H泵送混凝土时宜采用缓凝高效减水剂，

（3）、掺加粉煤灰、矿渣粉等活性混合材：

粉煤灰为一种人工火山灰质材料，具有一定的火山灰活性，掺入水泥中与水泥混合，

作为胶结材料的一部分。

粉煤灰或矿渣粉中铝硅玻璃体含量大于70%,因之有较高的活性，在CaSHK和

CaS01・2乩0的激发下，可大大提高混凝土的后期强度，并增加混凝土的密实度。在混凝土

中掺加水泥用量10〜30%以下的粉煤灰（或与火山灰混合材料），可减少单方水泥用量50〜

70kg,显著的推迟和减少发热量，延缓水泥水化热的释放时间，降低温升值20〜25%（按

单位水泥用量每增减10kg,温升约升、降1℃）,掺加粉煤灰可大大减少产生温度裂缝的趋

向。

对于大梁等养护条件较恶劣的部位，由于粉煤灰中含碳量导致混凝土需水量增大，从

而加大混凝土收缩。所以，对大梁等部位混凝土，应严格控制粉煤灰的含碳量，宜选用含

碳量小于5%的粉煤灰。对于大体积混凝土，在掺入粉煤灰或矿渣粉情况下，建议强度等级

从28天改为60天，这有利于降低水泥用量和水化热。

（4）、掺加低碱低掺量高效混凝土膨胀剂（UEA-H）：

在普通混凝土中内掺水泥用量的8%左右的低减低掺量高效混凝土膨胀剂（UEA-H）

配制成的补偿收缩混凝上，在不影响结构强度的情况下，能够产生体积膨胀，主要是

因为UEA-H中的铝酸盐、硫酸盐等和大量的水化合生成钙矶石（C3A-3CaS0,•321L0）,

体积膨胀123%。它可以抵消普通混凝土固有的体积收缩，在有钢筋及邻位约束的条

件下，改变了混凝土内部的应力状态，在混凝土内部引入0.2-0.7Mpa的预压应力，

这种预压应力能够抵消或部分抵消导致混凝土开裂的拉应力，从而避免或大大减轻混

凝土的开裂。

低碱低掺量高效混凝土膨胀剂（品名商标UEA-H）是中国建筑材料科学研究院重

大专利成果。该产品是在U型混凝土膨胀剂（品名商标UEA）的基础上，为克服其存

在的缺点，适应日益提高的工程要求而开发、研制的第四代UEA升级产品（专利号

ZL91110609X）o投放市场后，以其含碱量低、膨胀能大、强度高、坍落度经时损失小、

收缩落差小等优良的品质与卓越的性能而深受工程界的广泛欢迎。

（5）、砂、石品质要求:

选择良好级配(符合筛分曲线)的粗、细骨料•，严格控制骨料的规格和质量，控制水

灰比，减少混凝土内的缺陷，以达到降低水泥用量的目的。

砂应尽量用中、粗砂，细度模量2.5〜3.0,平均粒径20.38mm,含泥量＜1%。与用细

砂相比，每In?可减少用量20〜25kg,水泥用量相应可减少28〜35kg,从而减少混凝土

的干缩和水化热量。另外，骨料中如含有超量泥土，其对混凝土收缩的抑制作用减弱，当

含细粒«0.02mm)泥为5%时，其收缩率比不含泥时增加25.6虬故应严格控制砂石的含

泥量不超过规定，这样可减少混凝土的收缩性，提高混凝土的抗拉强度：粗骨料应采用连

续级配的石子，含泥量W3%。

(6)、控制单方混凝土用水量：

研究表明，水泥用量不变时，用水量每增加10%,混凝土强度降低20%；混凝土与钢

筋的粘结力降低10船干维约增大20%〜30机因此，严格控制水胶比十分重要，一般情况

下，混凝土水胶比(W/B)应小于0.50。

2.UEA-H补偿收缩混凝土配合比设计

(1)、原则上，UEA-H可掺入五大水泥中使用，并可与其它混凝土外加剂复合使用。

鉴于彼此适应性不同，应通过混凝土试配优选，以确定用何种水泥及外加剂。

(2)、UEA-H混凝土配合比设计与普通混凝土大致相同，但是，除满足设计强度等级

和抗渗标号外，还应达到《混凝土外加剂应用技术规范》(GB119-88)中对补偿收缩混凝

土限制膨胀率的规定：“掺膨胀剂的补偿收缩混凝土水中养护14天的限制膨胀率20.015%”

的特殊要求(针对本工程具体情况，一般不应小于0.030%)。

(3)、UEA-H为内掺，其掺量为替换胶凝材料率Ko当混凝土中胶凝材料仅为水泥C

时，UEA-H=C-K,水泥=C(1-K)；当混凝土中掺入粉煤灰F时，UEA-H=(C+F)K,水泥

=C(1-K),粉煤灰=F(1-K)。水胶比B/WV0.50。

:,

(4)、在一般情况下，每立方米混凝土中UEA-I1替代胶凝材料量为30Kg/mo根据不

问结构部位和补偿收缩的要求，UEA-H推荐掺量见下表。

结构部位推荐掺量(%)预期限制膨胀率(％)

楼板、大梁、转换板80.030

(三)施工原则

1.应用于结构工程的膨胀剂应符合《混凝土膨尿剂》(JC476-1998)标准规定。必须

指出，近年我国膨胀剂的牌号较多，标准掺量也大小不一，还有假冒伪劣的膨胀剂也流入

市场，用户难断真伪，有些工程用了膨胀剂却达不到预期效果。所以，加强对膨胀剂的质

量检测非常必要。用户确定选用某家的膨胀剂后，应按国家标准GB12573规定取样，混