嘉裕苑工程C60高强大体积转换层混凝土裂缝控制技术.docx
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嘉裕苑工程C60高强大体积转换层混凝土裂缝控制技术
嘉裕苑C60高强大体积
转换层混凝土裂缝控制技术
北京市第五建筑工程公司搅拌站
嘉裕苑C60高强大体积转换层混凝土裂缝控制技术
【摘要】2002年9月4、5日和9月14、15日我单位为北京嘉裕苑A座、C座公寓首层转换层工程成功泵送C60大体积混凝土4129m3。
该工程混凝土施工的最大难点就是如何控制高强度大体积混凝土有害裂缝的发生。
该工程强度等级C60，梁板同时浇注，平均厚度2.5m，钢筋量大、分布密、同时钢筋多处交叉，一次浇注量2000m3以上，又正值高温季节浇注。
本文针对这几大技术难点，从混凝土的试验研究和生产组织入手，在生产过程中采取有效措施控制混凝土温度，最终工程结构未出现混凝土裂缝。
【关键词】首层转换层C60大体积混凝土连续浇注高温季节混凝土裂缝
1工程概况
北京嘉裕苑工程位于朝阳区机场辅路与赵酒路十字路口北侧，建筑面积89488m2。
是由三座结构形式相似的高层公寓和一个会所组成，其中A座公寓26层、B座29层、C座23层。
地上部分彼此独立，地下三层连成一体。
A座、C座为框支剪力墙结构，首层为转换层，转换层竖向框架部分由16根圆柱和筒体组成。
转换层梁高2.5m，宽0.6~6.8m不等，筒体核心区及两侧楼板厚1m，其他部位板厚0.6m。
转换层梁板同时浇注，混凝土强度等级为C60，A座、C座转换层浇注方量分别为2019m3和2110m3，共计4129m3。
转换层浇注时间定在9月初，是高强度等级大体积混凝土施工。
2工程技术难点
（1）转换层梁板同时浇注，由于板的厚度小于梁，板的收缩大于梁，必然引起板内拉应力，梁内压应力。
尤其当在结构处于高温环境中，混凝土的收缩速度加快，板的收缩值大于梁的收缩值，从而加重了板面的拉应力，在梁板交接处容易导致开裂。
（2）钢筋量大，平均每个转换层用钢量达900t，分布密，同时钢筋多处交叉。
绝大部分转换梁主筋为4～6层Φ32，主次梁关系复杂，在梁交叉节点主筋最多达12层Φ32，转换梁箍筋为Φ14/16，肢数多，在梁上部交叉重叠，箍筋间的空隙仅有50mm左右。
转换层钢筋的复杂性，使混凝土的施工难度加大，对混凝土的工作度提出了很高要求。
这就要求混凝土在较长时间内保持良好的和易性、流动性和稳定性，保证泵送施工的顺利进行。
（3）高强度等级C60大体积混凝土，平均厚度2.5m，一次浇注量大于2000m3，又正值高温季节浇注。
高强混凝土水灰比低，水泥用量较大，早期强度发展快，混凝土内部温升也较大，尤其是体积厚大的结构。
高温季节浇注，混凝土的初始温度、浇注温度较高，使混凝土结构内部温升高，控制大体积混凝土裂缝的难度就更大了。
所有这些均对混凝土施工产生非常不利的影响，最终体现在混凝土裂缝控制难度加大。
其技术难度之大，可以说是在北京市乃至全国工程建设中首屈一指的。
3混凝土的技术路线
该工程混凝土施工的最大难点就是如何控制大体积高强度混凝土有害裂缝的发生。
大体积混凝土释放的水化热，会产生较大的温度变化和收缩作用，由此而产生的温度和收缩应力，是导致混凝土出现裂缝的主要因素。
对于高强大体积混凝土来说，首先要控制的就是混凝土浇注后混凝土内部的温度应力，防止产生有害的深层、贯穿性裂缝。
因此为降低水化热，应尽可能减少水泥用量。
使用矿物掺合料，这样既能降低水泥水化热带来的温升，又能保证混凝土有足够的后期强度。
为了降低水化热影响，考虑使用冰块冷却拌合水搅拌混凝土，以降低混凝土入模温度。
使用含超缓凝组分的高效减水剂，延长混凝土的凝结时间，从而延缓水泥水化热放热高峰，有利于避免温度裂缝的发生，利用混凝土的后期强度，经与设计协商确定，以90d标养强度作为转换层混凝土的强度统计评定标准。
3.1混凝土生产的技术方案
我站常规C60配合比水泥用量为430kg左右，一般用于柱子和外墙的浇注。
如果在此工程中沿用常规配合比，对于大体积混凝土来说，单方水泥用量较大，不利于控制混凝土内部温度。
有资料表明，每方混凝土中的水泥用量减少10kg，混凝土内部温度可降低1℃，根据计算混凝土的温度每降低1℃，混凝土的内部温度的峰值将降低3℃左右。
因此减少水泥用量可以减少总的水化放热量，也就可以降低混凝土内部的最高温度。
针对该工程高强大体积混凝土的技术难点，技术准备和试验工作的原则是：
既要保证设计强度，又要大幅度降低水化热，降低混凝土浇注温度及内部温升，最终控制混凝土裂缝，使混凝土具有高性能。
我们提出的混凝土生产的技术方案是：
（1）在保证混凝土设计强度的情况下，尽量降低单位水泥用量。
因此考虑采用双掺法即掺加Ⅰ级粉煤灰和矿粉来降低水泥用量，降低水化热，利用混凝土的后期强度。
（2）使用高效超缓凝减水剂，降低水灰比，保证混凝土的流动性、可泵性。
延长混凝土凝结时间，有利于施工操作，能使水泥的水化热释放速度减慢，使混凝土内部温升有所降低，同时降低了混凝土的内外温差。
（3）选用优质骨料，骨料的质量对于高强混凝土来说至关重要，如果不能精选，所采取的措施就不会取得应有的效果。
粗骨料选用含泥量低的连续粒级，粒径不宜大于25mm。
转换层的钢筋分布非常密，且交叉多，粒径过大不利于混凝土施工。
细骨料选用含泥量低的中粗砂，其细度模数在2.6以上。
（4）高温季节原材料及混凝土温度较高，温度越高，水泥的水化速度越快。
利用现有条件降低混凝土温度，从混凝土的组成来看，降低骨料温度应当是最有效的方法，但考虑到从生产工艺和含水率控制上难度较大，可操作性差。
因此使用冰块冷却拌合水，通过降低拌合水温度，达到降低混凝土温度的目的。
水温每降低4℃，可使混凝土降低1℃。
3.2混凝土的原材料的选用
（1）水泥选用秦皇岛浅野P.Ⅱ42.5R硅酸盐水泥，性能指标见表1；
（2）元宝山Ⅰ级粉煤灰，品质指标见表2；
（3）唐山S95级矿粉，品质指标见表3；
（4）山东青州东升化工厂生产的高效超缓凝减水剂NF-A，减水率
26%，混凝土凝结时间：
初凝：
30h终凝：
36h，此数据为试验室试验测得，与实际施工会有差别；
（5）粗骨料优选粒径为5-25mm的连续粒级的碎石，含泥量0.4%，泥块含量0.2%，针片状颗粒5.6%，压碎指标7.2%；
（6）细骨料选用中粗砂，细度模数2.9，含泥量1.6%，泥块含量0.6%，级配良好。
表1秦皇岛浅野水泥P.Ⅱ42.5R物理性能指标
试验依据
稠度%
流动度mm
初凝时间
（h：
min）
终凝时间
（h：
min）
R3
MPa
R28MPa
GB175-1999
27.6
140
3：
30
4：
55
27.2
54.4
表2元宝山Ⅰ级粉煤灰品质指标
试验依据
细度45μm
需水量%
烧失量%
SO3%
含水量%
GB1596-91
9.6
94.7
1.1
0.55
0.12
表3唐山S95级矿粉品质指标
试验依据
密度g/m3
比表面积m2/kg
28d活性指数%
烧失量%
SO3
%
氯离子%
含水量%
GB/T18046-2000
2.8
495
95
＜3.0
2.5
＜0.02
0.95
3.3混凝土配合比的确定
针对该工程的情况，我们在设计配合比时，以保证混凝土设计强度为前提，尽量减少水泥用量，使用冷却水降低混凝土出机温度，最终达到控制混凝土裂缝为原则。
我们设计了近40组混凝土配合比，通过进行大量试配，并根据以往我站大体积混凝土生产施工的经验，经过周密细致的研究，提出了最优方案。
我们确定混凝土的施工配合比如下：
表4混凝土施工配合比
水胶比
砂率（%）
水（kg/m3）
水泥（kg/m3）
砂（kg/m3）
石（kg/m3）
矿物掺合料
（kg/m3）
NF－A（kg/m3）
0.30
36
165
385
607
1079
165
24.7
3.4混凝土温度及抗裂计算
3.4.1使用冰水前后混凝土拌合物温度理论计算
（1）混凝土拌合物温度理论计算理论与实际相近可推广
T0=（CsTsms+CgTgmg+CcTcmc+CwTwmw+CwTsωs+CwTgωg）
/（ms+mg+mc+mw+ωS+ωg）
式中：
T0——混凝土拌合物温度（℃）
Ts、Tg——砂、石的温度（℃）
Tc、Tw——水泥、拌和用水的温度（℃）
mc、ms、mg——水泥、扣除含水量的砂及石子的重量（kg）
mw、ωs、ωg——水及砂、石子中游离水的重量（kg）
Cc、Cs、Cg、Cw——水泥、砂、石子及水的比热容（kJ/kg·K）
（2）混凝土拌合物出机温度计算
T1=T0－0.16（T0－Ti）
式中：
T1——混凝土拌合物出机温度（℃）
Ti——搅拌机棚内温度（℃）
（3）混凝土拌合物浇筑温度计算
T2=T1+（αt1+0.032n）（Tα－T1）
式中：
T2——混凝土拌合物运输到浇筑时温度（℃）
t1——混凝土拌合物自运输到浇筑时的时间，
从搅拌到浇筑时间为0.5h，
n——混凝土拌合物运转次数
Tα——混凝土拌合物运输时环境温度（℃）
α——温度损失系数，使用混凝土运输车时，取α=0.0042；
以我站所测原材料平均温度：
环境温度为30℃，水温Tw=18℃，冰水温度5℃，水泥温度Tce=60℃,砂子温度Tsa=25℃,石子温度Tg=25℃,砂子含水率6%，石子含水率0，搅拌机室内温度为28℃。
将以上数据代入公式计算得出：
不使用冰水：
T0=30.4℃，T1=30℃，T2=30℃
使用冰水：
T0=27.5℃，T1=27.6℃，T2=27.7℃
3.4.2混凝土抗裂计算
（1）混凝土的绝热温升计算
Tτ=Th（1－e-mτ）
式中：
Tτ：
τ龄期时混凝土绝热温升；
Th：
混凝土最终绝热温升；Th=WcQ/Cρ+Y
m：
与水泥品种比表面积及浇筑温度有关，取m=0.406；
τ：
龄期；
Q：
每公斤水泥水化热，Q=461kj/kg；
Wc：
单位水泥用量，W=385kg/m3；
C：
混凝土的比热，C=0.96kj/kg·k
ρ：
混凝土的密度，ρ=2400kg/m3；
Y：
为经验系数
代入公式计算得：
Th=80.3℃
T3=56.5℃T7=75.6℃T14=80.0℃
（2）混凝土内部实际最高温度理论计算
Tmax=Tj+Tτ·δ
Tmaxf：
混凝土内部最高温度（℃）
Tj：
混凝土浇筑温度，
Tτ：
Tτ龄期时绝热温升，
δ：
降温系数，可查表。
表6混凝土各龄期内部最高温度计算值
龄期（d）
3
7
14
混凝土内部最高温度Tmax（℃）
79.9
76.7
60.6
（3）混凝土收缩应力计算
① 浇筑后各龄期当量温差计算
Ty（t）=-εy（t）/α=εy0（1e-0.01t）M1M2…M10/α
其中：
εy0—混凝土标准状态下的最终收缩值，取εy0=3.2410-4；
t—龄期（d）；
M1、M2、……M10—考虑各种非标准条件的修正系数，M1、M2、
M3、M8、M9均为1，M4=0.85、M5=1.45、M7=0.77、M10=0.68、
M6在3d、7d、14d时分别为1.09、1.0、0.93；
α—混凝土的线膨胀系数，取α=1.010-5。
表5混凝土各龄期当量温差
龄期（d）
3
7
14
Ty（℃）
0.68
1.46
2.5
② 混凝土各龄期的最大综合温差计算
⊿T=T0+2/3T（t）+Ty（t）Th
其中：
T0—混凝土的入模温度；
Th—混凝土浇筑后达到稳定时的温度，我们假定Th=30（℃），
表6混凝土各龄期的最大综合温差
龄期（d）
3
7
14
⊿T（℃）
36.7
50.3
54.2
3龄期的温度应力计算：
σ=E（t）α⊿TH（t）R/（1ν）
其中：
E（t）—混凝土各龄期的弹性模量
E（t）=Ec（1e-0.09t）=3.6104（1e-0.09t）N/mm2，
E（3）=0.85104、E（7）=1.68104、E（14）=2.58104
H（t）—考虑徐变影响的松弛系数，
H（3）=0.57、H（7）=0.502、H（14）=0.411
R—混凝土外约束系数，一般取R=0.40
ν—混凝土的泊松比，取ν=0.15
表7混凝土各龄期温度应力
龄期（d）
3
7
14
平均气温时温度应力（N/mm2）
0.84
2.00
2.70
4计混凝土抗拉强度：
ft=afcb
式中ft——混凝土轴向抗拉强度N/mm2
fc——混凝土抗压强度N/mm2
a、b——常数值，a取0.32b取0.65
表8混凝土各龄期抗拉强度
龄期（d）
3
7
14
假设混凝土抗压强度
（N/mm2）
30
45
54
预计混凝土的抗拉强度（N/mm2）
2.92
3.80
4.28
大体积混凝土水化时产生大量的水化热，内外温差超过一定限度时就会出现温度应力，而温度应力大于混凝土拉应力时便会产生温度裂缝。
由上述计算可以得出结论，混凝土的抗拉强度大于温度应力，满足抗裂条件，故不会出现裂缝。
3.5生产模拟试验
为了解我们确定的施工配合比和采取的技术措施在实际生产时的应用情况，我们拟订在生产前进行模拟试验。
8月26日，天气晴，最高气温32℃，湿度较大。
事前征得施工方的同意，我们选定一个正在生产的某工程C40混凝土做模拟试验。
试验前购进冰块对拌合水进行降温，测得水温为5℃，砂石温度分别为25℃、26℃。
质检员在对原材料情况进行检查测温后，执行配合比开盘。
试验测得混凝土出机温度28℃，坍落度230mm，和易性、流动性良好。
混凝土经45min运输到施工现场，浇注温度28℃、坍落度基本没损失，流动性、可泵性良好。
通过模拟试验，我们掌握了混凝土生产的实际情况，同时试验所得数据，验证了我们的技术准备工作和理论计算结果。
4.混凝土生产及施工情况
C区转换层混凝土定于9月4日早晨开始浇注。
9月4日天气阴，最高气温26℃。
早7点混凝土准时开盘，测得混凝土出机温度26℃，坍落度220mm，流动性良好，检验合格后出场。
为保证混凝土浇注温度，我们要求生产调度合理安排发车间隔，尽量避免混凝土等候时间。
要求施工方在混凝土浇注前用湿麻袋覆盖泵管，浇注过程中经常喷洒冷水对泵管进行降温。
如果出现混凝土到现场后不能及时浇注的情况，施工方应对运输车喷洒冷水，防止混凝土温度升高。
我们在现场安排技术人员对混凝土进行测温，由于整个生产过程控温措施做得好，混凝土浇注温度始终控制在26~28℃之间。
施工现场设置两台泵同时浇注，采用斜面分层的方法，由远及近，一个坡度，顺序推进，一次浇注到位，这种浇注方式可以使混凝土的暴露面减至最小。
为保证混凝土振捣密实，振捣器应做到快插慢拔，插点均匀排列，振捣时间控制在20-30s，避免混凝土漏振、过振。
经过大家的通力协作，整个施工过程中，混凝土质量稳定，泵送顺利，C区转换层2019m3C60混凝土在40h内浇注完毕。
5.混凝土测温及养护
施工方针对高强大体积混凝土，制定了施工技术方案。
合理设置测温孔，进行混凝土测温，测温采用便携式建筑电子测温仪。
为使测温全面，A区设23个测温孔，C区设20个测温孔。
混凝土浇注后，温度上升阶段每隔2h进行一次测温，温度下降阶段每隔8h进行一次测温。
在混凝土表面温度与大气温度差在15℃内，混凝土强度达到85%以上时，停止测温工作。
混凝土浇注后应采取有效的养护方式进行养护，养护是获得优质混凝土的关键工艺之一，是保证混凝土强度发展和控制裂缝的有效手段。
为了确保混凝土内部温度梯度以及内外温差小于25℃，首先应对模板进行保温，梁的侧帮采用先包裹两层塑料布，然后用草帘对梁侧帮进行保温。
由于梁底采用满铺木方的方法，不再进行保温。
浇注到标高后的混凝土，对混凝土进行抹面后，应随模随在其表面覆盖塑料布等。
混凝土全部浇注完毕后，分区筑坝蓄水养护（仍覆盖塑料布），蓄水时要均匀放水，避免混凝土表面温度起伏过大，蓄水深度30cm，并在14天内保持湿润状态。
养护期间根据测温情况对混凝土养护措施进行调整，养护过程中要防止温度骤变，避免暴晒、风吹和暴雨浇淋，在气温变化较大的夜晚，最好用保温材料加以保暖，以保证混凝土内外温差小于25℃。
停止养护时也要逐渐干燥，以避免裂缝的发生。
6.混凝土温度实际监测记录数据分析
图表1C区转换层混凝土温度实际测量曲线
从实际测量的混凝土内部温度曲线看，混凝土内部最高温度基本出现在1.25m处，也就是在转换层结构厚度的中心位置。
最高温度在浇注后48h出现，中心温度在最高点维持8h左右即开始降温，从56h以后开始缓慢平稳降温。
温峰值C区为83.9℃，A区82.1℃。
这与我们在浇注前进行的理论计算非常接近，由此可见我们所采取的混凝土温度控制措施对预防混凝土裂缝是有效的，混凝土裂缝得到了很好的控制。
7.混凝土强度数据分析
混凝土强度增长与养护条件密切相关，在转换层混凝土施工中，我们采取三种不同的养护方式，即标准养护、同条件养护、温度匹配养护，对混凝土强度进行检测。
通常情况下我们以标准养护，即在20±3℃，相对湿度大于90%的标养室中养护或与现场构件所在位置的自然环境中同条件养护试件来评价混凝土的强度。
但混凝土在结构中所处的环境温度与标养室和外部环境相差很大，为了研究混凝土在结构温度条件下的强度发展规律，了解混凝土结构内部温度对混凝土强度发展的影响，我们同时采用了温度匹配养护。
利用混凝土养护箱的温度控制器，调节养护水温度与施工现场所测混凝土结构内部温度一致。
从混凝土抗压强度试验结果可以看出混凝土在结构内部较高温度条件下，强度发展比标准养护或同条件养护下要快的多，并很快达到设计强度。
但后期增长缓慢，或停止增长。
混凝土在结构内部强度的发展规律与标准或同条件养护时是不一样的，应该说温度匹配养护更能直观地反映结构中混凝土强度的发展规律。
图表3转换层混凝土不同养护方式各龄期强度发展曲线
8.现场观察裂缝情况
转换层在浇注到标高抹面后，即覆盖塑料布，蓄水养护。
根据测温记录，A区、C区分别在14天后拆除侧模板，认真观察后未发现可见裂缝，侧模拆除后仍用塑料布和草帘覆盖保温。
A区、C区底部支撑及模板拆除较晚，在拆除底模后没有发现可见裂缝。
转换层外观几乎没有任何缺陷，应该说我们所采取的裂缝控制措施是非常有效的，这在高强大体积混凝土浇注方面是一次新的突破。
9.结束语
在高强大体积混凝土工程施工中，控制混凝土因水泥水化热引起的温升、混凝土浇注后的内外温差及降温速度，防止混凝土出现有害的温度裂缝是施工技术的关键问题。
要控制高强大体积混凝土内部温升、内外温差，应从设计、原材料、配合比和施工工艺等几个方面采取措施。
对于高强大体积混凝土来说，应尽可能减少水泥用量，使用矿物掺和料。
不仅可以降低水泥水化热引起的温升，对控制裂缝有好处，而且使混凝土达到高强高性能，低水泥用量配制高强混凝土是高技术水平的标志。
在高温条件下，大体积混凝土不易散热，造成混凝土内部温度高，且持续时间长。
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。
用预先冷却拌合水的方法搅拌混凝土，从生产工艺上简单易行，对降低混凝土浇注温度非常有效。
高效超缓凝减水剂的使用，延长了混凝土的凝结时间，使施工顺利进行，同时延缓了水泥水化放热高峰。
采取在混凝土表面蓄水的方式养护，可以推迟混凝土内部水化热的散失，从而控制混凝土表面温度与内部温度差，使混凝土具有较高的抵抗温度变形能力，达到控制混凝土裂缝的目的。
高强大体积混凝土在确定施工配合比后，应在工程施工前对混凝土温度、温度应力等进行验算，确定施工阶段混凝土升温峰值、内外温差等控制指标，以制订控温技术措施，防止混凝土有害温度裂缝的发生。
我们在转换层混凝土施工前的抗裂理论计算与实际情况很接近，说明我们的技术路线和试验研究工作是正确的，施工过程的温控措施有效。
在该工程中我们首次采用了温度匹配养护，这对于我们进一步研究大体积混凝土在内部温度情况下的强度发展规律是非常有帮助的。
同时积累了一些数据，对今后大体积混凝土的生产中具有指导作用。
嘉裕苑首层转换层混凝土浇注过程中，混凝土表现为高流动性、高稳定性，并非常好地控制了混凝土的内部温升。
结构在拆除模板后未出现可见裂缝，设计龄期90d，混凝土平均抗压强度为设计强度的120%。
从混凝土的强度发展和裂缝控制来看，这次嘉裕苑A、C区首层转换层C60大体积混凝土的生产，可以说非常成功，创下一项混凝土生产和浇注的新纪录。
参考文献：
1.冯乃谦主编.实用混凝土大全.北京：
科学出版社，2001.2
2.江正荣主编.建筑施工计算手册.北京：
中国建筑工业出版社，2001.7
3.王铁梦主编.工程结构裂缝控制.北京：
中国建筑工业出版社，1997.
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