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补偿收缩混凝土在地下空间工程的技术应用

  • 时间:2015-12-22 14:10:51        浏览量:        作者:...
    摘要:本文介绍了微膨胀补偿收缩混凝土在长春中央商务区地下空间工程的技术应用,通过在普通水泥混凝土中适量掺加混凝土膨胀剂,通过水化作用产生限制膨胀率抵消部分混凝土所产生的收缩,其膨胀晶体随着水化作用不断填充混凝土空隙,提高了混凝土自身抗渗能力,其膨胀作用在结构的限制钢筋等临位限制条件下建立自应力,大大提高了混凝土自身的抗裂能力,利用混凝土中膨胀能的变化,通过设置膨胀加强带可连续或间歇浇注混凝土,取代后浇带施工,加快施工进度。
 
1、工程概况:
    长春南部都市经济技术开发区中央商务区地下 空间工程开发用地范围成十字形,东西万向最大长度 为364m,最小长度为97.46m;南北万向最大长度为 342.9m,最小长度为52.8m,属大型超长结构。人民大 街南端与规划光明路十字路口的人民大街高速段内。
    本工程设计范围包含地铁1号线中央商务区站,人 民大街下穿道、远期地铁6号线部分车站区间结构以及环 岛内的地下商业开发。地下空间开发为三层结构,1号线 和6号线在平面上呈“下”型换乘,地铁1号线车站全长 342.9m,一期建筑面积为144493 m2。本站采用明挖顺筑 法施工,采用桩基与筏板相结合基础,底板厚度为1m, 中板0.4m, 0.7m,墙板为0.75m,全部为现浇混凝土。 总混凝土万量约为30万m³。

2、补偿收缩混凝土应用背景:
      为克服混凝土收缩引起开裂,传统解决万法是后浇带将整个结构采用分开成若干块,先将带外的混凝土浇注完成,待混凝土收缩完成后再对后浇带进行填充,待施做完中心岛进行外围土万开挖时,需楼板处混凝土养护28d后万可进行钢支撑架设,工期滞后,这种万法混凝土整体性和耐久性差,隐患多,施工工艺繁琐,施工工期长(工期紧),综合成本高。
    根据测算采用膨胀剂配制补偿收缩混凝土应用于本项目,如果按传统的设计万案,该工程会留出多条后浇带施工,后浇带的施做影响工期70d左右,而且后浇带的凿毛、清理、灌缝非常麻烦,质量难以保证,极易发生渗漏,据统计80%以上渗漏出于后浇缝。采用微膨胀补偿收缩混凝土可以减少或取消后浇带(有沉降功能后浇缝除外),超长施工,可减少后浇缝带来的隐患,在确保质量的前提下,简化设计施工提高混凝土的整体性,大大加快施工速度。
 
3、结构、配合比及膨胀剂参数:
    见表2、表3、表4。
表1车站主体结构构件尺寸表
表1车站主体结构构件尺寸表
表2 C40混凝土配比
表2 C40混凝土配比
参数:强度等级:C40 P10;水胶比:0.31;水灰比:0.38;砂率:34%
说明:依据G13/T50082-2009,改配比抗渗性能符合要求。膨胀率水中14d 0.028%,空气中28d一(0.017%。外加剂(1)为高性能减水剂,(2)为13M膨胀剂。
表3 C45混凝土配比
表3 C45混凝土配比
*参数:强度等级:C45 P10;水胶比:0.30;水灰比:0.36;砂率:35%
*说明:依据G13/T50082-2009,改配比抗渗性能符合要求。膨胀率水中14d 0.032%,空气中28d一(0.014%。外加剂((1)为高性能减水剂,(2)为13M膨胀剂。
表4膨胀剂试验结果
表4膨胀剂试验结果
 
4、施工布署:
    本站主体结构为现浇钢筋混凝土地下三层结构,总 体以先中心岛后周圈主体结构施工的施工步骤将一区中 岛区域划分25个流水段,二区外围区域划分28个流 水段进行施工。混凝土浇筑采用膨胀加强带施工,中心岛 区域共分25个流水段作业共计13条,南北向的纵向设 置一条通长膨胀加强带共计304m,中心区域(纵向)2条 101 m膨胀加强带,东西侧的横向设置10条膨胀加强带, 最长140m,最短62 m;周圈区域共分28个流水段共计 28条,膨胀加强带长度16.5至21m。膨胀加强带总长度 16500m。详见主体结构施工区段划分即膨胀加强带设置 见图1。
 
5、补偿收缩混凝土(微膨胀)工作原理:
    在普通水泥混凝土中适量掺加混凝土膨胀剂与水泥中组分发生反应而生成钙矶石,把混凝土中的一部分自由水变成结晶水,固体形式赋存于混凝土中并使其产生1.5一2.5/万的限制膨胀率,产生自应力,这一膨胀率可大致抵消由于混凝土内外温差15一250C所产生的收缩,同时配合一些掺合料和缓凝型减水剂延迟水化热放热时间等措施施工,从而提高混凝土工程抗裂性和不透水性采取补偿收缩混凝土(微膨胀)的基础上,利用混凝土中膨胀能的变化,通过设置膨胀加强带万法可连续或间歇浇注混凝土,达到无缝施工的目的。
      1)混凝土施工准备
      为了确保浇筑连续进行,对每次浇灌混凝土的用量计算准确,对所有机具进行检查和试运转,对备品备件和现场发电机有专人管理和值班,保证人力、机械、材料均能满足浇筑速度的要求。
    对模板及其支架进行检查。应确保尺寸正确,强度、刚度、稳定性及严密性均满足要求。对模板内杂物应进行清除,在浇筑前同时应对木模板浇水,以免木模板吸收混凝土中的水分。模板工程应经监理验收合格。
图1中央商务区流水段施工示意图
图1中央商务区流水段施工示意图
    2)混凝土运输
    泵送要连续进行,如输送泵发生故障,立即改用备用输送泵运输,保证浇筑不停止。输送泵间歇超过45min要立刻拆管,用水冲冼管内残留混凝土。输送过程中泵的受料斗内要有足够的混凝土,保证混凝土能淹盖输送孔,防止吸入空气产生阻塞。
    运输过程中的温度控制
    本工程主体结构构件尺寸较大,充分考虑到了浇灌混凝土时因构件内外温差较大而带来的不利影响,并采取相应措施降低水化热升温、降低混凝土温度!
    (1)混凝土配料中掺加粉煤灰以减少水泥用量和降低水化热。通过掺加粉煤灰可以减少水泥用量15%-20%,是降低水化热升温使底板顺利施工最有效的安全保障。
    (2)混凝土配料中使用高效外加剂。连同粉煤灰的使用,可使每立万米混凝土的水泥用量有效降低。
    (3)在混凝土运输工序中,应控制混凝土运至浇筑地点后,不离析、不分层、组成成分不发生变化,并能保证施工所必须的坍落度以及和易性、粘聚性、保水性等。
    3)混凝土浇筑
    (1)混凝土浇筑理论计算
    混凝土泵的实际平均输出量,可根据混凝土泵的最大输出量、配管情况和作业效率,按下式计算:
    Q,=Q max an
    式中!Q1一每台混凝土泵的实际平均输出量(m3/h);
    Qmax-每台混凝土泵的最大输出量(m3/h) ;
      a一配管条件系数,可取0.8一0.9 ;
      n一作业效率,根据混凝土搅拌运输车向混凝土泵供料的间断时间、拆装混凝土输出管和布料停歇等情况,可取0.5一0.7 。
    根据现场实际情况预估同时浇筑最大量,需要四台泵车,计算每台泵车的每台混凝土泵的实际平均输出量(m3/h):
    拟定泵车型号H BT90.13.130RS最大输出量88m3/h
    平均输出量55.44 ( m³/h )
    商混罐车理论运输车辆计算,当混凝土泵连续作业时,每台混凝土泵所需配备的混凝土搅拌运输车台数,可按下式计算:
混凝土计算公式
    式中N-混凝土搅拌运输车台数(台);
    Q一每台混凝土泵的实际平均输出量(m3/h) ;
    V一每台混凝土搅拌运输车的容量(m3) ;
    S-混凝土搅拌运输车平均行车速度((km/h) ;
    L-混凝土搅拌运输车往返距离((km) ;
    Tt一每台混凝土搅拌运输车总计停歇时间((h)0/往返时lad (80分钟)浇筑时lei 13mino
    拟定混凝土车辆!
    88除以12x(80除以53+1 .5)=12.4辆
    (2)测温点的布置与监测
    混凝土浇筑时,在中间部位及边缘预留测温孔,检查水泥凝结过程中的水化热及散热情况。测温孔根据测温平面布置图埋设,每流水段共设置9个测温孔。每个测温孔埋设3根PVC塑料管,底部封死,间距各为100mm呈三角形布置的一组测温管,底板测温管深度为上、中、下布置;测温孔上端内塞满棉丝,测温前在预留孔内灌满水,温度计在孔中测温时间不少于3min,读数与混凝土表面温差不得大于250C,避免产生温度应力裂缝,如温差大于25℃时,做好混凝土养护工作。在混凝土温度上升阶段(前3d)每2-4h测一次,温度下降阶段((4}7d)每4h测一次,后一周每6h测一次,同时测大气温度,做好测温记录。
    (3)混凝土浇筑采用平行分层法浇筑施工
    混凝土浇筑顺序!先浇筑梁底再浇筑板位置由一个万向平行分层浇筑,每层厚度为300-500mm。大体积混凝土浇筑面应及时进行二次抹压处理。混凝土振捣采用插入式振捣器,做到快插慢拔。振捣上层混凝土时应插入下层混凝土面5cm,以消除两层间的接缝,层间最长的间歇时间不应大于混凝土的初凝时间,在振捣过程中将振捣棒上下略微抽动,以使上下振捣均匀,每插点要掌握好振捣时间,过短不宜振实,过长可能引起混凝土的离析,振捣保持在20-30S之间,高频不少于10s,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,混凝土浇筑过程中,专人检查钢筋、模板、钢边止水带、收口网等部位,如果偏移及时上报,及时处理调整,严禁不经处理继续浇筑。
      (4)混凝土表面压实
    混凝土浇筑完毕、表面泌水已处理,经刮杠刮平后用木模压实,二次振捣用振捣棒滚动振捣,表面用木抹压实,收面过程使用木跳板。
    (5)混凝土的养护
    混凝土强度达到75%时万可进行梁模板拆底工作;平均气温连续5d稳定低于5°C即进入冬期施工,构件拆模时间应延迟至7d以上,表层不得直接洒水,采用塑料薄膜保水,薄膜上部再覆盖双层保温被保温。
 
6、补偿收缩混凝土应力计算及膨胀带做法:
表5限制膨胀率的设计取值
表5限制膨胀率的设计取值
    限制膨胀率宜适当增大:
    强度大于等于C50的混凝土,限制膨胀率宜提高一个等级;
    结构总长度大于120m ;
    1)从收缩应力角度对超长无缝施工裂渗控制进行分析
    整体式基础,箱形基础的底板,车间混凝土的地面等,其特点是厚度(或高度)日远小于长宽尺寸匕,当日/L<0.2时板在温度收缩变形作用下离开端部区域板的全截面受拉应力较均匀。在地基约束下,将出现水平法向应力ax。从工程实践可知,ax是设计主要控制应力,是引起垂直裂缝的主要应力,其最大值a max出现在板截面的中点X=0处,详见图2长墙或底板的主要应力图。
图2长墙或底板的主要应力图
图2长墙或底板的主要应力图
    当a max超过混凝土的抗拉强度(Rt),板中部出现第一条垂直裂缝;开裂后,每块板的水平应力重新分布,最大应力ax’出现在每块板的中部,当ax'  >Rt,又形成第二批裂缝,详见图3应力与裂缝的分布示意图。这种裂缝的有序排列经常在工程中见到。为防止这种有序裂缝的出现,工程中靠设置后浇带来释放收缩应力。这是控制裂缝的主要措施之一。
图3应力与裂缝的分布示意图
图3应力与裂缝的分布示意图
计算公式
      从上式可见ac与。2成正比关系而限制膨胀率随膨胀剂的掺量增加而增加所以我们可以通过调整膨胀剂的掺量可使混凝土获得不同的预压应力。根据水平法向应力曲线,我们设想在a max处给予较大的膨胀应力ac,而在两侧给予较小的膨胀应力,详见图4膨胀应力ac补偿收缩应力a max示意图,以便结构的收缩应力得到大小适宜的补偿,从而控制有序裂缝的出现。
图4膨胀应力6c补偿收缩应力q max示意图
图4膨胀应力6c补偿收缩应力q max示意图
    在工程中,如何实现上图的收缩补偿应力曲线呢,参考图5的示意图。
图5膨胀加强带示意图
图5膨胀加强带示意图
    在收缩应力集中的a max处,设膨胀加强带,其宽度2m,带两侧架设密孔铁丝网,目的是为防止两侧混凝土流入加强带;施工时优先采用间歇式膨胀加强带。
      2)膨胀加强带具体做法
    采用补偿收缩混凝土(微膨胀)后,膨胀加强带的示意图,结合整个结构的施工区域划分。膨胀加强带设置位置一般为原后浇带位置,带与带或带与边缘距离应在30~40m。墙(顶)板膨胀加强带位置与底板加强带位置相对应。
      (1)本工程底板、中板、顶板采用间歇式膨胀加强带,带宽2000mm,在膨胀带两侧设置一层孔径5mm x 5mm的钢丝网,并于100mm设一根竖向16mm的钢筋予以加固,其上下均留出不小于2.5cm混凝土保护层,钢丝与钢丝网、上下水平钢筋及竖向加固筋须绑扎或焊接牢固。
图6膨胀加强带示意图
图6膨胀加强带示意图
(2)带内增设水平温度钢筋(顶、底板采用28@300中楼板采用16@300),均匀布置在上下层(或内外层)钢筋上,水平温度钢筋垂直于膨胀加强带长度万向进行分布,两端各伸出膨胀加强带2.0m,并固定在内侧钢筋上。
    (3)板内采用040微膨胀混凝土,带内采用C45膨胀混凝土。
    3)计算结果
    采用微膨胀补偿收缩混凝土的收缩拉应力不会超过混凝土的极限拉伸值,最终可以连续超长施工,得到很好的抗裂、抗渗性能。