中国水利水电第五工程局有限公司
摘要:大体积混凝土施工中,结构裂缝是常见的质量缺陷。为了进一步提高大体积混凝土的施工质量,文章以蜀山泵站枢纽工程为背景案例,从钢筋制安、模板安装、预埋件施工、混凝土浇捣与养护5个环节,介绍了底板大体积混凝土的施工方法;同时采取温控与防裂技术措施,包括优化混凝土配合比、混凝土温度控制、布设冷却水管、现场温控监测等。结果显示,底板混凝土结构内外温差、抗裂安全系数均满足控制要求,能有效防止结构裂缝产生,该温控与防裂技术措施可在类似工程中推广应用。
关键词:蜀山泵站;大体积混凝土;施工方法;温控防裂
大体积混凝土施工一直是土建工程领域的一个重难点,在水泥水化热的影响下,混凝土凝固过程中很容易出现温差裂缝,进而降低了结构强度和承载力,影响整个建筑物的使用性能[1]。文章结合笔者实践,综合分析泵站大体积混凝土的施工特点和要求,提出温控与防裂技术措施,为同业人员提供参考。
1.工程概况
以蜀山泵站枢纽工程为例,由引水泵站、船闸、泄水闸、向阳跌水涵、连接渠道及两岸防洪堤等建筑物组成。泵站设计流量340 m3/s,其中设计引水流量290 m3/s,船闸运行补水流量25 m3/s,预留远期复线船闸运行耗水量25 m3/s。该泵站工程为Ⅰ等,工程规模为大⑴型,进水闸、前池等主要建筑物级别为1级,次要建筑物级别为3级,临时建筑物为4级,平面布置见图1。
图1 蜀山泵站水利部分平面布置图
对整个泵站的大体积进行划分,主要包括泵站站身的底板混凝土,控制段底板混凝土,进水闸底板混凝土,泵站进出水流道混凝土,控制段闸墩混凝土, 进水闸闸墩混凝土等,工程量见表1。
表1 泵站大体积混凝土主要工程量
序号 | 项目名称 | 混凝土量(m3) | 钢筋量(t) |
1 | 站身 | 85683 | 8179 |
2 | 控制段 | 36538 | 2250 |
3 | 前池 | 12553 | 1011 |
4 | 进水闸 | 16230 | 1358 |
2.蜀山泵站大体积混凝土的施工方法
进水闸闸墩、泵站及控制闸闸墩混凝土施工时,自两岸向中间两个作业班组同时施工,进行分仓、分块浇筑。其中,与泵房、挡墙、闸室等大型建筑物相邻部分混凝土,在大型建筑物主体结构施工完成后再浇筑,整体浇筑顺序是站身主体混凝土→控制段混凝土→进水闸混凝土→前池段混凝土。
2.1 工艺流程
以底板为例,大体积混凝土施工工艺流程:基坑开挖至设计高程建基面清理→局部C15混凝土回填→C15混凝土垫层浇筑→钢筋制安→止水、观测设施及预埋件安装→模板安装→大底板混凝土浇筑→养护。见图2。
图2 底板混凝土浇筑示意图
2.2 技术要点
2.2.1 钢筋制安
钢筋加工在钢筋加工场进行制作,严格按照设计图纸下料,加工完毕经检查验收合格后,根据使用部位的不同进行编号、分类,并挂牌堆置在仓库(棚)内。其中,底板、闸墩、进出水流道等常规结构的钢筋,根据每个部位结构尺寸做好钢筋下料表,以减少钢筋接头及材料浪费。加工成型的钢筋,先采用15 t平板汽车运输至施工现场,再采用25 t汽车吊将底板钢筋运送到安装部位。绑扎底板钢筋前,在已浇筑混凝土垫层的基础上设置支撑钢筋,采用人工配合电钻施工,支撑筋入岩20 cm。
2.2.2 模板安装
模板全部均由生产厂家统一加工制作,其中底板模板采用平面模板,1200 mm×1500 mm和9015、6015、3015、1015钢模板配合使用,小型模板调节使用。模板试拼装确保准确无误后,运送至施工部位进行二次拼装,按照施工详图测量放样,重要结构设置必要的控制点,模板安装过程中保持足够的临时固定设施,以防止发生倾覆[2]。模板与混凝土的接触面、各块模板的接缝处要求结合严密,使用双面胶进行封堵,保证混凝土表面的平整度和密实性。
2.2.3 预埋件施工
在混凝土开仓前埋设监测仪器,并做好标记及设备防护工作,对设备及管线使用钢筋加固。一期埋件(管路)埋设与混凝土浇筑同步进行,安装前检查各部件的安装标记,保证结构稳定性,不会出现永久性变形。二期埋件就位调整完毕,与一期预留插筋或锚栓焊接固定,并复测埋件的最终安装精度。
2.2.4 混凝土浇捣
(1)混凝土浇筑。底板大体积混凝土浇筑时,采用台阶法分层浇筑,分层厚度为40~50 cm,铺料方法见图3。底板齿槽部位分两层先浇筑成型,达到设计强度后开展底板浇筑施工。浇筑层厚度为1.0~1.5 m,最大不超过2.0 m,台阶宽度>1.0 m,坡度≤1:2[3]。
图3 大体积混凝土铺料方法示意图
(2)混凝土振捣。底板划分为四个区,每个区安排2名振捣人员,分别配置3台直径为70 mm的插入式振捣器,其中备用2台。振捣上一层时插入下一层5 cm左右,以消除两层之间的接缝,快插慢拔确保振捣均匀密实。另外注意成品保护,模板及预埋件附近使用直径为30 mm的振捣器,避免碰触钢筋、模板和预埋件。
2.2.5 混凝土养护
混凝土浇筑完成,待充分硬化即进行养护,先铺设地膜,再铺设保温被,后铺设厚薄膜保温,并且洒水保持混凝土表面湿润,将内外温差控制在20℃以内,养护时间至少28天。拆模后检查混凝土结构尺寸,按照表2要求控制。
表2 现浇混凝土结构的尺寸控制要求
项次 | 项目 | 规定值或允许偏差 | 检查方法 |
1 | 轴线偏位(mm) | 50 | 经纬仪检测,每200 m测8处 |
2 | 墙面顺直度(mm)或坡度 | 16或符合设计要求 | 20 m拉线、坡度尺检测,每200 m测4处 |
3 | 断面尺寸(mm) | ±16 | 尺量,每200 m测4处 |
3.大体积混凝土施工的温控与防裂技术措施
根据当地气候条件,多年平均气温15~16 ℃,极端最高、最低气温为40.6 ℃、-15.6 ℃,全年日照一般为2000~2200 h。在大体积混凝土施工过程中,为保证混凝土结构质量需采取温控与防裂技术措施,具体如下。
3.1 优化混凝土配合比
优选混凝土原材料,并对混凝土配合比进行优化,是为了降低入模温度,减小混凝土的绝热温升,增强抗拉强度、极限拉伸变形能力。(1)水泥水化过程中释放大量热量,当与外部环境温度相差20 ℃时,混凝土表面会形成裂缝[4]。对此,本工程选用地水化热的普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)。(2)在满足设计施工要求的前提内,掺加适量粉煤灰有利于提高混凝土的抗裂性能,本工程选用Ⅱ级粉煤灰。(3)高效聚羧酸减水剂具有减水、引气、缓凝效果,可延缓水化热的峰值期,改善混凝土的和易性,降低水灰比以减少水化热,本工程选用高性能缓凝型减水剂。(4)粗细骨料选择粒径大、强度高、级配好、热膨胀系数低、吸水率低的优质骨料,能减小空隙率、表面积等指标,降低水泥用量和水化热,从而预防混凝土开裂。(5)大体积混凝土的浇筑方量多、作业面大、持续时间长,新拌混凝土应具有较长的初凝、终凝时间,坍落度的经时损失值要小,在混凝土配合比设计中,选择5-20 mm、20-40 mm的二级配骨料,掺用高性能缓凝型减水剂,将塌落度控制在70-90 mm之间,配合布料机入仓方式进行现场浇筑。
3.2 混凝土温度控制
根据《大体积混凝土施工标准》(GB50496-2018),要求大体积混凝土施工时,高温季节最高浇筑温度不超过30℃,冬季浇筑温度不宜低于5℃[5]。为满足这一要求,采取的温控措施包括:(1)混凝土浇筑前,通过测量水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度估算浇筑温度,若浇筑温度不符合控制要求,就对出机口温度进行控制。例如:散装水泥预先入罐,待水泥温度降到自然温度后再使用;砂石骨料仓搭设遮阳棚,配合喷雾系统降温预冷,上料时先取底层骨料使用;混凝土拌和时加冰水或冷水,或在搅拌站增设一次风冷系统。(2)为降低混凝土的入仓温度,合理安排浇筑时间,避免模板和新浇筑混凝土受阳光直射,仓面采取雾炮喷雾或洒水措施降温。优选混凝土运输路线,缩短运输时间,必要时在搅拌罐外包裹一层毛毡降温,或用水管向运输罐表面淋水降温。合理安排运输车辆,混凝土随要随拌,避免因“压车”现象导致混凝土在运输过程中温度升高。当气温高于入仓温度时,加快运输和入仓速度,并在模板外侧进行覆盖洒水降温。
3.3 布设冷却水管
使用Midas FEA软件建模,计算大体积混凝土需埋设冷却循环水管的施工部位,见表3。根据计算结果推导得出,冬季施工时混凝土内部最高温度<60℃,内外温差<25℃。
表3 埋设冷却循环水管的施工部位
构件 | 内外温差是否<25℃ | 表面抗裂安全系数是否>1.4 | 内部抗裂安全系数是否>1.4 | 是否增设冷却循环水管 |
底板(厚2m) | 否 | 是 | 否 | 是 |
进水流道 | 否 | 否 | 否 | 是 |
出水流道 | 否 | 否 | 否 | 是 |
闸墩(厚4 m) | 否 | 是 | 否 | 是 |
在混凝土结构内埋设冷却循环水管控制温度,冷却水管材质选用直径32 mm的钢管,壁厚1.2 mm,水管水平间距为1.5 m,距离混凝土边缘1 m。以底板部位为例,冷却水管布置见图4。冷却水管使用前进行压水试验,防止管道漏水或阻水,当混凝土浇筑到各层冷却水管标高后开始通水,水流速率达到0.65 m/s以上。通水过程中,通水温度控制为22 ℃,将水化热引起的温差控制在25 ℃以内,流量控制为14-20 L/min。为保证水流通畅,每层设置2台水泵,其中一台备用,通水结束后向管道内灌注微膨胀水泥。
图4 底板部位冷却水管布置示意图
3.4 现场温控监测
大体积混凝土浇筑后,水化放热时加大通水流量、降低通水温度,以加强散热效果;处于降温阶段则采取覆盖措施,以减缓降温速率;若突然遇到大风降温天气,侧壁利用模板保温,上表面采用塑料布+保温棉被保温保湿。为准确掌握混凝土结构的温度变化,选取典型构件埋设温控监测仪器,确定温控施工措施及相关参数,以指导工程施工。主要仪器选用SZWT-18型智能测温仪,PN结温度传感器,其中智能测温仪可手动测点温度,具有数据记录、数据掉电保护、历史记录查询、实时显示、数据报表处理等功能[6]。
以底板结构为例,根据结构的对称性和温度变化的一般规律,共设置3个观测点,1#位于底板中心,2#位于靠近冷却水管部位,3#位于混凝土表面,见图5。温度传感器设置在每层混凝土接近中心线上,能代表整个混凝土断面的最高温度分布情况。温控监测流程:仪器率定→连接电缆→预埋传感器→电缆保护→安装玻仪器→实时监测→数据整理→提交成果。混凝土浇筑后立即开展监测作业,连续不断进行,监测频率在峰值前每2 h监测一次,峰值后每4 h监测一次;随着温差变化逐渐减小,改为每天测2次,直到内外温差<20℃;当温度变化基本稳定后,即可停止观测。
图5 底板温控监测点布设示意图
4.温控与防裂效果评价
4.1 内外温差
大体积混凝土结构内外温差计算公式:
(式1)
式中,、
表示同一时刻大体积混凝土的内部温度、外部温度。以底板混凝土为例,观测结果显示浇注温度为16.3℃,内外温差为13.2℃,满足内外温差<25℃的控制要求。
4.2 抗裂安全系数
大体积混凝土结构的抗裂安全系数计算公式:
(式1)
式中,表示混凝土的抗裂承载力,
表示荷载作用下混凝土的剪力。以底板混凝土为例,计算结果显示表面、内部抗裂安全系数分别是1.71和1.64,满足>1.4的控制要求。
5.结语
综上所述,泵站工程建设中,大体积混凝土施工是一个重要环节。本次研究得出以下结论:(1)针对泵站大体积混凝土结构,制定完善可行的施工方案,严格控制每一道工序,是保证大体积混凝土施工质量的基础手段。(2)混凝土浇筑作业中,通过优化混凝土配合比、混凝土温度控制、布设冷却水管、现场温控监测等,能显著减小混凝土结构的内外温差,提高抗裂安全系数,实现预期温控与防裂目标。
参考文献:
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[3] 马己安,张鑫华.水利工程中大体积混凝土温控防裂措施研究[J].科技资讯,2023,21(16):158-161.
[4] 陈佳培,任磊,郭九春.大体积混凝土分期通水冷却技术研究与应用[J].水利建设与管理,2023,43(7):6-12.
[5] 赵飞,方禹.水工结构大体积混凝土温度监测及浇筑施工技术分析[J].工程与建设,2023,37(2):739-742,775.
[6] 岳立宇,李聪,李增辉.大体积碾压混凝土水冷管布设有限元分析比选[J].水利建设与管理,2023,43(5):48-52.