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一、混凝土裂缝产生的原因分析
混凝土结构的裂缝分为两大类,第一类是由荷载引起的裂缝,第二类是由变形变化引起的裂缝;第一类裂缝在建筑物结构设计中已经考虑,不是施工过程控制的重点,在施工中应该着重控制由于温度、收缩、徐变等原因引起的变形裂缝。
温度收缩裂缝是混凝土内部约束和外部约束引起的,对大体积混凝土更是如此。混凝土浇筑后水泥水化热量大,混凝土内部温度高,在降温阶段块体收缩,由于地基或结构的其他部分的约束,会产生很大的温度应力,这些应力一旦超过混凝土当时龄期的抗拉强度,就会产生裂缝;对于较厚的混凝土块体,由于表面散热快,温度较低,内外温差产生表面拉应力,还会产生表面裂缝。
二、控制裂缝产生的措施
2.1 原材料的选用
2.1.1 水泥
本工程选用水泥为P.Ⅱ型水泥,其水化热控制在3天≤251kJ/kg,7天≤293kJ/kg。
水泥质量稳定,各项性能指标均符合规范要求,严禁使用过期水泥,对质量有怀疑的水泥须经检验合格方可使用。
2.1.2 骨料
选用结构致密、强度足够、清洁不含杂质的骨料,粒径和级配应满足规范要求并严格控制含泥量。其中细骨料(机制砂)的泥块含量<0.25%,石粉含量<6%;粗骨料(碎石)泥块含量<0.25%,泥含量<1.0%。骨料采用级配5~20mm,16~31.5mm 连续
级配碎石,0.16~5mm 的机制砂。2.1.3 水
用饮用水拌和。
2.1.4 外加剂
外加剂选用JM-8型缓凝泵送减水剂,操作时应注意掺和顺序,掺和应准确并搅拌均匀。
2.1.5 混合料
选用Ⅰ级优质粉煤灰。适量掺入粉煤灰,减少了水泥用量,降低了水化热,降低混凝土绝热温升,延迟了水化热释放的速度。同时粉煤灰的加入也改善了混凝土和易性和施工性能以及耐久性能,抑制碱骨料反应,提高抗硫酸盐腐蚀性能。
2.2 施工中采取的措施
在混凝土浇筑前,根据施工采取的防裂措施和已知的施工条件,计算混凝土的水泥水化绝对温升,估算可能产生的最大温度收缩应力,与各龄期的混凝土抗拉强度对比,根据对比结果,确定已经采取的措施是否满足防裂要求,如果不满足,必须采取调整混凝土入模温度、降低水化热温升值、降低内外温差、改善施工操作工艺等技术措施重新计算,直至计算应力在允许范围内为止。
2.2.1 混凝土入模温度控制
(1)对混凝土原材料进行预冷却,以降低浇筑温度从而降低混凝土内部最高温度,缩小内外温差,防止裂缝的产生。预冷却措施如下:
———加大水泥、粉煤灰贮罐的容量,出厂后的水泥在贮罐中存放应不少于一周;
———砂石在料棚中储存,避免阳光曝晒,加强通风,粗细骨料在砂石料棚储存时间不少于一周,砂的储存时间应适当延长;
———拌和水以制冷水机组冷却。
(2)混凝土运输,采取了给搅拌车转筒外加保温套,混凝土泵送管用草袋包裹,并不断浇水的方法。
2.2.2 分层、分段施工
对于基础底板、大型设备基础,除汽轮机基础要求必须一次性浇筑完成以外,其他均分段施工,厚度很大的基础,分层、分段进行施工,以反应堆厂房底板为例,总厚度3000mm,划分为3层6段,第一层厚1000mm,分2段,第二层厚1000mm,分2段,第三层1000mm,分2段;对于连续墙体,也是分段浇筑,高度较高的墙体,采取分层、分段的方法浇筑。现浇混凝土层段达到一定的强度后再施工相邻层段,这样有利于改善约束条件,减少约束范围,同时可利用浇筑块的面进行散热,降低混凝土内部温度,减小内外温差,从而减小温度应力,减少混凝土裂缝。
2.2.3 混凝土浇筑
2.2.3.1 需薄层连续浇筑
根据混凝土的浇筑速度及浇筑面积,布置泵管、布料机数量,保证混凝土的布料厚度要控制在50cm 以内,自由倾落高度控制在1.7~2.0m 以内,以防止混凝土离析。这种方法,一是便于振捣,易于保证混凝土的浇筑质量,二是可利用层面散热,降低混凝土内部温升。
2.2.3.2 混凝土泌水及表面处理
混凝土在浇筑、振捣过程中,易产生泌水和浮浆,采用泵送混凝土时,这一现象更为严重,如不进行处理,对混凝土的密实性和结构的整体性是非常有害的。解决办法之一是,在四周侧模底部开设排水孔,使多余的水分从孔中自然排走,与此同时,在混凝土下料方法上作适当改进,即在下料时,使中间的混凝土略高于四周边缘混凝土,经过振捣后,混凝土中多余的水分比较容易从侧模的预留孔中排走,方法之二是,当混凝土下料到靠近端头时,混凝土的浇筑方法作适当改变,即从侧模的端头开始下料和浇筑混凝土,形成与原浇筑方向相反的斜坡,逐渐推进,与原斜坡相交成积水坑,随后用专门的水泵抽水。
浇筑混凝土的收头处理也是减少表面收缩裂缝的重要措施。因此在混凝土浇筑后,再用木蟹打磨压实,底板混凝土表面初凝前进行二次振捣,终凝前用铁滚压实。
2.2.3.3 施工缝处理
对于分层分段的施工缝处理必须达到规范的要求,如果处理不当就会形成人为的“裂缝”,失去了对大体积混凝土裂缝控制的目的。
2.2.4 混凝土养护
2.2.4.1 混凝土浇筑后,根据施工前计算条件中确定的防裂措施进行养护在养护过程中,及时监测混凝土表面、内部温度,并绘制温度升降曲线,分别计算各降温阶段的混凝土温度收缩应力,如果出现累计总拉应力超过该阶段的混凝土抗拉强度,采取加强养护、保温等措施,使其缓慢降温和收缩,控制裂缝出现。
2.2.4.2 温度控制及监测
测点的具体布设方案:根据混凝土的分层分段,测温点的埋设要有代表性,能全面反应混凝土内温度场的变化情况。每个测点分别在上部、中部、下部三个不同高度处各设一点,另外,在保温层外布置一点,以测大气温度,混凝土表面与保温层下设一点,测量环境温度。测温元件在预埋前要进行筛选,并将其装入钢筋保护笼内,电缆线连接引到指定的位置,具体位置由测试人员根据现场实际情况来定。
测温元件的埋设及测温记录等工作必须由经过培训的专职人员进行。根据混凝土中水化热的释放情况,最初7天每小时测温一次,8~14天每2小时测温一次,15~30天每4小时测温一次,31~37天以后,每8小时测温一次。
混凝土浇筑完后的养护必须控制混凝土中心温度与表面温度、表面温度与环境温度相差小于25℃。
测温的原始记录要及时整理,绘制温度升降曲线以及各阶段的混凝土温度收缩应力,以便及时调整保温养护措施。
2.3 冬季施工措施
1.搅拌站备有热水机组,在气温较低时启用使用热水搅拌,保证混凝土的入模温度不低于5℃;
2.采用JM-Ⅷ冬季型外加剂;
3.加快浇筑速度,防止混凝土产生冷缝,注意周围环境的保温,防止风吹,防止热量过早损失,必要时可建作业保温棚;
4.混凝土运输过程中,装载混凝土的运输车有保温措施;
5.混凝土浇筑完毕后,表面立即采取各种层状材料覆盖,如遇气温骤降时,要特别注意保温材料紧密地固定于混凝土的表面,以形成不透风的围护层。模板外侧覆挂层状保温材料;
6.参考气象预报,尽可能在气温+5℃以上施工。当满足不了气温要求时,应有严格的温度控制措施。
三、结束语
根据设计要求、地区的环境以及施工单位的条件,本核电站的土建施工中,從控制混凝土温升,延缓降温速率,减少混凝土收缩,提高混凝土极限拉伸,改善约束程序和设计构造等方面采取了一系列措施,效果明显，本核电站土建混凝土工程未出现有害裂缝。
混凝土结构的裂缝分为两大类,第一类是由荷载引起的裂缝,第二类是由变形变化引起的裂缝;第一类裂缝在建筑物结构设计中已经考虑,不是施工过程控制的重点,在施工中应该着重控制由于温度、收缩、徐变等原因引起的变形裂缝。
温度收缩裂缝是混凝土内部约束和外部约束引起的,对大体积混凝土更是如此。混凝土浇筑后水泥水化热量大,混凝土内部温度高,在降温阶段块体收缩,由于地基或结构的其他部分的约束,会产生很大的温度应力,这些应力一旦超过混凝土当时龄期的抗拉强度,就会产生裂缝;对于较厚的混凝土块体,由于表面散热快,温度较低,内外温差产生表面拉应力,还会产生表面裂缝。
二、控制裂缝产生的措施
2.1 原材料的选用
2.1.1 水泥
本工程选用水泥为P.Ⅱ型水泥,其水化热控制在3天≤251kJ/kg,7天≤293kJ/kg。
水泥质量稳定,各项性能指标均符合规范要求,严禁使用过期水泥,对质量有怀疑的水泥须经检验合格方可使用。
2.1.2 骨料
选用结构致密、强度足够、清洁不含杂质的骨料,粒径和级配应满足规范要求并严格控制含泥量。其中细骨料(机制砂)的泥块含量<0.25%,石粉含量<6%;粗骨料(碎石)泥块含量<0.25%,泥含量<1.0%。骨料采用级配5~20mm,16~31.5mm 连续
级配碎石,0.16~5mm 的机制砂。2.1.3 水
用饮用水拌和。
2.1.4 外加剂
外加剂选用JM-8型缓凝泵送减水剂,操作时应注意掺和顺序,掺和应准确并搅拌均匀。
2.1.5 混合料
选用Ⅰ级优质粉煤灰。适量掺入粉煤灰,减少了水泥用量,降低了水化热,降低混凝土绝热温升,延迟了水化热释放的速度。同时粉煤灰的加入也改善了混凝土和易性和施工性能以及耐久性能,抑制碱骨料反应,提高抗硫酸盐腐蚀性能。
2.2 施工中采取的措施
在混凝土浇筑前,根据施工采取的防裂措施和已知的施工条件,计算混凝土的水泥水化绝对温升,估算可能产生的最大温度收缩应力,与各龄期的混凝土抗拉强度对比,根据对比结果,确定已经采取的措施是否满足防裂要求,如果不满足,必须采取调整混凝土入模温度、降低水化热温升值、降低内外温差、改善施工操作工艺等技术措施重新计算,直至计算应力在允许范围内为止。
2.2.1 混凝土入模温度控制
(1)对混凝土原材料进行预冷却,以降低浇筑温度从而降低混凝土内部最高温度,缩小内外温差,防止裂缝的产生。预冷却措施如下:
———加大水泥、粉煤灰贮罐的容量,出厂后的水泥在贮罐中存放应不少于一周;
———砂石在料棚中储存,避免阳光曝晒,加强通风,粗细骨料在砂石料棚储存时间不少于一周,砂的储存时间应适当延长;
———拌和水以制冷水机组冷却。
(2)混凝土运输,采取了给搅拌车转筒外加保温套,混凝土泵送管用草袋包裹,并不断浇水的方法。
2.2.2 分层、分段施工
对于基础底板、大型设备基础,除汽轮机基础要求必须一次性浇筑完成以外,其他均分段施工,厚度很大的基础,分层、分段进行施工,以反应堆厂房底板为例,总厚度3000mm,划分为3层6段,第一层厚1000mm,分2段,第二层厚1000mm,分2段,第三层1000mm,分2段;对于连续墙体,也是分段浇筑,高度较高的墙体,采取分层、分段的方法浇筑。现浇混凝土层段达到一定的强度后再施工相邻层段,这样有利于改善约束条件,减少约束范围,同时可利用浇筑块的面进行散热,降低混凝土内部温度,减小内外温差,从而减小温度应力,减少混凝土裂缝。
2.2.3 混凝土浇筑
2.2.3.1 需薄层连续浇筑
根据混凝土的浇筑速度及浇筑面积,布置泵管、布料机数量,保证混凝土的布料厚度要控制在50cm 以内,自由倾落高度控制在1.7~2.0m 以内,以防止混凝土离析。这种方法,一是便于振捣,易于保证混凝土的浇筑质量,二是可利用层面散热,降低混凝土内部温升。
2.2.3.2 混凝土泌水及表面处理
混凝土在浇筑、振捣过程中,易产生泌水和浮浆,采用泵送混凝土时,这一现象更为严重,如不进行处理,对混凝土的密实性和结构的整体性是非常有害的。解决办法之一是,在四周侧模底部开设排水孔,使多余的水分从孔中自然排走,与此同时,在混凝土下料方法上作适当改进,即在下料时,使中间的混凝土略高于四周边缘混凝土,经过振捣后,混凝土中多余的水分比较容易从侧模的预留孔中排走,方法之二是,当混凝土下料到靠近端头时,混凝土的浇筑方法作适当改变,即从侧模的端头开始下料和浇筑混凝土,形成与原浇筑方向相反的斜坡,逐渐推进,与原斜坡相交成积水坑,随后用专门的水泵抽水。
浇筑混凝土的收头处理也是减少表面收缩裂缝的重要措施。因此在混凝土浇筑后,再用木蟹打磨压实,底板混凝土表面初凝前进行二次振捣,终凝前用铁滚压实。
2.2.3.3 施工缝处理
对于分层分段的施工缝处理必须达到规范的要求,如果处理不当就会形成人为的“裂缝”,失去了对大体积混凝土裂缝控制的目的。
2.2.4 混凝土养护
2.2.4.1 混凝土浇筑后,根据施工前计算条件中确定的防裂措施进行养护在养护过程中,及时监测混凝土表面、内部温度,并绘制温度升降曲线,分别计算各降温阶段的混凝土温度收缩应力,如果出现累计总拉应力超过该阶段的混凝土抗拉强度,采取加强养护、保温等措施,使其缓慢降温和收缩,控制裂缝出现。
2.2.4.2 温度控制及监测
测点的具体布设方案:根据混凝土的分层分段,测温点的埋设要有代表性,能全面反应混凝土内温度场的变化情况。每个测点分别在上部、中部、下部三个不同高度处各设一点,另外,在保温层外布置一点,以测大气温度,混凝土表面与保温层下设一点,测量环境温度。测温元件在预埋前要进行筛选,并将其装入钢筋保护笼内,电缆线连接引到指定的位置,具体位置由测试人员根据现场实际情况来定。
测温元件的埋设及测温记录等工作必须由经过培训的专职人员进行。根据混凝土中水化热的释放情况,最初7天每小时测温一次,8~14天每2小时测温一次,15~30天每4小时测温一次,31~37天以后,每8小时测温一次。
混凝土浇筑完后的养护必须控制混凝土中心温度与表面温度、表面温度与环境温度相差小于25℃。
测温的原始记录要及时整理,绘制温度升降曲线以及各阶段的混凝土温度收缩应力,以便及时调整保温养护措施。
2.3 冬季施工措施
1.搅拌站备有热水机组,在气温较低时启用使用热水搅拌,保证混凝土的入模温度不低于5℃;
2.采用JM-Ⅷ冬季型外加剂;
3.加快浇筑速度,防止混凝土产生冷缝,注意周围环境的保温,防止风吹,防止热量过早损失,必要时可建作业保温棚;
4.混凝土运输过程中,装载混凝土的运输车有保温措施;
5.混凝土浇筑完毕后,表面立即采取各种层状材料覆盖,如遇气温骤降时,要特别注意保温材料紧密地固定于混凝土的表面,以形成不透风的围护层。模板外侧覆挂层状保温材料;
6.参考气象预报,尽可能在气温+5℃以上施工。当满足不了气温要求时,应有严格的温度控制措施。
三、结束语
根据设计要求、地区的环境以及施工单位的条件,本核电站的土建施工中,從控制混凝土温升,延缓降温速率,减少混凝土收缩,提高混凝土极限拉伸,改善约束程序和设计构造等方面采取了一系列措施,效果明显，本核电站土建混凝土工程未出现有害裂缝。