地下车站单侧预制叠合墙板的高性能现浇混凝土技术研究

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地下车站单侧预制叠合墙板施工将装配式和传统现浇式施工技术相结合,具有结构灵活、节能环保、施工周期快等特点。工程由于叠合式墙板施工难度大,现浇混凝土受温度应力、大面积收缩应力和预制构件约束应力等应力影响,易出现开裂现象,这对叠合墙板的抗裂性和抗渗性提出了极大挑战。因此,为提高现浇混凝土侧墙的抗裂性和抗渗性,本文从混凝土制备技术和有限元计算分析两个方面展开研究,对比单侧预制叠合墙板的计算变形值与试验变形值并引入“水化—温度—湿度—约束”耦合机制模型进一步分析现浇混凝土墙板的开裂风险,为工程施工技术方案提供理论支持。主要研究内容:一是现浇混凝土材料研究。以水胶比为关键控制指标,优化混凝土级配设计提升混凝土工作性能和力学性能;采用高性能减水剂和优质掺合料的复掺技术、膨胀剂与内养护剂协同膨胀减缩技术改善混凝土变形性能,从而提高混凝土综合抗裂性能和耐久性。二是根据工程施工环境温度和混凝土配合比,利用Midas软件对单侧预制叠合墙板中现浇混凝土在使用不同模板养护和不同浇筑长度下凝结硬化中产生的温度场和应力场进行有限元分析,找到最不利应力位置,为施工方案设计提供理论依据。三是引入“水化-温度-湿度-约束”多场耦合机制的抗裂性评估模型与方法,分析单侧预制叠合墙板的计算变形值与试验变形值,从混凝土结构设计、施工和养护等方面提出控制裂缝方案。研究成果如下:(1)根据地下车站叠合式墙板的设计与施工要求,进行了配合比优化设计和试验调整,配制出C40微膨胀抗裂高性能现浇混凝土。设计水胶比0.38、砂率41%为基准组,为保证强度和提高耐久性掺入高性能减水剂来减少单位用水量和胶凝材料用量,掺15%矿渣粉和15%优质粉煤灰使其充分发挥活性效应、形态效应及微集料效应。为进一步提高限缩抗裂性能,设计复掺内养护剂和膨胀剂,通过内养护剂的预吸水与合理的释水模式改善混凝土内部水化和膨胀需水环境及孔隙结构。通过试验分析得出:混凝土力学性能随着水胶比的减小而增大,砂率的适当调整对混凝土力学性能影响不大,但砂率增大,混凝土抗折和抗拉强度有所提高。复掺膨胀剂和内养护剂,有助于大流动性微膨胀混凝土工作性能的改善和力学性能的提高。混凝土动弹性模量随龄期发展可综合反映混凝土力学性能的变化规律。掺轻砂内养护剂的C40微膨胀混凝土14d限制膨胀率(水中)比基准组大451×10-6,比仅掺膨胀剂组大179×10-6;养护28d后(先水养14d取出再放于恒温室14d),其限制干缩率是基准组的14.6%,是仅掺膨胀剂组的21.6%。掺轻砂养护剂的微膨胀混凝土的膨胀率最大,60d仍处于膨胀状态且膨胀率为153×10-6;掺轻砂内养护剂的微膨胀混凝土后期干燥收缩率明显减小,均优于不掺内养护剂或掺SAP的微膨胀混凝土。其抗塑性开裂性能也有明显的改善。内养护剂对微膨胀混凝土发挥了明显的协同膨胀作用,显著减小了混凝土的收缩变形。轻砂内养护剂表观密度与混凝土相近,颗粒细小,可较为均匀分布在混凝土内部,持续为混凝土水化和膨胀剂膨胀反应提供水分,促进了胶凝材料与膨胀剂的水化。C40微膨胀抗裂高性能混凝土配合比为:以水胶比0.38、砂率41%、矿渣粉和Ⅱ级粉煤灰各11%、膨胀剂8%、饱和面干的轻砂内养护剂70kg/m~3(等体积取代细骨料)、单位用水量160kg/m~3、高效减水剂1%制备的混凝土为优质高性能现浇混凝土。(2)根据Midas软件计算分析现浇混凝土侧墙的温度场和应力场结果来看,现浇混凝土侧墙最大压应力出现在侧墙中部左侧与预制板浇结处,最大拉应力出现在侧墙下部。采用钢模养护可有效提高混凝土结构浇筑成型过程中的散热能力,降低混凝土结构内部最大温峰;同时,钢模养护下的混凝土结构在拆模后温度更早降到室温。此外,应力场变化受温度变化幅度影响,钢模养护条件下的应力场变化值低于木模养护,即钢模养护条件下的现浇混凝土侧墙最不利应力值低于木模养护。在一定长度范围内改变浇筑长度对侧墙温度场和最大拉应力的影响不大。(3)混凝土结构抗裂是一项系统性工程,引入“水化-温度-湿度-约束”多场耦合机制的抗裂性评估模型与方法,结合地下工程侧墙结构,对侧墙混凝土的开裂风险进行了计算分析。钢模养护下的现浇混凝土侧墙开裂风险系数随着时间发展逐渐减小且接近0.7,根据开裂风险评判标准,钢模养护条件下叠合墙板产生裂缝可能性较小;此外,在一定范围内,改变浇筑长度对现浇混凝土侧墙的抗裂性影响不大。(4)结合单侧预制叠合墙板的计算变形值与试验变形值,本文从结构设计、施工和养护三方面提出裂缝控制技术。结构设计方面,在整个现浇混凝土侧墙浇筑过程中每隔19~21m设置一道后浇带,浇筑完成后用C45混凝土浇筑后浇带。基于“抗放结合”原则,合理设置配筋,在交界面处铺设钢丝网控制混凝土结构变形发展。在施工方面,采用增大拼接面的粗糙度和使用膨胀剂水泥浆界面剂提高构件咬合力;前期使用钢模养护,待3d后降温至入模温度左右拆除,使用单分子膜水分蒸发抑制材料保温保湿养护;同时,采用监测手段,随时监测现浇混凝土侧墙内外温度和应力情况。
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