專利名稱：管段制作混凝土裂縫控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種混凝土裂縫控制方法，特別是一種管段制作混凝土裂縫控制方法，屬于建筑工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在一些大型地下工程及水下工程中，混凝土結(jié)構(gòu)的防水顯得特別重要。地下工程的防水技術(shù)早期都依賴于內(nèi)部或外部的附加防水層，地下工程的防水技術(shù)已集中于混凝土自身的抗裂及防滲，特別是防裂技術(shù)。混凝土產(chǎn)生裂縫的根本原因是早期內(nèi)部應(yīng)力大于同期混凝土自身的抗拉強(qiáng)度所致，這些應(yīng)力的產(chǎn)生是由于外界約束、溫度差異、沉降差異以及失水干縮等因素?？刂屏芽p的方法就是有效地控制這些裂縫發(fā)生的因素。近年來，在一些大型地下工程中，裂縫控制方法研究工作得到了一些發(fā)展。在一些大型工程中，采用了一些諸如改善混凝土配合比、合理的結(jié)構(gòu)分段、降低入模溫度甚至采用混凝土內(nèi)部設(shè)置水冷卻循環(huán)系統(tǒng)等方法，混凝土裂縫得到一定的控制。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)蘇權(quán)著《廣州珠江隧道沉管預(yù)制裂縫原因分析與防治》，收錄于《市政技術(shù)》1993(3)38～42，該文提及為了確保沉管施工的質(zhì)量，避免裂縫的發(fā)生，施工時(shí)采用①控制混凝土澆搗時(shí)入倉溫度≤28℃；②混凝土采用摻入粉煤灰、減水劑的“雙摻技術(shù)”，降低水泥用量；③各施工段分底板、側(cè)墻、頂板三次施工，以及設(shè)置后澆帶，在側(cè)墻中設(shè)置冷卻管等方法。史海歐著《香港新機(jī)場鐵路沉管隧道裂縫控制》收錄于《施工技術(shù)》1998(11)13～14，文中提及優(yōu)化混凝土配合比，降低水化熱；嚴(yán)格限制混凝土澆搗溫度；通過水循環(huán)養(yǎng)護(hù)等施工手段及預(yù)壓應(yīng)力設(shè)計(jì)等措施控制裂縫。文中還提及采用super20的超塑劑和daracem100的緩凝減水劑，以降低混凝土的水化熱。從以上一些現(xiàn)在的混凝土抗裂方法看，雖然現(xiàn)在的抗裂方法起到了一定作用，但是明顯有以下一些不足①?zèng)]有全面分析裂縫的原因，并采取相應(yīng)的針對性措施；②都沒有從減少或降低新老混凝土之間的約束的角度采取措施；③施工流程還存在不合理之處(如側(cè)墻和頂板分開澆搗)；④對于失水干縮沒有足夠重視；⑤水循環(huán)冷卻系統(tǒng)沒有充分結(jié)合溫度場分析作合理布置，具有一定的盲目性。裂縫控制的方法不全面或不完整，只針對誘發(fā)裂縫的部分因素，在有些工程可能可以達(dá)到一定的效果，但沒有普遍的適用性，現(xiàn)有的控制方法具有明顯的缺陷和局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，為了克服現(xiàn)有控制技術(shù)的缺陷，提供一種管段制作混凝土裂縫控制方法。管段混凝土裂縫發(fā)生的原因具體來說主要有①混凝土水化熱使混凝土內(nèi)部溫度上升導(dǎo)致的溫差應(yīng)力；②先期完成的底板或側(cè)墻對新澆筑混凝土的約束導(dǎo)致約束應(yīng)力；③施工中基礎(chǔ)的差異沉降導(dǎo)致變形應(yīng)力；④施工中的某些因素(如對拉螺栓的采用)導(dǎo)致局部薄弱點(diǎn)應(yīng)力集中；⑤混凝土養(yǎng)護(hù)過程中失水導(dǎo)致的干縮應(yīng)力等。這些因素中的一個(gè)或幾個(gè)發(fā)揮作用時(shí)，可能導(dǎo)致混凝土裂縫的發(fā)生。本發(fā)明針對這些因素，進(jìn)行分析和計(jì)算，從而采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧┻_(dá)到控制裂縫發(fā)生的目的。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明的控制方法具體如下①確定混凝土配合比，降低水化熱方法；②分析混凝土內(nèi)部溫度場，結(jié)合實(shí)際工況條件布置冷卻水循環(huán)方案；③根據(jù)裂縫產(chǎn)生的因素采取相應(yīng)的技術(shù)措施；④確定管段施工流程。以下對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述1、確定混凝土配合比，降低水化熱方法具體如下在拌制時(shí)采取措施，降低入模溫度，混凝土的不同配合比的水化特性具有很大的區(qū)別，特別是水泥用量、外摻劑的選擇等具有很大的影響，提高混凝土性能，增加抗裂性能必須做到(1)在確保強(qiáng)度的前提下，選用較低標(biāo)號的水泥，并盡量減少水泥用量；(2)在配合比中采用“雙摻技術(shù)”，即摻入膠結(jié)摻和料、外加劑材料，如摻入粉煤灰和減水、微膨脹復(fù)合外加劑；(3)配置多種配合比，進(jìn)行絕熱溫升、干縮、彈性模量等指標(biāo)測試，以選擇最佳配比；(4)實(shí)際拌制中采取降低原材料溫度，摻入冷卻水或冰水拌制混凝土，以降低混凝土的入模溫度。
2、分析混凝土內(nèi)部溫度場，結(jié)合實(shí)際工況條件布置冷卻水循環(huán)方案具體如下首先，分析混凝土內(nèi)部的溫度場及其隨時(shí)間變化的過程和規(guī)律(1)確定混凝土的水化絕熱溫升曲線及相關(guān)的熱工參數(shù)；(2)確定管段施工的環(huán)境條件，如氣溫變化規(guī)律、通風(fēng)條件等；
(3)確定管段制作工藝中，管段的基本參數(shù)和模板等相關(guān)材料的熱工特性；(4)確定其他一些計(jì)算分析需要的參數(shù)；根據(jù)選定的參數(shù)分析和計(jì)算混凝土內(nèi)部溫度場的變化規(guī)律，根據(jù)分析，新老混凝土的結(jié)合面是敏感區(qū)域，必須加以重視。
然后，結(jié)合溫度場分析，合理布置混凝土內(nèi)部水循環(huán)冷卻系統(tǒng)(1)明確施工階段的環(huán)境條件，選定基礎(chǔ)參數(shù)；(2)在系統(tǒng)的敏感區(qū)域設(shè)置冷卻管，并進(jìn)行分析和比較，找出合理的布置方式；(3)進(jìn)一步計(jì)算和分析，確定水循環(huán)的溫度、流量和時(shí)間，明確水冷卻的具體方案。
3、根據(jù)裂縫產(chǎn)生的因素采取相應(yīng)的技術(shù)措施具體如下根據(jù)裂縫產(chǎn)生的因素分析采用一系列必要的技術(shù)措施，以減少約束應(yīng)力、沉降變形應(yīng)力、局部應(yīng)力集中和收縮應(yīng)力(1)對于約束應(yīng)力的產(chǎn)生，首先調(diào)整管段制作工藝流程，將側(cè)墻和頂板同時(shí)澆筑，消除側(cè)墻對頂板約束；通過采用整體移動(dòng)式模板體系，提高施工效率，縮短底板和側(cè)墻澆搗時(shí)間的間隔，減小先期澆搗結(jié)構(gòu)的約束剛度；在底板澆搗時(shí)先完成部分側(cè)墻的施工，進(jìn)一步減小先期施工混凝土的約束剛度；(2)采用剛性內(nèi)外模板體系，取消對拉螺栓的使用，避免螺栓處局部應(yīng)力集中；(3)合理劃分施工區(qū)段、設(shè)置合理的管段基礎(chǔ)、設(shè)置分段間的后澆帶，減少因基礎(chǔ)差異沉降導(dǎo)致的變形應(yīng)力以及混凝土收縮產(chǎn)生的收縮應(yīng)力；(4)采用合理的養(yǎng)護(hù)措施，保持混凝土的溫濕度，防止干縮應(yīng)力的產(chǎn)生。
4、確定管段施工流程具體如下(1)底板和部分側(cè)墻的施工，采用合理的分段長度，一般為15～20m；(2)底板完成，并達(dá)到中隔墻施工所需強(qiáng)度要求后，開始中隔墻施工；(3)中隔墻完成后，開始側(cè)墻和頂板的施工，施工采用剛性可移動(dòng)式支架，提高施工效率，施工中嚴(yán)格控制施工時(shí)間，側(cè)墻及頂板的澆搗在底板達(dá)到施工所需的強(qiáng)度要求后立即實(shí)施；(4)相鄰區(qū)段的施工，工序要求同(1)～(3)；(5)相鄰區(qū)段完成施工，并沉降穩(wěn)定后，完成后澆帶施工。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，合理采取技術(shù)措施，可以有效控制管段混凝土裂縫的發(fā)生。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明內(nèi)容提供以下實(shí)例以某隧道管段制作為例，該工程具有混凝土管段4節(jié)，管段橫斷面外包尺寸為22800×8450mm，為雙孔矩形箱式結(jié)構(gòu)。管段凈高6100mm，單孔凈寬9200mm。管段中間為5600×1400mm的設(shè)備管廊。管段底板厚1200mm，頂板厚1150mm，側(cè)墻厚950mm，中隔墻厚550mm。具體如下1、選用合理的混凝土配合比混凝土配合比設(shè)計(jì)原則為a)采用水化熱較低水泥品種；b)減小水灰比；c)摻入粉煤灰和減水劑，以延緩混凝土降溫速率；d)采用自然連續(xù)級配的粗骨料，增大粗骨料粒徑；e)采用細(xì)度模數(shù)較大的細(xì)骨料，以中粗砂為宜，并盡可能降低砂率；控制石、砂骨料的含泥量；f)摻以粉煤灰，減小水泥用量。
通過配合比的比選，最終選定了以下配合比

經(jīng)過測試，該配合比的絕熱溫升、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限拉伸值及干縮值等指標(biāo)性能均是良好的2、分析混凝土內(nèi)部溫度場變化規(guī)律首先根據(jù)管段的在水化過程中的熱傳導(dǎo)特性，確定管段溫度場選用有熱源平面非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型。將上述溫度場問題轉(zhuǎn)化為等效的泛函駐值變分問題，然后采用有限元求解。再確定管段混凝土材料配合比和物理熱力學(xué)性能參數(shù)、模板等施工材料的熱力學(xué)參數(shù)以及環(huán)境條件。在空間域上采用有限元網(wǎng)格離散，而在時(shí)間域上采用有限差分離散，經(jīng)過復(fù)雜而繁瑣的推導(dǎo)，得出了溫度場有限元列式。
根據(jù)管段施工工藝流程安排，經(jīng)過計(jì)算底板、側(cè)墻的溫度場得出混凝土澆搗后隨著水化熱的產(chǎn)生，內(nèi)部溫度升高在大約40小時(shí)達(dá)到最大值。同時(shí)底板內(nèi)的溫度梯度相對比較均勻，而側(cè)墻在與底板結(jié)合部分的溫度梯度較大，而且在該部位新澆筑混凝土受到先期澆搗的混凝土的約束，開裂的可能性較大。
3、經(jīng)分析確定了混凝土內(nèi)部水冷卻系統(tǒng)的方案在溫度場分析的基礎(chǔ)上，考慮在容易開裂的側(cè)墻與底板結(jié)合面以及上部區(qū)域內(nèi)設(shè)置冷卻管。
首先確定冷卻管布置的方式，在溫度場分析中加入冷卻管，在分析中采用了幾種布置方式進(jìn)行對比。根據(jù)計(jì)算結(jié)果最終采用了在側(cè)墻內(nèi)布置兩排冷卻水管的布置方式，水管間距為底部間距小，到上部逐漸加大，使水管降溫后，側(cè)墻內(nèi)的溫度梯度比較平緩。
在確定了水管布置方式后，再根據(jù)溫度場熱力平衡原理確定了冷卻水的溫度、流量以及隨時(shí)間變化的要求，最終得出了水冷確的具體方案。
4、采用了一系列的控制裂縫的技術(shù)措施在分析了管段可能產(chǎn)生裂縫的因素后，采用了以下一些技術(shù)措施(1)管段采用分為五段制作，每段的長度在15～20m之間，在結(jié)構(gòu)分段之間設(shè)置寬度為1.5m的后澆帶共四段，防止因?yàn)椴町惓两祷蚬芏问湛s產(chǎn)生的裂縫；(2)管段底板制作時(shí)，澆搗高度為2m，完成800mm高的側(cè)墻制作，以減少底板對側(cè)墻的約束；(3)管段側(cè)墻和底板之間的澆搗間隔控制在12天以內(nèi)，以減少先期澆搗的側(cè)墻對上部側(cè)墻的約束。側(cè)墻和頂板同時(shí)澆搗，消除側(cè)墻對頂板的約束；(4)內(nèi)部模架采用剛性可移動(dòng)支架，外側(cè)采用H型鋼為支承體系的剛性模板體系，取消側(cè)墻內(nèi)對拉螺栓的使用，避免局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；(5)采用良好的養(yǎng)護(hù)措施，底板采用蓄水養(yǎng)護(hù)，側(cè)墻為噴淋養(yǎng)護(hù)，頂板同樣采用蓄水養(yǎng)護(hù)。同時(shí)在分段兩側(cè)洞口懸掛土工布防止空氣流動(dòng)帶走水份，導(dǎo)致側(cè)墻和頂板底面失水干縮。
5、最后確定管段制作的流程根據(jù)前面的各項(xiàng)分析，管段的最終制作流程為(1)管段總體為從中部向兩側(cè)施工，首先施工中間段；(2)每小段施工首先施工底板以及800mm高側(cè)墻，采用蓄水養(yǎng)護(hù)，無法蓄水的側(cè)墻采用覆蓋土工布后澆水養(yǎng)護(hù)；(3)底板施工一晝夜后開始施工中間隔墻，澆搗高度為4.6m，控制在4天內(nèi)完成；
(4)中隔墻施工完成后，立即開始側(cè)墻和頂板的施工，澆搗高度為6.45m。支架采用剛性可移動(dòng)支架，控制施工時(shí)間為7天以內(nèi)。側(cè)墻與底板及下部側(cè)墻的澆搗間隔時(shí)間控制在12天之內(nèi)；(5)相鄰施工段完成并沉降基本穩(wěn)定后制作后澆帶，最終將管段連為整體。在本工程中，制作完成的施工段，基本在40以內(nèi)達(dá)到沉降穩(wěn)定。
實(shí)際效果該隧道全部四節(jié)管段制作完成后，均未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫。在管段浮運(yùn)、沉放及目前的隧道正式運(yùn)營階段，管段均未發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，管段裂縫控制取得了成功。該實(shí)例與以往的控制方法相比較具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)選擇比較了幾種混凝土配合比，最終選定了一種性能較好的配合比；(2)分析了混凝土內(nèi)部的溫度場及其變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上選定了比較合理的混凝土內(nèi)部水冷卻方案；(3)在分析裂縫原因的基礎(chǔ)上，采用了一系列針對性抗裂技術(shù)措施；(4)選擇了合理的施工分段和流程，最終達(dá)到了抗裂效果。
權(quán)利要求
1.一種管段制作混凝土裂縫控制方法，其特征在于具體如下①確定混凝土配合比，降低水化熱方法；②分析混凝土內(nèi)部溫度場，結(jié)合實(shí)際工況條件布置冷卻水循環(huán)方案；③根據(jù)裂縫產(chǎn)生的因素采取相應(yīng)的技術(shù)措施；④確定管段施工流程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種管段制作混凝土裂縫控制方法，其特征是確定混凝土配合比，降低水化熱方法具體如下在拌制時(shí)采取措施，必須做到(1)在確保強(qiáng)度的前提下，選用較低標(biāo)號的水泥，并盡量減少水泥用量；(2)在配合比中采用“雙摻技術(shù)”，即摻入膠結(jié)摻和料、外加劑材料；(3)配置多種配合比，進(jìn)行絕熱溫升、干縮、彈性模量等指標(biāo)測試，以選擇最佳配比；(4)實(shí)際拌制中采取降低原材料溫度，摻入冷卻水或冰水拌制混凝土。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種管段制作混凝土裂縫控制方法，其特征是分析混凝土內(nèi)部溫度場，結(jié)合實(shí)際工況條件布置冷卻水循環(huán)方案具體如下首先，分析混凝土內(nèi)部的溫度場及其隨時(shí)間變化的過程和規(guī)律(1)確定混凝土的水化絕熱溫升曲線及相關(guān)的熱工參數(shù)；(2)確定管段施工的環(huán)境條件；(3)確定管段制作工藝中，管段的基本參數(shù)和模板等相關(guān)材料的熱工特性；(4)確定計(jì)算分析需要的參數(shù)；然后，結(jié)合溫度場分析，合理布置混凝土內(nèi)部水循環(huán)冷卻系統(tǒng)(1)明確施工階段的環(huán)境條件，選定基礎(chǔ)參數(shù)；(2)在系統(tǒng)的敏感區(qū)域設(shè)置冷卻管，并進(jìn)行分析和比較，找出合理的布置方式；(3)進(jìn)一步計(jì)算和分析，確定水循環(huán)的溫度、流量和時(shí)間，明確水冷卻的具體方案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種管段制作混凝土裂縫控制方法，其特征是根據(jù)裂縫產(chǎn)生的因素采取相應(yīng)的技術(shù)措施具體如下(1)首先調(diào)整管段制作工藝流程，將側(cè)墻和頂板同時(shí)澆筑，采用整體移動(dòng)式模板體系，在底板澆搗時(shí)先完成部分側(cè)墻的施工；(2)采用剛性內(nèi)外模板體系；(3)合理劃分施工區(qū)段、設(shè)置合理的管段基礎(chǔ)、設(shè)置分段間的后澆帶，減少因基礎(chǔ)差異沉降導(dǎo)致的變形應(yīng)力以及混凝土收縮產(chǎn)生的收縮應(yīng)力；(4)采用養(yǎng)護(hù)措施，保持混凝土的溫濕度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的這種管段制作混凝土裂縫控制方法，其特征是確定管段施工流程具體如下(1)底板和部分側(cè)墻的施工，采用合理的分段長度，一般為15～20m；(2)底板完成，并達(dá)到中隔墻施工所需強(qiáng)度要求后，開始中隔墻施工；(3)中隔墻完成后，開始側(cè)墻和頂板的施工，施工采用剛性可移動(dòng)式支架，側(cè)墻及頂板的澆搗在底板達(dá)到施工所需的強(qiáng)度要求后立即實(shí)施；(4)相鄰區(qū)段的施工，工序要求同(1)-(3)；(5)相鄰區(qū)段完成施工，沉降穩(wěn)定后，完成后澆帶施工。
全文摘要
一種管段制作混凝土裂縫控制方法屬于建筑工程領(lǐng)域。管段制作混凝土裂縫控制方法具體如下①確定混凝土配合比，降低水化熱方法；②分析混凝土內(nèi)部溫度場，結(jié)合實(shí)際工況條件布置冷卻水循環(huán)方案；③根據(jù)裂縫產(chǎn)生的因素采取相應(yīng)的技術(shù)措施；④確定管段施工流程。本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，合理采取技術(shù)措施，可以有效控制管段混凝土裂縫的發(fā)生。
文檔編號B28C7/04GK1398706SQ0213667
公開日2003年2月26日 申請日期2002年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月27日
發(fā)明者朱衛(wèi)杰, 劉千偉, 林政 , 陳鴻, 沈永東 申請人:上海隧道工程股份有限公司