CN111660433A - 一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，包括混凝土材料性能优化和施工措施优化：混凝土材料性能优化方面，从骨料体积分数、水泥品质、矿物掺合料种类、收缩补偿措施、入模温度、水化历程控制措施六个指标，提出各自的技术方案；施工措施优化方面，从浇注方案、模板材质、结构内部散热措施三个指标，提出各自的技术方案。本发明针对受侧面约束的钢筋混凝土长墙的抗开裂措施，进行了系统的因素分析和应对措施的建立，所提出的应对措施切实可行，混凝土制备人员和施工方只要严格地执行所提出的技术方案，即可显著提升受侧面约束状态下的钢筋混凝土长墙的抗开裂能力。

Description

一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，特别涉及一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂 方法。
背景技术
钢筋混凝土是世界上用量最大的建筑材料，高层、大跨、深海、隧道等现代化建筑结构，绝大多数由钢筋混凝土作为主体材料建造而成。作为一种用量最大的建筑材料， 钢筋混凝土的优点是可以被浇注成型为任意形状，且硬化后具有适宜的强度和韧性；但 其缺点是混凝土浇注到位后，由于其中骨料的沉降、水泥的水化、外部干燥等因素，产 生塑性收缩、化学收缩、自干燥收缩、温度收缩和干燥收缩等体积缩小现象；在受到外 界约束的情况下，会导致混凝土中产生收缩应力，如果该收缩应力超过混凝土的抗拉强 度，则钢筋混凝土结构会发生开裂。
钢筋混凝土结构发生开裂后，会降低结构的承载能力、发生漏水和钢筋锈蚀等现象， 损伤建筑物的安全度和服役寿命。因此，采取一定的措施来降低钢筋混凝土结构的开裂 程度，对于保障建筑物的服役安全度、服役寿命、减少自然资源和社会成本消耗均具有重要意义。同时，需要指出的是，虽然降低或减缓钢筋混凝土结构的开裂有很大的必要 性，但完全地避免或彻底地消除钢筋混凝土结构的开裂是不现实的，也是不经济的。虽 然通过精心的材料设计、施工措施和使用预应力等可达到显著减少或消除开裂的目的， 但此时常伴随着巨大的成本提升，经济的角度难以实现。所以，常见的混凝土结构，都 是在有裂纹的情况下进行工作的，只是裂纹的宽度和数量在设定的限值内，以使得建筑 物在期望的服役年限内，能安全地进行工作。
导致钢筋混凝土结构发生开裂的因素，可分为：混凝土材料、结构形式、施工措施三个方面，其中：
结构形式影响钢筋混凝土开裂的因素包括：钢筋混凝土结构的尺寸(长度、宽度、厚度)、约束形式(侧面约束、端部约束)、结构周围的温湿度环境和暴露状况(结构 与外界进行温湿度交换的能力)等；
施工措施影响钢筋混凝土开裂的因素包括：浇注方案(连续浇注、跳仓浇注)、模板材质(钢模板、木模板)、拆模后的保温保湿措施、结构内部的散热措施(通水冷却、 通风冷却)等。
针对上述影响开裂的因素，诸多的土木工程领域研究人员进行了研究。例如：黄士元研究了胶凝材料用量和组成对混凝土早期抗开裂能力的影响(黄士元.混凝土早期裂 纹的成因及防治[J].混凝土,2000(7):3-5.)；安明喆等研究了水胶比和矿物掺合料对 混凝土自收缩的影响(安明喆,朱金铨,覃维祖.高性能混凝土的自收缩问题[J].建筑 材料学报,2001(02):61-68.)；林志海等开发了温度-应力试验机，并探究了该设备在 混凝土早期抗开裂能力评价方面的应用(林志海,覃维祖,张士海,et al.混凝土早期 应力发展与抗裂性能评价[J].建筑技术,2003(1).)；许小荣等研究了混凝土长墙结构， 由水化温升所导致的温度应力导致的混凝土开裂趋势(许小荣,阎培渝,廉慧珍.混凝 土长墙结构中温度变化及其对内部变形发展的影响[J].建筑技术,2004(1).)；王甲春 等在考虑混凝土徐变特性的基础上，采用等效龄期法，分析了混凝土的水化温升历程和 抗拉强度发展历程，以及混凝土的开裂风险(王甲春,阎培渝.早龄期混凝土结构开裂 风险分析[J].应用基础与工程科学学报,2006(02):115-120.)；覃维祖等强调，在评 价混凝土的抗开裂能力时，应综合考虑混凝土的自收缩、干燥收缩、温度收缩，以及随 时间历程变动的力学性能和徐变能力(覃维祖.混凝土的收缩、开裂及其评价与防治[J]. 混凝土,2001(07):3-7.)。
但是，现有技术多针对导致混凝土收缩和开裂的因素进行单独分析或综合分析，而 对如何降低或消除混凝土的收缩和开裂趋势探索不足。一般来说，钢筋混凝土结构之所以开裂，是因为其在收缩的过程中受到约束，如果没有约束则钢筋混凝土结构就不会产 生拉伸应力，就不会发生开裂。钢筋混凝土在收缩过程承受的约束，可分为侧面约束、 端部约束和内部约束三个类型。其中，浇注在已有混凝土基础上的条状结构，受侧面约 束的状况下发生开裂的状况最为常见。而地下室立墙、隧道侧墙、桥梁护栏和剪力墙等， 均为常见的受侧面约束的钢筋混凝土长墙型结构。
综上，如何从材料性能优化和施工控制的角度采取抗开裂措施，以降低钢筋混凝土 结构的开裂状况，并提升钢筋混凝土结构的安全度和服役能力，已经成为亟需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种受侧面约束的钢筋混凝 土长墙抗开裂方法，包括混凝土材料性能优化和施工措施优化，其特征在于，
所述混凝土材料性能优化包括提升混凝土的骨料体积分数、提升水泥品质、选择矿 物掺合料、采取收缩补偿措施、控制混凝土的入模温度和延长水泥的水化历程，其中，
所述提升混凝土的骨料体积分数包括提升混凝土中的粗骨料和细骨料的体积分数， 以降低水化温升、减小收缩率和提高抗离析能力，
所述提升水泥品质包括降低水泥中的C3A含量，降低水泥的细度以及降低水泥中的 碱含量，以降低水化温升和降低收缩率，
所述矿物掺合料选择粉煤灰，
所述采取收缩补偿措施包括利用膨胀剂或内供水源产生的收缩补偿效应，
所述控制混凝土的入模温度包括控制混凝土的最高温升以及最高温升与环境温度 之间的差值，以降低温度应力和开裂趋势，
所述延长水泥的水化历程包括掺入水化热抑制剂，从而降低混凝土的水化温峰，降 低温度应力和开裂趋势；
所述施工措施优化包括设置浇注方案、选择组合钢制模板和采取结构内部散热措施。
优选的，在保证新拌混凝土流动性实现密实浇注的前提下，使得混凝土中的粗骨料 和细骨料体积分数之和处于68％-78％的范围内。
优选的，所述水泥中的C3A的质量百分数控制在2％-5％的范围内，水泥的细度控制 在240m2/kg-340m2/kg的范围内，水泥中的碱含量控制在小于0.6％的范围内。
优选的，所述粉煤灰的品质要求为F类I级或F类II级，其掺量为10％-20％。
优选的，所述膨胀剂选用氧化钙或者无水硫铝酸钙或者氧化镁型膨胀剂或者三者复 合，在浸水和干燥状态下，掺入膨胀剂的混凝土的限制膨胀率差值小于500个微应变；
所述内供水源选用饱水轻骨料的，吸水率为8％-12％，在混凝土中的体积分数为15％-25％，粒径为3mm-5mm。
优选的，所述入模温度比日平均气温高3℃-7℃。
优选的，所述水化热抑制剂设置为掺入水泥质量分数的0.5％-1.0％，使得混凝土水 化热的温峰温度降低10℃-20℃。
优选的，所述设置浇注方案包括：混凝土浇筑时，若浇注入模温度与混凝土基础的温差大于等于15℃，对混凝土基础采取加温措施；另外，对钢筋混凝土长墙实行跳仓浇 注法进行浇注，每段的浇注长度为5米-12米，且不同浇注段之间设置V型金属止水板。
优选的，使用所述组合钢制模板时，钢筋混凝土浇注完成后至少7天再进行拆模。
优选的，在所述结构内部散热措施中，在钢筋混凝土中布设直径为40mm-60mm的钢管作为冷却管，冷却管之间的间隔为0.5-1.2米，冷却管中以水作为工作介质，冷却管 中水的流速以混凝土水化热的温峰为界，温峰之前通水量高，温峰后通水量缓和。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明针对受侧面约束的钢筋混凝土长墙的抗开裂措施，进行了系统的因素分析和应对措施的建立。所提出的应对措施切实可行，混凝土制备人员(搅拌站)和施工 方只要严格地执行所提出的技术方案，即可显著提升受侧面约束状态下的钢筋混凝土长 墙的抗开裂能力；
2)本发明对提升我国大型基础建设如超高层大厦、地铁或跨海隧道、地下工程的建筑质量和服役寿命有积极的推动作用。
应当意识到，本发明中提及的抗开裂，并不是说要彻底消除钢筋混凝土结构的开裂， 而是使得钢筋混凝土结构开裂程度被控制在设定的限值内。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术 方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能 理解为对本发明的限制。
本发明的一个宽泛实施例中，受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，包括混凝 土材料性能优化和施工措施优化，其中，
所述混凝土材料性能优化措施包括提升混凝土的骨料体积分数、提升水泥品质、选 择品质适宜的矿物掺合料、采取收缩补偿措施、控制混凝土的入模温度和延长水泥的水化历程，其中，
提升混凝土的骨料体积分数包括提升混凝土中的粗骨料和细骨料的体积分数，有利 于降低水化温升、减小收缩率和提高抗离析能力，
提升水泥品质包括降低水泥中的C3A含量，降低水泥的细度以及降低水泥中的碱含 量，有利于降低水化温升和降低收缩率，
混凝土中的矿物掺合料选择粉煤灰，
通过膨胀剂或内供水源产生的收缩补偿效应来降低混凝土的收缩率，提升混凝土的 抗开裂能力，
通过控制混凝土的入模温度，控制控制混凝土的最高温升以及最高温升与环境温度 之间的差值，达到降低温度应力，降低混凝土开裂趋势的目的，
通过掺入水化热抑制剂来延长水泥的水化历程，从而降低混凝土的水化温峰，降低 温度应力和开裂趋势；
所述施工措施优化措施包括设置合理的浇注方案、选择适宜材质的模板和结构内部 散热措施，其中，
设置合理的浇注方案，可降低混凝土结构内部的应力以及外部的约束程度，有利于 降低混凝土开裂的趋势，
使用组合钢制模板对降低开裂趋势有利，
采取结构内部散热措施有利于降低混凝土的水化温升，降低温度收缩应力和开裂趋 势。
优选的，在保证新拌混凝土流动性可实现密实浇注的前提下，使得混凝土中的粗骨 料和细骨料体积分数之和处于68％-78％的范围内。
优选的，提升水泥品质的措施中，水泥中C3A的质量百分数控制在2％-5％的范围内， 水泥的细度控制在240m2/kg-340m2/kg的范围内，水泥中的碱含量控制在小于0.6％的范 围内；其中，水泥中C3A的质量百分数，推荐使用鲍格法来计算；水泥的细度采用勃氏 透气法来测定；碱含量为质量百分数，其计算方法是Na2O+0.658K2O。
优选的，粉煤灰作为矿物掺合料，粉煤灰的品质要求为F类I级或F类II级，其掺 量为10％-20％；其中，粉煤灰品质的判定，依据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》 GB/T1596-2005来进行；粉煤灰掺量为胶凝材料的质量百分数。
优选的，通过膨胀剂产生的收缩补偿效应来降低混凝土的收缩率，膨胀剂选用氧化 钙或者无水硫铝酸钙或者氧化镁型膨胀剂或者三者复合；在浸水和干燥状态下，掺入膨胀剂的混凝土的限制膨胀率差值小于500个微应变；
通过内供水源产生的收缩补偿效应来降低混凝土的收缩率，使用饱水轻骨料作为内 供水源，轻骨料吸水率为8％-12％，轻骨料在混凝土中的体积分数为15％-25％，轻骨料的粒径为3mm-5mm；
其中，掺入膨胀剂的混凝土，限制膨胀率的测试方法，依据《混凝土膨胀剂》GB/T23439-2017和《混凝土用氧化镁膨胀剂应用技术规程》T/CECS 540-2018来进行。
优选的，混凝土入模温度比日平均气温高3℃-7℃；其中，如果进入搅拌站的散装水泥温度大于40摄氏度时，应冷却后再使用；通过冷却拌合水，以及避免日光对骨料的 暴晒，是控制入模温度的经济可行方式。
优选的，掺入水泥质量分数0.5％-1.0％的水化热抑制剂，使得混凝土水化热的温峰 温度降低10℃-20℃；其中，水化热抑制剂，应在搅拌机的物料进行干拌之间加入。
优选的，混凝土浇筑时，核实浇注入模温度是否与混凝土基础的温差在15℃以内，否则，应对混凝土基础采取加温措施；钢筋混凝土长墙实行跳仓浇注法进行浇注，每段 的浇注长度为5米-12米，且不同浇注段之间设置V型金属止水板；其中，钢筋混凝土 中的配筋率，在设计阶段，由设计人员根据荷载性能要求和裂纹宽度控制要求进行设置。
优选的，使用组合钢制模板时，钢筋混凝土浇注完成后至少7天再进行拆模；其中，使用组合钢制模板的理由是其刚度大、组合精度高。
优选的，结构内部散热措施中，在钢筋混凝土中布设直径为40mm-60mm的钢管， 作为冷却管，冷却管之间的间隔为0.5-1.2米，冷却管中以水作为工作介质，冷却管中水 的流速以混凝土水化热的温峰为界，温峰之前通水量高，温峰后通水量缓和；其中，推 荐使用带有智能控制功能的冷却系统；以混凝土水化热的温峰为界，进行不同的通水量， 其目的是温峰之前通过快速的通水降低温升；温峰之后通过缓慢的通水来缓慢地对钢筋 混凝土结构进行冷却至室温。
下面以使用C30、C45和C60混凝土浇注的受侧面约束钢筋混凝土长墙作为本发明的 优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
优选实施例1
1.1设计方给出的基础信息如表1所示。
表1钢筋混凝土强度和配筋率、浇注方法和环境温湿度
Figure BDA0002540979980000071
1.2设计的C30混凝土配合比、控制的入模温度如表2所示。
表2混凝土配合比和入模温度
Figure BDA0002540979980000072
注：进行混凝土浇注时，日气温的平均值为20℃。
1.3制定的施工措施如表3所示。
表3浇注方法、模板类型和冷却措施
Figure BDA0002540979980000073
本优选实施例中，浇筑完成后12小时通水，入口水温21℃，水量2m3/h，混凝土内部最高温度36℃，结构未开裂。
优选实施例2
2.1设计方给出的基础信息如表4所示。
表4钢筋混凝土强度和配筋率、浇注方法和环境温湿度
Figure BDA0002540979980000074
2.2设计的C45混凝土配合比、控制的入模温度如表5所示。
表5混凝土配合比和入模温度
Figure BDA0002540979980000081
*：轻骨料处于饱水状态，饱水后表观密度为1500kg/m3。
注：进行混凝土浇注时，日气温的平均值为20℃。
2.3制定的施工措施如表6所示。
表6浇注方法、模板类型和冷却措施
Figure BDA0002540979980000082
本优选实施例中，浇筑完成后12小时通水，入口水温23℃，水量3m3/h，混凝土内部最高温度43℃，结构上平均4米一条裂缝，宽度0.2mm。
优选实施例3
3.1设计方给出的基础信息如表7所示。
表7钢筋混凝土强度和配筋率、浇注方法和环境温湿度
3.2设计的C60混凝土配合比、控制的入模温度如表8所示。
表8混凝土配合比和入模温度
Figure BDA0002540979980000084
Figure BDA0002540979980000091
*：轻骨料处于饱水状态，饱水后表观密度为1500kg/m3。
注：进行混凝土浇注时，日气温的平均值为20℃。
3.3制定的施工措施如表9所示。
表9浇注方法、模板类型和冷却措施
Figure BDA0002540979980000092
本优选实施例中，浇筑完成后12小时通水，入口水温21℃，水量3m3/h，混凝土内部最高温度51℃，结构未开裂。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依 然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同 替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案 的精神和范围。

Claims (10)

1.一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，包括混凝土材料性能优化和施工措施优化，其特征在于，
所述混凝土材料性能优化包括提升混凝土的骨料体积分数、提升水泥品质、选择矿物掺合料、采取收缩补偿措施、控制混凝土的入模温度和延长水泥的水化历程，其中，
所述提升混凝土的骨料体积分数包括提升混凝土中的粗骨料和细骨料的体积分数，以降低水化温升、减小收缩率和提高抗离析能力，
所述提升水泥品质包括降低水泥中的C3A含量，降低水泥的细度以及降低水泥中的碱含量，以降低水化温升和降低收缩率，
所述矿物掺合料选择粉煤灰，
所述采取收缩补偿措施包括利用膨胀剂或内供水源产生的收缩补偿效应，
所述控制混凝土的入模温度包括控制混凝土的最高温升以及最高温升与环境温度之间的差值，以降低温度应力和开裂趋势，
所述延长水泥的水化历程包括掺入水化热抑制剂，从而降低混凝土的水化温峰，降低温度应力和开裂趋势；
所述施工措施优化包括设置浇注方案、选择组合钢制模板和采取结构内部散热措施。
2.根据权利要求1所述的一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，其特征在于，在保证新拌混凝土流动性实现密实浇注的前提下，使得混凝土中的粗骨料和细骨料体积分数之和处于68％-78％的范围内。
3.根据权利要求1所述的一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，其特征在于，所述水泥中的C3A的质量百分数控制在2％-5％的范围内，水泥的细度控制在240m2/kg-340m2/kg的范围内，水泥中的碱含量控制在小于0.6％的范围内。
4.根据权利要求1所述的一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，其特征在于，所述粉煤灰的品质要求为F类I级或F类II级，其掺量为10％-20％。
5.根据权利要求1所述的一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，其特征在于，所述膨胀剂选用氧化钙或者无水硫铝酸钙或者氧化镁型膨胀剂或者三者复合，在浸水和干燥状态下，掺入膨胀剂的混凝土的限制膨胀率差值小于500个微应变；
所述内供水源选用饱水轻骨料，吸水率为8％-12％，在混凝土中的体积分数为15％-25％，粒径为3mm-5mm。
6.根据权利要求1所述的一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，其特征在于，所述入模温度比日平均气温高3℃-7℃。
7.根据权利要求1所述的一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，其特征在于，所述水化热抑制剂设置为掺入水泥质量分数的0.5％-1.0％，使得混凝土水化热的温峰温度降低10℃-20℃。
8.根据权利要求1所述的一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，其特征在于，所述设置浇注方案包括：混凝土浇筑时，若浇注入模温度与混凝土基础的温差大于等于15℃，对混凝土基础采取加温措施；另外，对钢筋混凝土长墙实行跳仓浇注法进行浇注，每段的浇注长度为5米-12米，且不同浇注段之间设置V型金属止水板。
9.根据权利要求1所述的一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，其特征在于，使用所述组合钢制模板时，钢筋混凝土浇注完成后至少7天再进行拆模。
10.根据权利要求1所述的一种受侧面约束的钢筋混凝土长墙抗开裂方法，其特征在于，在所述结构内部散热措施中，在钢筋混凝土中布设直径为40mm-60mm的钢管作为冷却管，冷却管之间的间隔为0.5-1.2米，冷却管中以水作为工作介质，冷却管中水的流速以混凝土水化热的温峰为界，温峰之前通水量高，温峰后通水量缓和。
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