专利名称：管段制作混凝土裂缝控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种混凝土裂缝控制方法，特别是一种管段制作混凝土裂缝控制方法，属于建筑工程领域。
背景技术：
在一些大型地下工程及水下工程中，混凝土结构的防水显得特别重要。地下工程的防水技术早期都依赖于内部或外部的附加防水层，地下工程的防水技术已集中于混凝土自身的抗裂及防渗，特别是防裂技术。混凝土产生裂缝的根本原因是早期内部应力大于同期混凝土自身的抗拉强度所致，这些应力的产生是由于外界约束、温度差异、沉降差异以及失水干缩等因素。控制裂缝的方法就是有效地控制这些裂缝发生的因素。近年来，在一些大型地下工程中，裂缝控制方法研究工作得到了一些发展。在一些大型工程中，采用了一些诸如改善混凝土配合比、合理的结构分段、降低入模温度甚至采用混凝土内部设置水冷却循环系统等方法，混凝土裂缝得到一定的控制。经文献检索发现苏权著《广州珠江隧道沉管预制裂缝原因分析与防治》，收录于《市政技术》1993(3)38～42，该文提及为了确保沉管施工的质量，避免裂缝的发生，施工时采用①控制混凝土浇捣时入仓温度≤28℃；②混凝土采用掺入粉煤灰、减水剂的“双掺技术”，降低水泥用量；③各施工段分底板、侧墙、顶板三次施工，以及设置后浇带，在侧墙中设置冷却管等方法。史海欧著《香港新机场铁路沉管隧道裂缝控制》收录于《施工技术》1998(11)13～14，文中提及优化混凝土配合比，降低水化热；严格限制混凝土浇捣温度；通过水循环养护等施工手段及预压应力设计等措施控制裂缝。文中还提及采用super20的超塑剂和daracem100的缓凝减水剂，以降低混凝土的水化热。从以上一些现在的混凝土抗裂方法看，虽然现在的抗裂方法起到了一定作用，但是明显有以下一些不足①没有全面分析裂缝的原因，并采取相应的针对性措施；②都没有从减少或降低新老混凝土之间的约束的角度采取措施；③施工流程还存在不合理之处(如侧墙和顶板分开浇捣)；④对于失水干缩没有足够重视；⑤水循环冷却系统没有充分结合温度场分析作合理布置，具有一定的盲目性。裂缝控制的方法不全面或不完整，只针对诱发裂缝的部分因素，在有些工程可能可以达到一定的效果，但没有普遍的适用性，现有的控制方法具有明显的缺陷和局限性。
发明内容
本发明针对混凝土裂缝产生的原因，为了克服现有控制技术的缺陷，提供一种管段制作混凝土裂缝控制方法。管段混凝土裂缝发生的原因具体来说主要有①混凝土水化热使混凝土内部温度上升导致的温差应力；②先期完成的底板或侧墙对新浇筑混凝土的约束导致约束应力；③施工中基础的差异沉降导致变形应力；④施工中的某些因素(如对拉螺栓的采用)导致局部薄弱点应力集中；⑤混凝土养护过程中失水导致的干缩应力等。这些因素中的一个或几个发挥作用时，可能导致混凝土裂缝的发生。本发明针对这些因素，进行分析和计算，从而采取适当的控制措施达到控制裂缝发生的目的。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的控制方法具体如下①确定混凝土配合比，降低水化热方法；②分析混凝土内部温度场，结合实际工况条件布置冷却水循环方案；③根据裂缝产生的因素采取相应的技术措施；④确定管段施工流程。以下对本发明进一步详细描述1、确定混凝土配合比，降低水化热方法具体如下在拌制时采取措施，降低入模温度，混凝土的不同配合比的水化特性具有很大的区别，特别是水泥用量、外掺剂的选择等具有很大的影响，提高混凝土性能，增加抗裂性能必须做到(1)在确保强度的前提下，选用较低标号的水泥，并尽量减少水泥用量；(2)在配合比中采用“双掺技术”，即掺入胶结掺和料、外加剂材料，如掺入粉煤灰和减水、微膨胀复合外加剂；(3)配置多种配合比，进行绝热温升、干缩、弹性模量等指标测试，以选择最佳配比；(4)实际拌制中采取降低原材料温度，掺入冷却水或冰水拌制混凝土，以降低混凝土的入模温度。
2、分析混凝土内部温度场，结合实际工况条件布置冷却水循环方案具体如下首先，分析混凝土内部的温度场及其随时间变化的过程和规律(1)确定混凝土的水化绝热温升曲线及相关的热工参数；(2)确定管段施工的环境条件，如气温变化规律、通风条件等；
(3)确定管段制作工艺中，管段的基本参数和模板等相关材料的热工特性；(4)确定其他一些计算分析需要的参数；根据选定的参数分析和计算混凝土内部温度场的变化规律，根据分析，新老混凝土的结合面是敏感区域，必须加以重视。
然后，结合温度场分析，合理布置混凝土内部水循环冷却系统(1)明确施工阶段的环境条件，选定基础参数；(2)在系统的敏感区域设置冷却管，并进行分析和比较，找出合理的布置方式；(3)进一步计算和分析，确定水循环的温度、流量和时间，明确水冷却的具体方案。
3、根据裂缝产生的因素采取相应的技术措施具体如下根据裂缝产生的因素分析采用一系列必要的技术措施，以减少约束应力、沉降变形应力、局部应力集中和收缩应力(1)对于约束应力的产生，首先调整管段制作工艺流程，将侧墙和顶板同时浇筑，消除侧墙对顶板约束；通过采用整体移动式模板体系，提高施工效率，缩短底板和侧墙浇捣时间的间隔，减小先期浇捣结构的约束刚度；在底板浇捣时先完成部分侧墙的施工，进一步减小先期施工混凝土的约束刚度；(2)采用刚性内外模板体系，取消对拉螺栓的使用，避免螺栓处局部应力集中；(3)合理划分施工区段、设置合理的管段基础、设置分段间的后浇带，减少因基础差异沉降导致的变形应力以及混凝土收缩产生的收缩应力；(4)采用合理的养护措施，保持混凝土的温湿度，防止干缩应力的产生。
4、确定管段施工流程具体如下(1)底板和部分侧墙的施工，采用合理的分段长度，一般为15～20m；(2)底板完成，并达到中隔墙施工所需强度要求后，开始中隔墙施工；(3)中隔墙完成后，开始侧墙和顶板的施工，施工采用刚性可移动式支架，提高施工效率，施工中严格控制施工时间，侧墙及顶板的浇捣在底板达到施工所需的强度要求后立即实施；(4)相邻区段的施工，工序要求同(1)～(3)；(5)相邻区段完成施工，并沉降稳定后，完成后浇带施工。
本发明具有实质性特点和显著进步，在科学分析的基础上，合理采取技术措施，可以有效控制管段混凝土裂缝的发生。
具体实施例方式
结合本发明内容提供以下实例以某隧道管段制作为例，该工程具有混凝土管段4节，管段横断面外包尺寸为22800×8450mm，为双孔矩形箱式结构。管段净高6100mm，单孔净宽9200mm。管段中间为5600×1400mm的设备管廊。管段底板厚1200mm，顶板厚1150mm，侧墙厚950mm，中隔墙厚550mm。具体如下1、选用合理的混凝土配合比混凝土配合比设计原则为a)采用水化热较低水泥品种；b)减小水灰比；c)掺入粉煤灰和减水剂，以延缓混凝土降温速率；d)采用自然连续级配的粗骨料，增大粗骨料粒径；e)采用细度模数较大的细骨料，以中粗砂为宜，并尽可能降低砂率；控制石、砂骨料的含泥量；f)掺以粉煤灰，减小水泥用量。
通过配合比的比选，最终选定了以下配合比
经过测试，该配合比的绝热温升、抗拉强度、弹性模量、极限拉伸值及干缩值等指标性能均是良好的2、分析混凝土内部温度场变化规律首先根据管段的在水化过程中的热传导特性，确定管段温度场选用有热源平面非稳态热传导模型。将上述温度场问题转化为等效的泛函驻值变分问题，然后采用有限元求解。再确定管段混凝土材料配合比和物理热力学性能参数、模板等施工材料的热力学参数以及环境条件。在空间域上采用有限元网格离散，而在时间域上采用有限差分离散，经过复杂而繁琐的推导，得出了温度场有限元列式。
根据管段施工工艺流程安排，经过计算底板、侧墙的温度场得出混凝土浇捣后随着水化热的产生，内部温度升高在大约40小时达到最大值。同时底板内的温度梯度相对比较均匀，而侧墙在与底板结合部分的温度梯度较大，而且在该部位新浇筑混凝土受到先期浇捣的混凝土的约束，开裂的可能性较大。
3、经分析确定了混凝土内部水冷却系统的方案在温度场分析的基础上，考虑在容易开裂的侧墙与底板结合面以及上部区域内设置冷却管。
首先确定冷却管布置的方式，在温度场分析中加入冷却管，在分析中采用了几种布置方式进行对比。根据计算结果最终采用了在侧墙内布置两排冷却水管的布置方式，水管间距为底部间距小，到上部逐渐加大，使水管降温后，侧墙内的温度梯度比较平缓。
在确定了水管布置方式后，再根据温度场热力平衡原理确定了冷却水的温度、流量以及随时间变化的要求，最终得出了水冷确的具体方案。
4、采用了一系列的控制裂缝的技术措施在分析了管段可能产生裂缝的因素后，采用了以下一些技术措施(1)管段采用分为五段制作，每段的长度在15～20m之间，在结构分段之间设置宽度为1.5m的后浇带共四段，防止因为差异沉降或管段收缩产生的裂缝；(2)管段底板制作时，浇捣高度为2m，完成800mm高的侧墙制作，以减少底板对侧墙的约束；(3)管段侧墙和底板之间的浇捣间隔控制在12天以内，以减少先期浇捣的侧墙对上部侧墙的约束。侧墙和顶板同时浇捣，消除侧墙对顶板的约束；(4)内部模架采用刚性可移动支架，外侧采用H型钢为支承体系的刚性模板体系，取消侧墙内对拉螺栓的使用，避免局部应力集中现象；(5)采用良好的养护措施，底板采用蓄水养护，侧墙为喷淋养护，顶板同样采用蓄水养护。同时在分段两侧洞口悬挂土工布防止空气流动带走水份，导致侧墙和顶板底面失水干缩。
5、最后确定管段制作的流程根据前面的各项分析，管段的最终制作流程为(1)管段总体为从中部向两侧施工，首先施工中间段；(2)每小段施工首先施工底板以及800mm高侧墙，采用蓄水养护，无法蓄水的侧墙采用覆盖土工布后浇水养护；(3)底板施工一昼夜后开始施工中间隔墙，浇捣高度为4.6m，控制在4天内完成；
(4)中隔墙施工完成后，立即开始侧墙和顶板的施工，浇捣高度为6.45m。支架采用刚性可移动支架，控制施工时间为7天以内。侧墙与底板及下部侧墙的浇捣间隔时间控制在12天之内；(5)相邻施工段完成并沉降基本稳定后制作后浇带，最终将管段连为整体。在本工程中，制作完成的施工段，基本在40以内达到沉降稳定。
实际效果该隧道全部四节管段制作完成后，均未发现明显的裂缝。在管段浮运、沉放及目前的隧道正式运营阶段，管段均未发现渗漏水现象，管段裂缝控制取得了成功。该实例与以往的控制方法相比较具有以下优点(1)选择比较了几种混凝土配合比，最终选定了一种性能较好的配合比；(2)分析了混凝土内部的温度场及其变化规律，在此基础上选定了比较合理的混凝土内部水冷却方案；(3)在分析裂缝原因的基础上，采用了一系列针对性抗裂技术措施；(4)选择了合理的施工分段和流程，最终达到了抗裂效果。
权利要求
1.一种管段制作混凝土裂缝控制方法，其特征在于具体如下①确定混凝土配合比，降低水化热方法；②分析混凝土内部温度场，结合实际工况条件布置冷却水循环方案；③根据裂缝产生的因素采取相应的技术措施；④确定管段施工流程。
2.根据权利要求1所述的这种管段制作混凝土裂缝控制方法，其特征是确定混凝土配合比，降低水化热方法具体如下在拌制时采取措施，必须做到(1)在确保强度的前提下，选用较低标号的水泥，并尽量减少水泥用量；(2)在配合比中采用“双掺技术”，即掺入胶结掺和料、外加剂材料；(3)配置多种配合比，进行绝热温升、干缩、弹性模量等指标测试，以选择最佳配比；(4)实际拌制中采取降低原材料温度，掺入冷却水或冰水拌制混凝土。
3.根据权利要求1所述的这种管段制作混凝土裂缝控制方法，其特征是分析混凝土内部温度场，结合实际工况条件布置冷却水循环方案具体如下首先，分析混凝土内部的温度场及其随时间变化的过程和规律(1)确定混凝土的水化绝热温升曲线及相关的热工参数；(2)确定管段施工的环境条件；(3)确定管段制作工艺中，管段的基本参数和模板等相关材料的热工特性；(4)确定计算分析需要的参数；然后，结合温度场分析，合理布置混凝土内部水循环冷却系统(1)明确施工阶段的环境条件，选定基础参数；(2)在系统的敏感区域设置冷却管，并进行分析和比较，找出合理的布置方式；(3)进一步计算和分析，确定水循环的温度、流量和时间，明确水冷却的具体方案。
4.根据权利要求1所述的这种管段制作混凝土裂缝控制方法，其特征是根据裂缝产生的因素采取相应的技术措施具体如下(1)首先调整管段制作工艺流程，将侧墙和顶板同时浇筑，采用整体移动式模板体系，在底板浇捣时先完成部分侧墙的施工；(2)采用刚性内外模板体系；(3)合理划分施工区段、设置合理的管段基础、设置分段间的后浇带，减少因基础差异沉降导致的变形应力以及混凝土收缩产生的收缩应力；(4)采用养护措施，保持混凝土的温湿度。
5.根据权利要求1所述的这种管段制作混凝土裂缝控制方法，其特征是确定管段施工流程具体如下(1)底板和部分侧墙的施工，采用合理的分段长度，一般为15～20m；(2)底板完成，并达到中隔墙施工所需强度要求后，开始中隔墙施工；(3)中隔墙完成后，开始侧墙和顶板的施工，施工采用刚性可移动式支架，侧墙及顶板的浇捣在底板达到施工所需的强度要求后立即实施；(4)相邻区段的施工，工序要求同(1)-(3)；(5)相邻区段完成施工，沉降稳定后，完成后浇带施工。
全文摘要
一种管段制作混凝土裂缝控制方法属于建筑工程领域。管段制作混凝土裂缝控制方法具体如下①确定混凝土配合比，降低水化热方法；②分析混凝土内部温度场，结合实际工况条件布置冷却水循环方案；③根据裂缝产生的因素采取相应的技术措施；④确定管段施工流程。本发明具有实质性特点和显著进步，在科学分析的基础上，合理采取技术措施，可以有效控制管段混凝土裂缝的发生。
文档编号B28C7/04GK1398706SQ0213667
公开日2003年2月26日 申请日期2002年8月27日 优先权日2002年8月27日
发明者朱卫杰, 刘千伟, 林政 , 陈鸿, 沈永东 申请人:上海隧道工程股份有限公司