难度较大。施工中最担心的问题是大流态混凝土是否会在零下温度的环境中受冻开裂,强度等于0,为了掌握沉井混凝土泵送浇注过程中在低温条件下的温度变化规律,现场进行了温度实测和监控;现场实测结果,由于水化热的帮助,井壁温度在7~23℃之间,达到了温控预定的要求。上海基础公司对大型沉井采取排水下沉的方法,高水平的下沉到设计标高。施工结束后检查沉井混凝土的质量优良,没有肉眼可见裂缝,沉入长江23.5米各大泵房及主控室投入运行,为长江水源投产抢回了两个月的工期。1985年8月20日,在全线投产前的一个月,宝山湖水库如期蓄水。一期工程1985年9月投产时,符合生产需要的淡水源源不断地流入了宝钢厂区。沉井运行至今已有三十年头,未发现裂缝和渗漏现象。宝钢这一避咸取淡的经验为上海市2000多万人口的生命用水创造了利好经验,后来上海建成了成行水库,最近又建成了容量达到2亿多立方米大型水库—青草沙水库。上海市还要用这个避咸取淡的方法建造更多的水库。这对于宝钢和上海市乃至于全国江海交汇区域淡水资源应用做出了重大贡献。
今后在江海中浇灌大体积混凝土也必然遇到环形混凝土无缝施工的技术需求。这是一项具有历史意义的科研成果,为子孙后代生命水源造福。(原运至江边的烧锅炉设备运回)
1984年除夕零下11℃宝钢江心水泵房大体积混凝土利用水化热自养护控制裂缝成功
作者在长江中引水工程沉井泵房 右侧长江 左侧水库 中间系超长堤坝1986.7
宝钢宝山湖清洁淡水 宝钢长江取水泵房
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“跳仓法”施工工艺
1978年起,上海宝钢一期工程开始建设,我从武钢一米七工程被调到上海宝钢工程指挥部工作。中方A阶段设计审查时派我参加去日本考察和参观了日本的君津、大分和八幡等多家现代化大型钢铁厂,希望得到这些钢铁生产企业中的超长超宽大型热轧厂的混凝土基础工程施工的设计依据。这些工程基础采用裂了就堵,堵不住就排的设计原则,经过多年的使用实践考验,证明了可以完全满足现代化工业生产的使用功能要求。但是,我在日本几个大钢厂的轧钢基础中,还可以看到裂缝化学灌浆的痕迹。专家进行的技术交流中,日方专家的意见都是个人凭经验而得;各人回答不一,没有任何理论依据。普遍的看法认为:温度应力与结构长度没有关系,温度应变与结构长度也无关;他们的施工只是一种不得已的分段施工方法,日本是多地震国,变形缝橡胶止水带无法修复,结构长度与温度应力无关。换句话说,日方人员是知其然不知其所以然。所谓知其然,是指日方人员通过工程的施工和使用实践考验,认为他们自己在日本国内采用的这种施工方法,墙角设排水沟可以解决超长超宽大型热轧厂的混凝土基础的裂缝问题。所谓不知其所以然,是说日方人员没有作进一步的研究探讨,日本的规范,对各种工民建工程设置永久变形缝的规定,没有变化,这纯属被动的个例。他们只能解释为什么他们采用的办法可以解决这各别难题,是在建设过程中不得已被迫的权宜之计,该情况和我们以前谈的1975年武钢一米七工程热轧厂完全类似,日本的工程个例给了我新的启发,我大胆的设想,能否把热轧的不得已无缝浇筑的经验应用到现代其它工程领域?将是一项巨大的技术进步。
在日本的技术交流没有取得实质性的进展,我们只能靠自己的力量进行现场调研和观测,对设计、材料和施工等一系列有利于控制裂缝的技术难题进行系统的整理,沉淀和归纳,成为跳仓法的基础资料。特别是通过在宝钢泵送商品混凝土实践和研究,我们成功地认识了其所以然,由被动实施到主动控制。并率先提出了“抗放兼施,先放后抗,以抗为主、”的分块跳仓综合技术措施,推动了“跳仓法”施工的研究、发展、推广和完善。 宝钢一期工程大体积混凝土基础第一个“跳仓法”施工在初轧厂(热轧厂类似)实施,它比武汉钢铁公司1975年一米七轧机混凝土基础686米还长了230多米,是当时国内施工中最长的一个大体积混凝土基础。宝钢初轧厂基础长912米,宽80米,分五区12片116仓后采用了跳仓施工。分块浇筑施工的分块长度为30~40米。在C25混凝土结构的长墙上,虽部分位置有轻微裂缝产生,但经处理使用至今已达30年之久,仍能满足现代化大生产的使用要求。宝钢随后在高炉、热风炉、转炉基础和数座大型轧机的大体积混凝土基础施工采用了“无缝浇筑和跳仓法”混凝土基础。该跳仓法与平时不同,它不设变形缝和后浇带, 上海市第一个采用 “跳仓法”施工的工程项目是1992年建设,倪天增副市长人民广场地下车库和商业街,组成专家顾问组,我是专家之一。地下车库长176米,宽145米,地下两层,圈顶顶板周长591.6米。全部结构没有伸缩缝及后浇带,采用普通C3060d混凝土,也没有加特殊外加剂,结构未出现有害裂缝,使用正常。在这个工程中,对超长大体
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积混凝土温度场和应力场做了详细的观测,采用电阻式自补偿传感器再一次发现温度应力与长度的非线性关系。 上海最大的工程是八万人体育场,环形结构超长800余米,配合设计(林颖儒等)施工多次探讨了取消伸缩缝和后浇带的施工方案,最后不采用膨胀剂措施,只采用上海宝钢成功应用的跳仓法施工方案,我和上海建工集团叶可明等,始终跟踪工程,良好的扇形分仓布置,优选C30 60d 配比, 0.2—0.3mm裂缝的出现规律及处理,控制不产生有害承载力裂缝,取得圆满成功(与首都工人体育场24条永久性伸缩缝工程相比是一项突破)。其后在大连,河北首钢迁安,武钢,太钢,沙钢等热轧厂超长大体积混凝土都采用了无缝跳仓法,2007年,冶金建筑厦门分院邀请我去主持了一项420米超长地下大体积混凝土无缝工程取得了圆满成功,引起厦门市市领导和建设局的关心和重视,上海世博会主题馆,在三维监理公司和上海市人防办积极支持下,和上海地下设计院的紧密合作,采用了厦门市成果--地下350m无缝跳仓法人防工程,取代了原预应力,取消了变形缝和后浇带,建工集团二公司施工,工程质量优良节省了大量的投资,最早交付使用,是世博会唯一的跳仓法施工工程,不掺加膨胀剂和纤维,采取普通混土好好打的工程。又为国防工程,XX部队及XX部队地下工程应用,初建阶段采用抗裂剂(膨胀剂)产生了大量开裂,后被停止。近年中建各局都开始采用跳仓法,我做了技术服务工作。我完成了一本专著“抗与放的原则及其在跳仓法施工中的应用”,由中国建筑出版社出版,是这个领域的第一本书。2007年1月。获得2008年10月中华人民共和国新闻出版总署颁发的“原创图书奖”。在首都北京一批超长大体积混凝土无缝跳仓施工,如梅兰芳大剧院、蓝色港湾、顺义地区先后八个工程陆续成功的建成,至今已经成功的建成了九十余项工程。宝钢跳仓法施工最长达1300米超长无缝,是国内外最长的工程。许多工程经过多年使用实际情况如何我都进行了回访,虽然都出现过不同程度的无害裂缝,但是没有出现一个失败的先列。
普通混凝土好好打的真正含义
所谓“普通混凝土好好打”,不是我刻意提出来的,是我在总结六十年来控制混凝土工程裂缝和质量经验时,把各地各种工程实践中一些好的做法、特别是在宝钢的三十年实践,几百万立地下大体积混凝土不掺膨胀剂,不使用预应力,不掺纤维,不用冷却水管,总体施工质量都满足了现代化生产的设计要求,施工质量要求严格苛求。精炼和总结提供高品质混凝土自然的深刻体会;最朴实顺口讲出的 “普通混凝土好好打”八个字,是半个世纪以来实践经验的总结。但是,普通混凝土还存在很多问题需要改进和提高。
因为普通混凝土的原材料广泛丰富,容易制取,价格低廉,材料韧性好,结构刚度大,耐久性好,防火性能好,性价比最高,应用广泛,是国内外改变城市面貌的象征。根据国家统计局2011年我国水泥年产量20亿吨,同比增长16.1%,其中使用最普遍的最多的是
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C30~C40,约50亿立方米,名列世界前茅,是当代土木建筑工程中用途最广用量最大的工程材料。根据我的经验,混凝土均质性差,抗拉强度低,裂缝控制难度高是耐久性的要害,改善混凝土的均质性和提高混凝土抗拉性能特别是混凝土的极限拉伸,提高韧性是 “普通混凝土好好打”的内涵,它包括材料、施工和设计三个方面。简述如下:
普通混凝土好好打——精心设计、精心施工、精料供应,优质普通中低强度混凝土好好打,混凝土以提高韧性和均质性为目标,改进配合比和施工方法以及结构设计综合方法,最终达到耐久性良好的结构工程。
设计: 选择混凝土中等强度,加强构造设计、合理配筋、提高延性比,降低约束度,
探索设计“延性结构系统”取消永久性变形缝,应用固接取代铰接以抗为主的混凝土本体自防水,以超静定取代静定结构新思路。
施工:从粗放型改进为严谨性,结合不同季节,不同结构形式发展养护技术,控制坍
落度,严格执行保温保湿的技术措施,降低温差及收缩差,掌握裂缝处理技术。 材料:抗拉性能的深入研究,优选抗拉、抗弯、抗剪配合比,低水化热,低收缩,严格控制砂石骨料的含泥量(提高抗拉性能,降低收缩),提高均质性,降低变异性,合理优选掺合料、高效减水剂,满足强度要求条件下,尽量减少水泥用量。合理控制水胶比,骨灰比,严格控制粗骨料表面质地和形状。掺和料(粉煤灰及矿粉)是混凝土的抗裂和耐久性不可缺少的重要的组成部分,将混凝土的高效减水剂和掺合料称为混凝土的第五第六组分,普通混凝土具有良好的后期潜力,利用时间控制裂缝。利用混凝土的60天和90天的强度降低水泥用量,加强研究混凝土的俆变,收缩,热变形等规律,研究质量力引起的裂缝与破坏。混凝土材料领域最大的成就莫过于聚羧酸高效减水剂,对裂缝控制有很多的好处,减水率高,特别是减缩作用(收缩率比只有0.9-0.95)但是必须看到,应用时注意它的过敏性和其它材料的相容性。
裂缝“抗与放”的控制原则Principle of Cracking Control “Concept design theory”作用力ActionS 抗力Resistance R作用效应与抗力的博弈S ≤RS-作用效应(温度收缩沉降)在结构设永久性变形缝,通过变形缝的位移达到释放能量的目的,称为“放”为主的原则或结构每一点都有实际位移(放)和约束应变(抗)。R-结构材料的抗力,即提高混凝土的抗拉强度或极限拉伸,通过弹性应变吸收能量,称为“抗”的方法。经常采用“抗放兼施,以抗为主,或以放为主的方法”。Ein=We+Wp+Wc+Wu+WplEin—输入结构总变形能We—弹性(约束应变)能(抗)Wp—徐变耗散能(放)Wc—微裂耗散能(放)Wu—位移释放能Wpl—塑性变形耗能(放)确保约束应变能<结构极限应变能在“能量守恒”基础上产生了“抗与放”的设计准则 44
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我们经常看到,同一个设计图纸同一个施工队伍同一个搅拌站按同一个配合比所供应的混凝土,在同一栋楼里个房间裂缝状况是不同的,这就是均质性问题,因为混凝土结构的抗裂性能,具有高度的敏感性,微小的差别就会引起结构的开裂或不开裂。超长混凝土的无缝设计施工—跳仓法取得成功的关键是控制裂缝系统的各关键节点,必须重视,如图
结构宝钢钢铁研究所 材料施工工程结构裂缝控制链环境裂缝处理地基
跳仓法超长大体积混凝土裂缝控制链 普通混凝土棱柱体慢速轴拉试验 当我梳理处理裂缝的经验时遇到的最大困惑是膨胀剂问题,这是我们中国建设领域中最大的谜团。因为我常被邀请去工程现场处理裂缝时发现因采用膨胀剂后而工程又产生了大量的收缩裂缝,问题占的比例约占70%—80%,至少可以说,“膨胀剂没有起到补偿收缩的作用”,这是为什么?我对膨胀剂的认识有一个过程。最早80年代末,裂缝层出不穷的时候,我看到有人引证1965年美国有人设想“相信未来在所有的水泥中加入膨胀剂,对于解决混凝土的干缩裂纹危害并不是不可能的”,我国著名混凝土专家吴中伟教授指出,“可以预见膨胀剂水泥与补偿收缩——自应力混凝土将有可能在一些工程中逐步代替普通水泥和普通混凝土。研发者认为UEA可以掺入五大水泥中,内掺10%—12%的UEA,可以配置成补偿收缩混凝土。UEA混凝土的凝结时间和坍落度损失比普通混凝土稍快,使用灵活方便,保存期较长,价格便宜用途广泛。美国ACI223委员会,混凝土膨胀值等于或稍大于预期的干燥收缩值,通过配筋或其它措施产生预压应力0.2—0.7Mpa,补偿收缩拉应力。膨胀剂限制膨胀率达0.025%就可以避免收缩裂缝的目的(我和研究生们多年测试,都说明缺乏依据),它可全部补偿了因水泥硬化收缩引起的拉应力,除了抵消水泥硬化的拉应力外尚有剩余,储存与混凝土内部(显然这是创造无收缩裂缝基本依据)。在我国很多资料中一再重复上述观点,生产膨胀剂厂迅速增加,说我国已成为“膨胀剂大国”,1990年列为国家重点推广项目,许多工程掺膨胀剂的原因是设计院在图纸上注明了必须掺膨胀剂的要求。但是,通过处理大量工程实践,实际情况如何呢?在我所处理的裂缝经验中,约有70%到80%的补偿收缩混凝土(掺膨胀剂混凝土,包括膨胀加强带和膨胀后浇带)都未能起到补偿收缩作
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