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止于至善

有混凝土的地方,就会有我

 
 
 

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学、河北工大、北京交大硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员、混凝土耐久性专业委员会委员,全国混凝土标准化技术委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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对混凝土施工缝的思考与建议  

2016-10-05 08:20:08|  分类: 建筑工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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        一般情况下,现浇钢筋混凝土结构连续不间断地整体浇筑,以免因浇筑中断时间过长而形成粘结强度薄弱的接槎界面。但是由于施工组织、施工技术、施工管理及临时措施等原因的需要,又不得不必须中断连续浇筑而使中断停歇时间超过混凝土的初凝时间,不得不形成一道临时中断浇筑的施工缝,待后根据工序安排和工程需要再接续浇筑,把先后分时浇筑的混凝土连接为一体。曾有人为避免或回避混凝土的临时中断停歇而想方设法试图欲求连续浇筑,往往都以失败告终。很难想象一座几十层的高楼,其混凝土浇筑能够一气呵成,从底到顶无中断连续完成。

1 混凝土施工缝留置位置的回顾

       关于混凝土浇筑时的施工缝留置位置,我国历次的施工及验收规范都有明文规定,并对某些结构给与具体标准。建国60年来,从1956年国家建委批准的《建筑安装工程施工及验收暂行技术规范》开始,直至2002年建设部发布废止的《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB5020492),我国的混凝土结构工程施工及验收规范总共有5个版本,其余三个版本是《钢筋混凝土工程施工及验收规范》(GBJ1065)、《钢筋混凝土工程施工及验收规范》(GBJ1065修订本)、《钢筋混凝土工程施工及验收规范》(GBJ20483),其中关于混凝土施工缝位置的留置一直沿用1956年翻译原苏联国家建设委员会1955年批准实施的《建筑安装工程施工及验收规范》的全部条文,并稍加注解而成,基本原则和内容基本没变,以后只有少量版本作以不大的改动。直至2002年版的《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB502042004)颁布执行,前规范《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB5020492)作废,才把施工缝留置原则、位置和技术处理方法不再作以具体规定,而在第7.4.5条只是指出,施工缝位置应在浇筑前按设计要求和技术方案确定。在此之前,施工缝的留置位置一直遵循和坚守的是“剪力较小”且“便于施工”的八字原则。如果仔细分析其条文的用词用字,就会发现技术要求并不严格,使用环境也比较宽松和灵活。条文在“剪力较小且便于施工”前冠以“宜”字,以示在条件许可时首先这样做,而在条件不许可时允许稍加另外选择,并不是必须照办执行。

2 施工缝界面的受力分析

施工缝处先后浇筑的混凝土界面上,存在着类似于整浇混凝土中骨料与水泥石间相互接触的过渡区,但要比整浇混凝土中骨料与水泥石的接触过渡区复杂得多,在同样的受力条件之下,施工缝处先后浇筑的混凝土结合面要比整浇混凝土骨料与水泥石的结合面还要薄弱得多,受力后可能先于整浇混凝土破坏。由于受力状态不同,其受力性能与变形特征表现也各异。

2.1 施工缝界面上的抗压强度

试验及工程实践表明,施工缝如果不加处理,界面上的抗压强度则稍有降低,如果经过对施工缝界面凿毛处理之后,不论是否铺设水泥浆或水泥砂浆,其抗压强度均不低于整浇混凝土,抗压强度不见降低。由此可见,受压混凝土的施工缝界面只要经过凿毛粗糙处理,完全可以满足设计要求的受压性能,关键在于界面的处理方法和处理质量。因此施工中我们应尽量把施工缝留置在承受压力的截面上。

2.2 施工缝界面上的抗拉强度

试验及工程实践表明,施工缝界面对其抗拉强度影响很大,影响程度与抗压强度一样都取决于界面的处理方法和处理质量(见表1)。

1 混凝土施工缝处理方法对抗拉强度的影响

名称

处理方法

抗拉强度(%)

水平缝

不除去混凝土表面的水泥薄膜

45

除去水泥薄膜后直接浇筑混凝土

77

除去水泥薄膜后铺抹水泥浆

93

除去水泥薄膜后铺抹水泥砂浆

96

垂直缝

用水冲洗界面

60

铺抹水泥浆或水泥砂浆

80

除去水泥薄膜后铺水泥浆或水泥砂浆

85

凿毛后铺水泥浆或水泥砂浆

90

从表1可见,施工缝界面的抗拉强度由于处理方法的不同,只能达到整浇混凝土的45%~96%,界面混凝土的抗拉强度高低取决于界面的处理方法和处理质量。并且又可以看到,无论采用何种处理方法,施工缝界面的抗拉强度无一例外地都低于整浇混凝土。

在普通钢筋混凝土结构中,受拉混凝土并不参加工作,其拉力由钢筋来承担,因此抗拉强度的降低对施工缝界面和整体结构强度影响甚微,一般可忽略不计,仅影响其裂缝的形成和发展。

2.3 施工缝界面上的抗剪强度

混凝土的抗剪强度虽然比其抗拉强度高,但仍然还是很低,一般只有抗压强度的1/5左右。普通混凝土中,施工缝处先后浇筑的混凝土,共同工作中粘结界面的抗剪强度起有极其重要的关键作用,它不但影响混凝土结构的整体受力性能,还影响结构的抗震性能。

由于施工缝对界面的抗压强度和整体混凝土抗压性能的影响甚微,而其抗拉强度对界面和整体混凝土抗拉性能的影响又可忽略不计,因此施工缝界面的抗剪强度的高低则凸显重要,这也是施工缝位置要求宜留置于剪力较小处的原因所在。试验收工程实践表明,施工缝界面的处理方法和处理质量,与其抗压强度和抗拉强度一样,对抗剪强度的影响同样也很大。施工缝界面处理得再好,抗剪强度也达不到整浇混凝土的85%,如果不作任何处理,只能达到整浇混凝土的20%左右,有时甚至还要低(表2)。

混凝土施工缝处理方法对抗剪强度的影响

序号

处理方法

抗剪强度(%)

1

表面不作处理

17.7

2

表面粗糙处理,露出石子用水冲净

39.8

3

表面凿毛,露出一半石子后用水冲净

24.8

4

混凝土同配合比水泥砂浆抹面,其余同2

61.8

5

混凝土同配合比水泥浆抹面,其余同2

77.8

6

10%UEA水泥浆抹面,其余同2

84.8

7

0.01%铝粉水泥浆抹面,其余同2

79.5

8

丙苯乳液砂浆抹面,其余同2

30.6

9

丁苯乳液砂浆抹面,其余同2

63.4

 

试验研究及分析表明,施工缝界面的剪力是通过界面处的粘聚力和磨擦力来传递的,而且混凝土强度超过1.2MPa以后,浇筑中断停歇时间的持续延长对界面抗剪强度的影响很小,但表面比较光滑的施工缝界面抗剪强度要比整浇混凝土显著降低。

2.4 施工缝对复合受力性能的影响

试验及工程实践表明,施工缝界面的抗拉强度和抗剪强度,如同前述,较没有施工缝的整浇混凝土都有所降低,然而抗拉强度的降低比率则要比抗剪强度要大。与此同时,在弯矩和剪力共同作用下的弯剪段,在梁剪力较大而弯矩较小的梁端,施工缝界面的粗糙处理显得非常重要,施工缝界面光滑则在荷载不大时就会提前破坏;而对于界面粗糙的施工缝来说,其应变特征及极限弯矩都与整浇梁相似。在拉剪复合应力作用下,施工缝界面处理不当的构件抗拉刚度较低,而抗剪刚度没有太大差别,但随其拉力的增加而抗剪刚度则随之下降。

综上所述,复合应力作用下的施工缝,对混凝土结构的受力性能及变形特性同样有着很大影响。与此同时,施工缝界面的处理方法和处理质量也同样影响受力性能。

施工缝的留置位置虽然在原施工及验收规范的各版本中都有规定,并以习惯作法在工程实践中得到广泛应用和普遍认可,但并不意味着对混凝土结构的强度和刚度没有削弱或降低。在施工缝界面处理方法得当及施工质量得以保证的前提下,只有受压及纯弯曲时,施工缝对其结构的影响才可忽略不计,但工程实践中这种结构并不多见。即使在良好的施工工艺及采用合适可靠的处理方法,施工缝界面的强度和刚度也比整浇混凝土要低。因此,施工缝位置的留置、界面处理及质量控制必须给与应有的重视。

施工缝宜留在“便于施工且受力较小”的位置

因为施工缝的抗压强度及抗拉强度对其结构受力性能影响甚小,因此才有可能认为混凝土施工缝界面的抗剪强度是决定施工缝位置所考虑的唯一受力因素,构成了“剪力较小”且“便于施工”八字留缝原则的前四个字。但实际工程实践中,却经常发生与“剪力较小”相悖的情况,不是人们从心里不愿意留置在“剪力较小”的位置,而是“剪力较小”的位置太不“便于施工”了。比如说,框架结构的梁柱混凝土强度等级不同时,为便于施工起见,并考虑减少高强度等级混凝土用量及不同强度混凝土的隔断,把施工缝留在距离柱边不远的剪力较大区段,而有甚者还留置在剪力最大的柱边;框架柱的施工缝并不因为上一个中剪力各截面相同而任意留置而留置在梁底或柱底板面;有时为梁内钢筋在柱中的锚固,而把施工缝留置在插筋的端部,这里弯矩和剪力都不小,而且受力复杂,常在柱端发生震害;剪力墙的施工缝也惯置于墙根部剪力最大处;楼梯斜板的施工缝习惯留置在平台梁边或梁上,此处剪力也最大或较大。由此可见,人们早就为了便于施工,而不把施工缝留置在剪力较小的位置了,“剪力较小且施工方便”的留置原则值得商榷。提出施工缝宜在“便于施工”且“受力较小”的位置。

“便于施工”且“受力较小”与传统惯用“剪力较小”且“便于施工”的八字原则只是一字之差及词序颠倒,其中“受力较小”不但应包括“剪力较小”,还应该包括其他各种受力在内。

提出施工缝留置于“受力较小”的位置多年前国内主已提出。我国行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》(JG32002)第13.5.8条及已作废《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》(JGJ391)第7.3.4条都有关于施工缝位置留置的规定,前者为“宜留置在结构受力较小且便于施工的位置”,后者为“宜留置在受力小且便于施工的位置”,两者区别在于前者比后者多一个“较”字,词意稍有区别,但不改其施工缝不宜留置于受力大或受力较大之处的留缝原则。

3.1 施工缝留置原则的分析

因为施工缝界面的混凝土强度对各种受力状态来说都有削弱,对其刚度都有不同的损害。比如说,受弯构件受拉区的拉应力过大,会使该处的施工缝引起过早开裂。因此提出包括剪力较小在内的受力较小,在考虑剪力较小的同时,也要顾及到其他受力也不能太大。

施工缝宜留置在“便于施工且受力较小”的位置,这是我们所希望的,与此相对应的留置位置还有可能会遇到“便于施工受力较大”、“不便施工受力较小”、“不便施工受力较大”等三种情况。当然,对于最后一种是我们所不希望见到应避免的,而对于另二种情况则不易取舍而难以确定。“便于施工”和“受力较小”之间有时是对立矛盾的,“便于施工”可能“受力较大”,反之,“不便施工”可能“受力较小”,当“便于施工”和“受力较小”两者不能同时满足时,怎样才能使这一对立矛盾统一起来,进行整体综合分析后妥善合理解决,以求一个在技术上可行、而对施工缝界面上受力状态又可以接受的施工缝位置。

3.1.1便于施工和受力较大

虽然我们留置施工缝的原则是“便于施工且受力较小”,但在工程实践中所遇到完全满足这一原则的情况并不多见,大多数情况都不可能同时满足。此时,如果把施工缝留置在受力较大处,尽管有人,甚至是很多人认为“受力不合理”,但在工程中却“不顾其受力不合理”的反对声中“明知故犯”,其中包括原各版本的施工缝位置的规定中也屡见不鲜留置在“剪力较大”“便于施工”的位置,也就是说,施工缝位置的选择往往先考虑便于施工,然后注意受力较小,基本内涵是遵守便于施工兼顾受力较小。

这方面的实例很多。比如说,不论是水平荷载还是垂直荷载作用下,框架柱的剪力沿柱高是等值分布的,而弯矩在柱两端最大,反弯点在柱中部或附近,只是底层柱的反弯点距离柱中部远一点,但根据原施工及验收规范或习惯作法,是将施工缝留置在梁底可板面标高处,这里的弯矩和压力都很大,而剪力也不小,尤其是接近受力复杂的节点核心区,极易发生震害,值得注意的是,对柱端也应提出“强剪弱弯”的技术要求,以保证在柱端塑性铰区达到预期的塑性转动之前,柱端塑性铰区不应出现剪切破坏,此处剪力等同其他截面,但由于施工缝处抗剪强度的降低,势必成为受剪的薄弱环节,从这些观点来看,施工缝位置似乎应留置在远离柱顶及柱底的柱中部,为此有人提出一折中的办法,将施工缝建议留置在离开柱上下端的箍筋加密区之外,但又给支模及钢筋安装等下续工序带来不便,看来此法也不可取。有时为框架梁上部纵向受力钢筋向下弯折后超过梁底标高而在柱中的锚固,将施工缝从梁底下移至框架梁锚入柱中插筋的端部,以利弯折后的钢筋安装,使施工缝的施工稍有改善。从便于施工的角度来讲,柱混凝土浇筑到梁底后停歇,便于下道接续工程梁的钢筋和模板安装,同时可使已浇筑的柱内混凝土得以充分下沉,避免柱内混凝土在梁底标高处产生下沉陷落裂缝;柱的施工缝留置在楼板板面标高处,可使楼板提供柱后续工程的操作平台,便于上层接续工程的钢筋和模板安装。施工缝有时位于梁底下20~30mm处,可避免结构受力后在变截面处的梁底标高处柱内产生应力集中裂缝。在已作废的《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB5020492)第4.4.18条中,把以前版本中的柱施工缝“应”留在基础顶面,修改为“宜”留在基础顶面,并在条文说明中指出,上一个的施工缝留在基础顶面,使基础无法回填土,且给楼层模板支撑安装带来不便,如果采取适当加强措施,施工缝也可留置在基础顶面稍高一些地方,这里灵活处置施工缝的方法,不是避开受力较大处,而是出于便于施工的需要。需要指出的是,柱施工缝的这种作法,同样会给柱模板及钢筋的安装带来不便。

贮水池和地下室外墙体的高度中部,水平截面的剪力及侧压力都比较小些,似乎应该把水平施工缝留置在墙体中部是无可厚非的,但实际工程中却偏把施工缝留置在剪力很大的墙体顶部盖板下,或留在剪力较大、接近墙底且很容易渗漏的墙体上,这主要也是因为施工缝接近墙底,既避免了水压最大的底板根部,又可把已浇筑完毕的底板作为操作平台,便于墙体模板和钢筋的安装。至于墙体下部不高位置上的模板安装并不十分困难。然而想把底板与墙体混凝土一起连续浇筑,会导致搭设操作平台和墙体模板及钢筋安装带来的许多困难,甚至很难完成。

大体积混凝土的浇筑,如经技术及施工组织的精心安排,是可以作到连续浇筑的,但从防止混凝土开裂等技术上的考虑,一般也应留置后浇带或采用“跳仓法”等技术手段组织施工,同时也留下了施工缝。

3.1.2受力较小和不便施工

试验及施工实践表明,施工缝位置的不大偏差和偏移,对其混凝土结构的受力性能的影响很小,危害最大的是对施工缝界面处理不当,处理方法和处理质量对其受力影响非常大,为此要求施工人员要给施工环境创造便于施工的优良条件,使得施工得以便利顺畅进行,以求施工方便也不费力,追求受力较小或受力最小。这样实例很多,比如说,简支斜板楼梯,尽管跨中剪力较小,施工缝留置此处受力合理,但因施工困难,施工人员并不愿把施工缝留置于此,而惯用传统作法而留置在平台梁上或平台梁侧。

3.2 施工缝界面的表面处理

施工缝界面存在一个类似整浇混凝土中骨料与水泥石之间的过渡区,而这个界面过渡区本来就是一个受力薄弱区,是一个各种受力状态的薄弱环节。由于先浇混凝土的亲水性,后浇混凝土会在先浇混凝土表面形成一层水膜,使界面处后浇混凝土的局部水胶比高于内部,使其界面混凝土强度有所降低。与此同时,由于先浇混凝土的阻碍和限制,后浇混凝土的泌水和气泡积聚在先浇混凝土表面之上,使其界面处混凝土的水胶比更显著提高,并使气孔和微小裂缝向施工缝界面处扎堆集结,施工缝处先浇混凝土露出的石子和水泥石与后浇混凝土界面接触。与整浇混凝土中的骨料与水泥石的界面接触不同,先后浇筑的混凝土界面局部集聚扎堆大量气泡以及裂缝等各种缺陷,使界面混凝土强度比整浇混凝土显著降低。为此我们自然而然地设想并证明行之有效的对其增强的方法是,像加强混凝土中骨料与水泥石之间的界面一样,来采取一定措施以加强施工缝的混凝土界面先后浇筑混凝土的粘结强度。

试验及工程实践表明,施工缝界面的表面经粗糙处理后可使抗拉强度和抗剪强度都有显著提高。在不伤害先浇混凝土的前提下,经适当粗糙才能获得较高的界面强度,一般以凿去1~2mm界面的水泥薄膜并露出石子,其表面平整度以3mm左右为宜,后用压力水冲净充分湿润后擦干积水。

界面处理除其表面粗糙凿毛之外,还应涂抹质量可靠的界面材料,其中包括低水灰比的水泥浆、水泥砂浆和各种界面剂,有时也可以掺入改善水泥或混凝土物理力学性能的化学外加剂。

水泥浆或水泥砂浆具有一定的粘结能力,能够包裹混凝土中的骨料并形成坚硬的水泥石,涂抹的水泥浆或水泥砂浆,将有一部分浸透到先前浇筑混凝土中去,充分浸润先浇混凝土;与此同时,在重力和机械振捣作用下,使后浇混凝土下沉、挤压和密实界面处的先浇混凝土。如果不涂抹这层界面材料,后浇混凝土中的水泥浆或水泥砂浆在界面处形成的过渡层过薄,或对先浇混凝土浸润不足,或出现漏涂,或出现空腔及空隙,都可导致施工缝界面的混凝土强度降低。试验及工程实践证明,采用水泥浆或水泥砂浆作为界面材料能够提高一定的粘结强度。

4 施工缝的方位

混凝土施工缝宜留置在受力较小的位置,然而在选择确定位置上的施工缝,因为与其轴线方向的夹角不同,截面上的应力状态也表现不同,众所周知,受弯构件简支梁的施工缝宜留置在跨1/3跨度范围内,施工缝截面应与梁中和轴垂直,对于非水平布置的倾斜构件,施工缝则不应为垂直地面的竖直缝。这是因为梁中部区段正截面上的剪应力较小或为零,但弯矩最大或较大,当考虑到剪力对施工缝界面的影响重于其他受力影响,我们常把施工缝留置在梁跨中的1/3范围内。从材料力学可知,正应力达到极值的截面上其剪应力为零,因此,我们应把施工缝留置在与主拉应力或主压应力相平行的截面上。在受弯构件中,除弯矩作用外,一般还承受剪力作用,在弯矩和剪力作用的弯剪区内,存在着弯矩和剪力组成的主拉应力和主压应力,因主应力与梁中和轴成45°夹角,因此在斜截面破坏区段,施工缝与主应力迹线平行,也就是说,应与中和轴成45°夹角,并与斜截面裂缝相垂直,不留置与梁中部一样的竖起缝。只有在梁中部区段内正截面剪力最小或较小的范围内才留置竖直缝。

综上所述,施工缝的存在或多或少对混凝土结构都会带来不同程度上的削弱和损害,因此,混凝土浇筑时应尽力不留或少留施工缝,必须不得不留置时,应对其施工条件和受力状态进行综合对比分析,在以便于施工为主的前提下,使施工缝尽量留置在受力较小之处,并根据受力状态留置竖直缝或与中和轴成45°的斜缝。同时还应注意施工缝的处理方法和处理质量,以保证施工缝界面混凝土的受力性能。


邱玉深

(辽宁省铁岭市第一建筑工程公司)

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