高性能与自密实混凝土技术在琴台大剧院中的应用

罗 靖 贾 霞

(1.武汉建工股份有限公司,武汉 430023;2.中南建筑设计院股份有限公司,武汉 430071)

1 工程背景

古琴台位于武汉三镇的交汇地段,依山傍水,自然环境得天独厚,最能体现山水城市相得益彰的意境,同时她也是具有悠久历史的文化古迹,“高山流水觅知音”的动人传说千古流芳,楚文化特色十分浓郁.

武汉琴台文化艺术中心一期工程—琴台大剧院是国家重点项目,坐落于汉阳月湖北岸、长江广场以西、梅子山以东,处于风景秀丽的月湖和汉江之间.琴台大剧院作为琴台文化艺术中心核心组成部分,将成为武汉最高档次的文化艺术表演场所,也是2007年第8届中国文化艺术节主会场.

该工程是由一个1800座大剧院、一个400座多功能厅、多个排练厅、汽车库、公共服务空间、交通辅助用房等组成,总建筑面积65 650 m2,建筑总高度40.300m.本工程地下1层(主台仓4层,深21m),地上6层.结构为框架-剪力墙结构,内含悬臂预应力大梁、26m长大跨度预应力梁以及大型钢结构.

工程高性能混凝土用量达65600 m3,主要由办公区、舞台区、观众区、休息区4大块组成,设计有一道永久性伸缩缝及8道后浇带,最大一块面积达4500m2,同时在舞台区及休息区设有劲性钢骨柱29根,其内混凝土采用了自密实细石混凝土.超长、超大面积及大体积混凝土是本工程结构的重要特点,其裂缝控制、混凝土的耐久性能成为了工程施工的重点与难点.

2 高性能混凝土的应用

本工程混凝土最大输送距离达280m,最大输送高度为40m,为满足泵送混凝土和大剧院复杂特殊造型的施工要求,大量采用了高性能混凝土施工技术[1].针对本工程的需要,配制高性能混凝土时,为了优选原材料和配合比[2],工程应用“双掺”技术,除提高混凝土的可泵性外,还有意识地预先通过试验确定低收缩率的混凝土配合比,同时减少水泥用量,降低混凝土的水化热和改善其收缩性能.

2.1 原材料的选择

选用优质的原材料,如底板施工中采用连续级配骨料,增大混凝土的密实度.严格控制混凝土出机和入泵坍落度,随不同施工阶段的设计要求与天气变化情况跟踪调整配合比,详见表1.

表1 原材料选用表

2.2 双掺技术的应用

在工程施工中,地下室底板使用KFDN-SP8外加剂,看台楼层等混凝土结构根据具体情况,选用FDN-9000高效缓凝减水剂、FE-C2外加剂等,这些高效外加剂具有高减水率和良好的保塑性能[3].掺外加剂混凝土与基准混凝土的减水效应比较如图1所示.

图1 减水效应对比分析图

根据本工程的具体情况,分别选用武汉发电厂、湖北科能环保公司等的I级或Ⅱ级粉煤灰,采用粉煤灰这种活性的水硬性材料代替部分水泥,补充泵送混凝土中的细骨料,提高混凝土的抗渗性、耐久性和流动性,并改善其可泵性和降低水化热,从而提高混凝土的后期强度.

2.3 配合比的选择

混凝土的配合比决定了混凝土的强度、抗渗性、和易性、坍落度、水泥用量、水化热大小、初凝和终凝时间以及混凝土收缩率等性能指标.根据结构的不同特点和设计要求、气候条件,掺入粉煤灰的影响以及施工现场的生产管理状况,采用不同技术指标,由实验室试配确定.

地下室底板施工阶段.根据现场条件,对底板混凝土提出以下指标:坍落度12～14cm;初凝时间6～8 h;掺加高效减水剂,超量掺加I级粉煤灰,减少水泥用量,降低水化热;通过试验选定收缩率较小的配合比.

为了确保混凝土具有高性能,工程提前对混凝土配合比进行了大量反复多次的试验,取得十几组试配数据,测试了不同配合比混凝土的收缩率及收缩与龄期的关系,并采用钢环试验方法测试混凝土的长期收缩情况.测定混凝土收缩率后,有意识地模拟浇筑一块混凝土试件进行试验,测试其温度变化和收缩率,确定了表2的配合比,其收缩率为0.12‰,且在14d后基本上不再收缩.实践证明,本配合比是成功的,用I级粉煤灰代替部分水泥,大大减少了水泥用量和降低了水化热,在确定了收缩率较小的配比后,据此收缩率确定底板分块的最大长度为45 m,相邻块之间混凝土浇筑的时间间隔为14d.

表2 底板C35S8高性能混凝土配合比

在看台楼层混凝土中,选择了不同的水泥和多种外加剂进行配合比试验研究,对外加剂的适应性进行对比试验,得出针对不同阶段和不同施工部位的优化配合比.看台采用FE-C2外加剂掺量为1.6%,Ⅱ级粉煤灰掺量为22%,既满足了混凝土的强度要求,又具有良好的可泵性和经济性.楼层采用FDN-9000高效缓凝减水剂和湖北科能环保公司的Ⅱ级粉煤灰得出的配合比即,水泥∶混合材∶砂∶石∶水∶外加剂=l∶0.23∶2.17∶3.20∶0.53∶0.016,水泥、砂、石、水 、粉煤灰 、外加剂用量分别为 332、722、1063、176、77、5.28kg/m3,水胶比0.4,含砂率40.4%,坍落度145mm,质量密度 2370 kg/m3,初凝时间5～8h,终凝时间8～10h.

2.4 合理增加施工缝数量以改善约束条件

在超大面积现浇底板、看台和楼层中,通过合理增加施工缝数量,降低了约束应力,减少了混凝土收缩,取得良好的效果.

在地下室底板混凝土中,为了有效控制混凝土底板的收缩变形,施工前经计算和研究,决定调整底板分块,将大块底板划分成小块进行施工,中间增加6条施工缝,把整个底板划分成16小块,每块长度基本控制在30m内,底板后浇带按设计要求采用橡胶止水片,施工缝和侧墙后浇带及外墙水平施工缝采用钢板止水片.后浇带、施工缝采用新型永久性模板-快易收口网.后浇带待其两侧混凝土龄期达2个月后再施工,采用比设计高一等级的微膨胀混凝土浇筑.底板混凝土的浇注采用跳仓法进行,相邻两块底板混凝土浇注时间间隔为14d,实践证明效果很好.

本工程形体庞大,看台楼层面积巨大,环状结构超长,为防止混凝土贯通裂缝的产生,并有效控制表面裂缝的开展,施工过程中在不影响结构整体性的前提下,兼顾施工方便,沿看台和楼层环向增设了两道施工缝,缝处增设构造配筋,合理划分施工流水段,使施工缝有效削减了混凝土结构的约束应力,减少了蓄热量与水化热的过度积累,避免了有害裂缝的产生.

3 自密实细石混凝土的应用

本工程在舞台区及休息区设置了29根颈性钢骨柱以支撑上部的钢结构屋盖体系,因劲性柱内钢骨、钢筋密集,混凝土很难按正常工序进行振捣,为此,采用了自密实混凝土施工技术[4]对劲性柱进行施工.

3.1 自密实混凝土的特点

自密实混凝土是在较低水灰比条件下,通过使用复合高效减水剂等外加剂和矿物细掺料配制的比一般流态混凝土的流动性更好,具备更良好的抗分离性、填充性、优良的穿越稠密钢筋间隙性能的新型材料.该混凝土拌合物在较低的水胶比下不经振捣仅靠自重就能填充到复杂模型的各个角落,使其具有均匀自密实成型性能.自密实混凝土消除了浇筑混凝土时的振捣噪声,提高了施工速度与质量,实现了混凝土浇筑时的省力化,为改善和解决过密配筋、薄壁、复杂形体等振捣困难的工程施工条件带来了极大的方便,对加快施工进度、保证工程质量具有重要的意义.

3.2 自密实混凝土工作原理

自密实高性能混凝土是在较低的水胶比下不经振捣仅靠自重就能填充到复杂模型的各个角落,具有均匀自密实成型的性能,又保证了混凝土硬化后具有优良的力学性能和优异的耐久性能.

3.3 自密实混凝土配合比的优化

优选原材料,降低胶结料用量,在保证自密实混凝土工作性同时,尽量降低砂率,并优化集料级配;在混凝土拌合物中加入矿物细掺料,由于矿物细掺料颗粒较细,比表面积较大,增加了浆体的保水能力和触变性,提高拌合物的抗分离能力;合理选用或配制复合高效减水剂;合理采用增粘剂以提高混凝土拌合物抵抗分离的能力.

3.4 原材料的选择及配合比的优化

在原材料的选用方面,水泥采用亚东水泥厂的42.5普通硅酸盐水泥;矿物细掺料采用湖北科能环保公司的Ⅱ级粉煤灰.砂采用的巴河河砂,细度模数为2.5.石子采用了黄石阳新碎石,5～20mm连续级配.外加剂采用以FDN萘系高效减水剂为主的复合外加剂以及多羧酸系减水剂.水采用普通自来水.工程所用自密实混凝土配合比见表3所示.

表3 自密实混凝土配合比(单位:kg◦m-3)

实际施工表明所配制的自密实混凝土具有良好的工作性,塌落度为253mm,塌落扩展度为600mm;在L型仪流动性试验中,流过800 mm长所用时间为34s,最终流平长度为990mm.因此,其流动性完全符合自密实混凝土的工作性要求,具体状况见图2.

图2 自密实混凝土工作性试验

4 结 语

由于工程的复杂性,超长、超大面积及大体积混凝土是本工程结构的重要特点,其裂缝控制、混凝土的耐久性能成为了本工程施工的重点与难点.为此,针对工程中所选用的材料情况,通过试验研究,制定出了能较好满足工程实际所需的高性能与自密实混凝土配合方案与施工方法,为工程质量的确保提供了技术上的支持.

通过采用以上技术保证了工程的高速施工进度,优质、稳定的施工质量,同时,也保证了周边环境,减少了污染,为文明施工起到了决定性的作用.

[1]GBJ146-90.粉煤灰混凝土应用规范[S].

[2]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[3]郑娟荣,覃维祖.高性能混凝土各组成材料的选择及实验研究[J].建筑技术,2003(1):23-25.

[4]CECS28:90.钢管混凝土结构设计与施工规程[S].