摘 要:結(jié)合某地下室基礎(chǔ)混凝土工程的裂縫分布規(guī)律,對超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生機理進(jìn)行了分析,并從設(shè)計與施工方面探討了混凝土裂縫的控制措施。工程實踐表明:采取合理的結(jié)構(gòu)形式,選用合適的水泥及混凝土骨料,摻加合適的粉煤灰、緩凝減水劑以及聚丙烯纖維;同時采用合理的混凝土配合比和構(gòu)造措施并運用優(yōu)化的施工方法,就可以有效地控制超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。
關(guān)鍵詞:地下建筑;超長結(jié)構(gòu);混凝土裂縫;裂縫控制
中圖分類號: TU926; TU93 + 1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B 文章編號: 1008 - 3707 (2007) 04 - 0037 - 03
在超長結(jié)構(gòu)混凝土工程施工中,由于大體積混凝土水泥水化熱引起混凝土內(nèi)部溫度及溫度應(yīng)力劇烈變化,會產(chǎn)生溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力,致使混凝土產(chǎn)生裂縫。因此,控制混凝土澆筑時的內(nèi)外溫度及降溫速度,是工程質(zhì)量控制的關(guān)鍵。以下就裂縫的產(chǎn)生與控制予以分析。
1 超長混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫成因
混凝土結(jié)構(gòu)在施工和使用過程中不可避免地經(jīng)常出現(xiàn)不同程度、不同類型的裂縫[ 1, 2 ] 。這些裂縫大多是因荷載及溫度變化而引起的。
?、倩炷潦芗s束產(chǎn)生裂縫:混凝土在受到內(nèi)部和外部約束時會產(chǎn)生拉應(yīng)力,出現(xiàn)裂縫。
?、谑芾a(chǎn)生裂縫:由于混凝土的抗壓強度遠(yuǎn)大于其抗拉強度。大體積混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其極限抗拉強度時將產(chǎn)生裂縫。
?、蹨囟壬仙鸬牧芽p:水泥水化熱是引起大體積混凝土中的溫度變化的主要因素。由于混凝土表面散熱條件較好,熱量容易釋放,因而溫度上升較少;而混凝土內(nèi)部由于散熱條件較差,使溫度上升較多而形成內(nèi)約束。其結(jié)果使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力、面層產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)該拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時,混凝土表面就產(chǎn)生了溫度裂縫[ 3 ] 。
?、芙禍禺a(chǎn)生的裂縫:混凝土澆筑后經(jīng)過一段時間,水泥水化熱基本上已釋放,混凝土從較高溫度逐漸降溫,引起混凝土收縮,同時由于混凝土中多余水分蒸發(fā)、碳化等引起的體積收縮變形,受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束,不能自由變形,導(dǎo)致產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時,則從約束面開始向上開裂形成裂縫。
2 超長結(jié)構(gòu)混凝土的裂縫控制
在超長結(jié)構(gòu)控制溫度裂縫方面,根據(jù)溫度應(yīng)力與長度非線性關(guān)系,應(yīng)用“抗與放”原則,具體思路如下:
第一,“放”的方法是減少約束體與被約束體之間相互制約,以設(shè)置永久性伸縮的方法,將超長的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)分成若干段,以釋放大部分變形,減少約束應(yīng)力。
第二,“抗”的方法是采取措施減少被約束體與約束體之間的相對溫差,改善配筋,減少混凝土收縮,提高混凝土抗拉強度。
第三,“放”與“抗”結(jié)合的方法是在施工期間設(shè)置臨時伸縮的后澆帶,把結(jié)構(gòu)分成若干段,這樣可以有效削弱溫度收縮應(yīng)力。在施工后期,將若干段澆筑成一整個,以承受約束應(yīng)力。
2. 1 工程概況
本工程位于江蘇省吳江市盛澤鎮(zhèn),建筑面積為17 308 m2 , 其中人防面積為10 689 m2 , 南北長206. 5 m, 東西長82. 9 m。地下室底板埋深- 5. 700 m,頂板面標(biāo)高為- 1. 600 m,覆土1. 3 m,地下室上部為3幢11層住宅樓,工程場地按6度抗震要求設(shè)防,地震動峰值加速度為0. 05 g。該工程基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ),地下室底板厚600 mm,頂板厚250 mm,地下室混凝土用量16 000 m3 ,采用泵送混凝土,混凝土強度等級為C35,抗?jié)B指標(biāo)為S8。超長、超大面積是本工程結(jié)構(gòu)的重要特征,因此其裂縫控制也就成為設(shè)計與施工的重點與難點。
2. 2 裂縫控制分析
2. 2. 1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及構(gòu)造措施 為控制混凝土裂縫,在設(shè)計與構(gòu)造方面采取了以下措施:
① 地下室底板、外墻、頂板裂縫計算均按0. 2 mm控制計算。對于外墻,由于受到底板的較大約束,造成約束力上小下大,外墻下部1 /2 高度內(nèi)配筋加密為14@150。
②在地下室外墻與柱子相連部位,由于兩者截面和配筋率相差大,往往在相連部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而導(dǎo)致開裂,為分散此處應(yīng)力,而增加了水平構(gòu)造。
③另外±0. 00與地下室頂板標(biāo)高相差1. 60 m (圖1)且頂板上覆土1. 3 m,對控制頂板的溫度差及釋放南北方向的應(yīng)力起到一定的有利作用。
④工程地下室部分設(shè)置了8道沉降后澆帶及伸縮后澆帶(伸縮后澆帶混凝土的澆搗時間視實際情況定,但最小時間差不應(yīng)小于60 d,沉降后澆帶須在主體結(jié)頂后澆筑) ,將地下室共分成了21塊,主樓長度達(dá)71 m,設(shè)伸縮縫一道(圖2) 。
2. 2. 2 混凝土配合比設(shè)計 就裂縫控制而言,混凝土的配合比至關(guān)重要。結(jié)合工程實際,選用低水化熱水泥并填加外加劑,可有效控制裂縫的產(chǎn)生。
(1)水泥和骨料的選擇:根據(jù)水化熱絕對溫升計算公式[ 1 ]可知,減少水泥用量可降低水化熱。為降低水化溫升、減小體積變形,減少出現(xiàn)裂縫,在滿足設(shè)計要求的前提下,選用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣水泥。
地下室部分混凝土等級為C35,采用42. 5級礦渣硅酸鹽水泥,水泥熱量Q = 334 kJ /kg。骨料選擇連續(xù)級配骨料,增大混凝土的密實度。粗骨料含泥量控制≤0. 5%,細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2. 02～2. 4的中砂,含泥量≤0. 5%。混凝土坍落度140～150 mm,容重2 450 kg/m3 ,采用機械振搗和泵送施工。
(2)配合比設(shè)計:根據(jù)工程的特點和設(shè)計要求、氣候條件,摻入粉煤灰的影響以及施工現(xiàn)場的生產(chǎn)管理狀況,采用不同技術(shù)指標(biāo),由實驗室試配確定配合比。
(3)外加劑:在混凝土中摻入活性材料粉煤灰,可改善混凝土的粘塑性,代替部分水泥,減少混凝土的用水量和水泥用量,從而降低水化熱;還可減少混凝土中的孔隙,提高混凝土的密實性和強度,提高抗裂性。但同時應(yīng)注意到摻入粉煤灰的混凝土早期抗拉強度及早期極限拉伸有小量的降低,但后期強度不受影響。此外,根據(jù)大體積混凝土的強度特性,對早期抗裂要求較高的工程,粉煤灰的摻量應(yīng)限制在較小的范圍內(nèi)[ 4 ] 。鑒于此,本工程混凝土中粉煤灰的摻入量控制在水泥用量的20%左右。
為使施工現(xiàn)場的混凝土具有足夠的塌落度,在地下室底板、墻板、頂板混凝土中還摻加了HPM - 2高效緩凝減水劑以進(jìn)一步降低水泥用量。緩凝型減水劑還有抑制水泥水化作用,可降低水化溫升,有利于防裂。另外還可延遲水化熱釋放速度,熱峰也有所降低;可以緩凝,在大體積混凝土中可以避免冷接縫,提高工作性及流動性,有利于泵送。減水劑摻量2. 2%(根據(jù)廠家實驗數(shù)據(jù)定) ,約減水泥用量20 %。
(4)摻加其他材料:為了增加混凝土的韌性,提高混凝土的抗拉能力,在施工中還加入防裂抗?jié)B聚丙烯( PP)改性纖維,摻加量為0. 9 kg/m3。根據(jù)工程要求,實際采用的配合比如表1所列。
2. 2. 3 施工措施[ 5 ] 混凝土在凝結(jié)過程中產(chǎn)生的收縮受到約束后產(chǎn)生收縮應(yīng)力,當(dāng)其大于混凝土的抗拉強度時就會產(chǎn)生裂縫。為了有效控制其中有害裂縫(寬度> 0. 2 mm)的展開,本工程在施工中采取了以下4種措施。
(1)設(shè)置膨脹加強帶:兩側(cè)架設(shè)密孔鐵絲網(wǎng),防止兩側(cè)混凝土流入其中;在膨脹帶外側(cè)采用微膨脹混凝土(UEA - H摻量為8% ) ,膨脹加強帶則采用大膨脹混凝土(UEA - H摻量為10%) ,到加強帶另一側(cè)時又改為微膨脹混凝土。
(2)溫度控制措施:混凝土澆注安排在夜間進(jìn)行,以便降低混凝土的初始溫度,防止其在澆筑過程中過早硬化和出現(xiàn)裂紋?；炷翉牡吞幭蚋咛幩椒謱舆B續(xù)澆筑,澆筑時采用“一個坡度,分層澆注,一次到頂”的方法進(jìn)行施工,使之合理分層。
混凝土澆筑時不留施工冷縫,加強振搗使其形成密實的均勻體,減少收縮,澆搗后及時排除表面泌水,提高混凝土的極限拉伸強度。澆筑混凝土?xí)r采用WD2型測溫儀測溫,采用測溫技術(shù)指導(dǎo)混凝土動態(tài)養(yǎng)護(hù)。
(3)混凝土的養(yǎng)護(hù)措施:通過測溫監(jiān)控和蓄水養(yǎng)護(hù)防止混凝土干裂,控制內(nèi)外最大溫差為21℃,(小于規(guī)范要求的25℃) ,且養(yǎng)護(hù)期不少于14 d。
(4)改善施工工藝:在施工中采取以下措施,以確?；炷恋馁|(zhì)量。
對澆筑后的混凝土進(jìn)行二次振搗,排除混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部生成的水分和空隙,提高混凝土與鋼筋的握裹力,防止因混凝土沉落而出現(xiàn)的裂縫,減少內(nèi)部微裂,增加混凝土密實度,使混凝土的抗壓強度提高10 %～20 %,從而提高抗裂性。采用二次投料的砂漿裹石攪拌工藝,二次投料法是先將水、水泥、砂子投入攪拌機,拌合30 s成為水泥砂漿,然后再投粗骨料拌合60 s,這時骨料與水泥已充分拌合均勻。采用這種方法,因砂漿中無粗膠料,便于拌合,粗骨料投入后,易被砂漿均勻包裹,可有效地防止水分向石子與水泥砂漿界面的集中;硬化后的界面過渡層的結(jié)構(gòu)致密,粘結(jié)加強,從而提高了混凝土強度。
3 結(jié) 語
工程實踐表明,超長混凝土裂縫的成因可分為兩大類:荷載引起的裂縫及變形引起的裂縫。本工程在裂縫控制方面從結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及構(gòu)造措施、混凝土的配合比、添加外加劑以及施工監(jiān)測幾方面進(jìn)行控制,取得了良好的效果。2006年5月竣工使用至今,經(jīng)過觀測地下室頂板、底板均無明顯裂縫,墻板經(jīng)檢測有微小裂縫,但寬度僅0. 15 mm,能滿足規(guī)范及正常使用要求。
參考文獻(xiàn)
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