摘 要: 結(jié)合工程實(shí)例,分析了大積混凝土筏板施工裂縫的成因,并提出了防治裂縫具體措施。
關(guān)鍵詞: 大體積混凝土筏板; 裂縫; 水化熱; 溫度應(yīng)力; 外加劑
中圖分類(lèi)號(hào): TU 75516 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
1 工程概況
某建筑位于沈陽(yáng)市中心, 建筑面積約40萬(wàn)m2 , 三棟高度由180～280 m 的超高層建筑共同坐落在一個(gè)7 層高裙樓大底盤(pán)上。地下室三層, 采用人工挖孔樁和筏板聯(lián)合基礎(chǔ)。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí), 承載力特征值為650 kPa(未經(jīng)地基承載力、深度、寬度修正) ?；炷翉?qiáng)度等級(jí)C40 , 抗?jié)B等級(jí)S8 , 筏板厚度1 ～4.5 m ,面積超過(guò)1.1 萬(wàn)m2 。如何采取有效措施防止大體積混凝土筏板開(kāi)裂, 是一個(gè)在設(shè)計(jì)階段必須考慮的問(wèn)題。
2 大體積混凝土裂縫形成的原因
裂縫產(chǎn)生的原因可分為兩類(lèi): 一是結(jié)構(gòu)型裂縫, 是由外荷載引起的, 包括常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算中的主要應(yīng)力以及其他的結(jié)構(gòu)次應(yīng)力造成的受力裂縫; 二是材料型裂縫, 是由非受力變形變化引起的, 即主要是由溫度應(yīng)力和混凝土的收縮引起的。本文主要探討材料型裂縫, 其具體原因如下。
2.1 溫度應(yīng)力引起裂縫(溫度裂縫)
溫度裂縫產(chǎn)生主要原因是由溫差造成的。溫差可分為以下三種: 一種是混凝土澆筑初期, 產(chǎn)生大量的水化熱, 由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體, 水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易散發(fā),常使混凝土內(nèi)部溫度上升, 而混凝土表面溫度為室外環(huán)境溫度, 這就形成了內(nèi)外溫差。這種內(nèi)外溫差在混凝土凝結(jié)初期產(chǎn)生的拉應(yīng)力當(dāng)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí), 就會(huì)導(dǎo)致混凝土裂縫;另一種是在拆模前后, 表面溫度降低很快, 造成了溫度陡降, 會(huì)導(dǎo)致溫差的產(chǎn)生; 還有當(dāng)混凝土內(nèi)部達(dá)到最高溫度后, 熱量逐漸散發(fā)而達(dá)到使用溫度或最低溫度, 它們與最高溫度的差值就是內(nèi)部溫差。這三種溫差都會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫, 在這三種溫差中, 較為主要是由水化熱引起的內(nèi)外溫差。
混凝土升溫時(shí)間較短, 根據(jù)以往工程實(shí)踐, 一般在澆筑后的二至三天內(nèi), 其間混凝土彈性模量低、基本處于塑性與彈塑性狀態(tài), 約束應(yīng)力很低, 當(dāng)水化熱溫升至峰值后, 水化熱能耗盡, 繼續(xù)散熱引起溫度下降, 隨著時(shí)間逐漸衰減, 延續(xù)十余天至三十余天。
混凝土降溫階段, 彈性模量迅速增大, 約束拉應(yīng)力也隨時(shí)間增加, 在某時(shí)刻如超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度便出現(xiàn)貫穿性裂縫。因此控制降溫曲線(xiàn)對(duì)保證大體積混凝土施工質(zhì)量尤為關(guān)鍵,但該問(wèn)題屬于熱傳導(dǎo)的混合邊值問(wèn)題, 理論求解相當(dāng)冗繁, 且由于許多施工條件難以預(yù)測(cè),理論結(jié)果亦很難嚴(yán)格?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)施工界普遍采用王鐵夢(mèng)于《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》[ 1 ]專(zhuān)著中根據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而成的經(jīng)驗(yàn)公式, 偏于安全地以截面中部最高溫度降溫曲線(xiàn)代替平均降溫曲線(xiàn), 求解近似值。因該公式經(jīng)多年施工實(shí)踐證明與實(shí)際情況基本吻合。該工程亦按此選取較大筏板厚度3 100 mm 進(jìn)行近似計(jì)算,作為工程預(yù)控指標(biāo), 并借此提出保溫與降溫措施。
(1) 標(biāo)準(zhǔn)水化熱溫升值T′(于一般兩層草包保溫養(yǎng)護(hù)條件下) 。
按工程進(jìn)度計(jì)劃, 地下室底板混凝土于5月初進(jìn)行澆灌, 此時(shí)該市已基本進(jìn)入高溫天氣, 應(yīng)按夏季取初始值, 但根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn), 如此厚度的大體積混凝土, 單靠后期保溫措施無(wú)法控制內(nèi)外溫差。如排除澆灌后期的降溫措施方案, 則只有在混凝土澆灌前降低入模溫度, 為達(dá)到此目的, 必須由混凝土供應(yīng)廠(chǎng)商提出切實(shí)可行的降低混凝土入模溫度的措施,具體如下:
1) 采用冰水配制混凝土, 或混凝土廠(chǎng)配置有深水井, 采用冰涼的井水配置;
2) 粗細(xì)骨料均搭設(shè)遮陽(yáng)棚, 避免日光曝曬。
3) 選用低水化熱的P.O. 普硅水泥, 并利用摻合料減少水泥單方用量。
以上措施要求供應(yīng)廠(chǎng)商提出詳盡的專(zhuān)項(xiàng)大體積混凝土供應(yīng)質(zhì)量保證措施與承諾書(shū), 作為選擇供應(yīng)商的依據(jù)。深厚筏板的澆灌盡量避開(kāi)中下午炎熱天氣, 最好是安排在晚9 點(diǎn)至晨8點(diǎn)之間, 以最大限度地降低厚大筏板的混凝土入模溫度。
通過(guò)以上措施, 將混凝土入模溫度控制在20 ℃。因無(wú)混凝土入模溫度20 ℃指標(biāo), 采用中間狀態(tài)插入法計(jì)算確定標(biāo)準(zhǔn)水化熱溫升值:T′= 32 ℃。
(2) 修正系數(shù)。
1) 水泥強(qiáng)度修正系數(shù)k1 = 1.13 (525 強(qiáng)度等級(jí)) ;
2) 水泥品種修正系數(shù)k2 = 1.2 (普通硅酸鹽水泥) ;
3) 水泥用量修正系數(shù)k3 = W/ 275 :W 為實(shí)用水泥量( kg/ m3 ) , 根據(jù)以往已有成功經(jīng)驗(yàn), C40 , S8 混凝土通過(guò)摻粉煤灰或減水劑, 單方水泥用量可控制在310kg 甚至更低, 現(xiàn)暫以310 kg/ m3 計(jì), 則k3 = W/ 275 =310/ 275 = 1.127 ;
4) 模板修正系數(shù)(木模及其它保溫模板)k4 = 1.4 。
(3) 修正水化熱最高溫升值。
Tmax = T′·k1·k2·k3·k4= 32 ×1.13 ×1.2 ×1.127 ×1.4= 68.5 ( ℃)
考慮混凝土入模溫度為20 ℃, 則混凝土中心最高溫度達(dá)88.5 ℃。根據(jù)近年工程經(jīng)驗(yàn), 混凝土最高溫升值一般發(fā)生于澆灌后二至三天的白天, 估計(jì)室外溫度約在30 ℃, 則混凝土中心溫度峰值與表面大氣溫差約在58.5 ℃, 仍需采取相應(yīng)的保溫措施, 以保證從混凝土中心至大氣的溫差梯度及混凝土本身的降溫梯度滿(mǎn)足合理的預(yù)控指標(biāo)。
2.2 收縮引起裂縫
收縮有很多種, 包括干燥收縮、塑性收縮、自身收縮、碳化收縮等等。這里主要為干燥收縮和塑性收縮。
2.2.1 干燥收縮
混凝土硬化后, 在干燥的環(huán)境下, 混凝土內(nèi)部的水分不斷向外散失, 引起混凝土由外向內(nèi)的干縮變形裂縫。
2.2.2 塑性收縮
在水泥活性大、混凝土溫度較高, 或在水灰比較低的條件下會(huì)加劇引起開(kāi)裂。因?yàn)檫@時(shí)混凝土的泌水明顯減少, 表面蒸發(fā)的水分不能及時(shí)得到補(bǔ)充, 這時(shí)混凝土尚處于塑性狀態(tài),稍微受到一點(diǎn)拉力, 混凝土的表面就會(huì)出現(xiàn)分布不均勻的裂縫, 出現(xiàn)裂縫以后, 混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進(jìn)一步加大, 于是裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。
3 防止裂縫的措施
由以上分析, 材料型裂縫主要是由溫差和收縮引起, 所以為了防止裂縫的產(chǎn)生, 就要最大限度的降低溫差和減小混凝土的收縮, 具體措施如下。
3.1 設(shè)計(jì)控制
(1) 底板混凝土采用90 d 強(qiáng)度將十分有利于裂縫控制。
(2) 加密筏板水平構(gòu)造鋼筋, 控制保護(hù)層厚度。
(3) 筏板基礎(chǔ)墊層上可以設(shè)柔性滑動(dòng)層來(lái)釋放約束應(yīng)力。
(4) 沈陽(yáng)地質(zhì)條件優(yōu)良, 當(dāng)沉降差不大于30 mm 情況下, 可考慮取消沉降后澆帶。
3.2 優(yōu)選原材料
3.2.1 水泥
由于溫差主要是由水化熱產(chǎn)生的, 所以為了減小溫差就要盡量降低水化熱。為了降低水化熱, 要盡量采用早期水化熱低的水泥。由于水泥的水化熱是礦物成分與細(xì)度的函數(shù), 要降低水泥的水化熱, 主要是選擇適宜的礦物組成和調(diào)整水泥的細(xì)度模數(shù), 硅酸鹽水泥的礦物組成主要有: C3S、C2S、C3A 和C4AF , 試驗(yàn)表明: 水泥中鋁酸三鈣( C3A) 和硅酸三鈣(C3S) 含量高的, 水化熱較高。所以, 為了減少水泥的水化熱, 必須降低熟料中C3A 和C3S的含量。在施工中一般采用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣水泥[2 ] 。
另外, 在不影響水泥活性的情況下, 要盡量使水泥的細(xì)度適當(dāng)減小, 因?yàn)樗嗟募?xì)度會(huì)影響水化熱的放熱速率。試驗(yàn)表明比表面積每增加100 cm2/ g , 1 d 的水化熱增加17 ～21 J / g ,7 d 和20 d 均增加4～12 J / g。建議采用P.O.42.5 , 水泥用量控制在200～250 kg/ m3 。
3.2.2 摻加粉煤灰
為了減少水泥用量, 降低水化熱并提高和易性, 可以把部分水泥用粉煤灰代替, 摻入粉煤灰主要有以下作用: ①由于粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物, 其中二氧化硅含量40 %～60 % , 三氧化二鋁含量17 %～35 % , 這些硅鋁氧化物能夠與水泥的水化產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng),是其活性的來(lái)源, 可以取代部分水泥, 從而減少水泥用量, 降低混凝土的熱脹; ②由于粉煤灰顆粒較細(xì), 能夠參加二次反應(yīng)的界面相應(yīng)增加, 在混凝土中分散更加均勻; ③粉煤灰的火山灰反應(yīng)進(jìn)一步改善了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu),使混凝土中總的孔隙率降低, 孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的細(xì)化, 分布更加合理, 使硬化后的混凝土更加致密, 相應(yīng)收縮值也減少[3 ] 。值得一提的是:由于粉煤灰的比重較水泥小, 混凝土振搗時(shí),比重小的粉煤灰容易浮在混凝土的表面, 使上部混凝土中的摻合料較多, 強(qiáng)度較低, 表面容易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。因此, 粉煤灰的摻量不宜過(guò)多, 在工程中應(yīng)根據(jù)具體情況確定粉煤灰的摻量。
3.2.3 骨料
(1) 粗骨料。
適當(dāng)擴(kuò)大粗骨料的粒徑。因?yàn)? 粗骨料粒徑越大, 級(jí)配越好, 孔隙率越小, 總表面積越小, 每立方米的用水泥砂漿量和水泥用量就越小, 水化熱就隨之降低, 對(duì)防止裂縫的產(chǎn)生有利。
(2) 細(xì)骨料。
宜采用級(jí)配良好的中砂或中粗砂, 最好用中粗砂。因?yàn)? 其孔隙率小, 總表面積小, 這樣混凝土的用水量和水泥用量就可以減少, 水化熱就低, 裂縫就減少。另一方面, 要控制砂子的含泥量, 含泥量越大, 收縮變形就越大,裂縫就越嚴(yán)重, 因此細(xì)骨料盡量用干凈的中粗沙。
3.2.4 外加劑
加入外加劑后能減小混凝土收縮開(kāi)裂的機(jī)會(huì), 外加劑對(duì)混凝土收縮開(kāi)裂性能有以下影響:
(1) 減水劑對(duì)混凝土開(kāi)裂的影響。減水劑的主要作用是改善混凝土的和易性, 降低水灰比, 提高混凝土強(qiáng)度或在保持混凝土一定強(qiáng)度時(shí)減少水泥用量, 而水灰比的降低, 水泥用量的減少對(duì)防止開(kāi)裂是十分有利的。該工程考慮采用優(yōu)質(zhì)的減水劑, 降低用水量, 適當(dāng)減小坍落度, 坍落度控制在130～140左右。
(2) 膨脹劑。膨脹劑理論上雖然可行, 但很多成功的例子是在實(shí)驗(yàn)室中, 工地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果使用下來(lái)不是太好, 因?yàn)槭┕べ|(zhì)量不易控制。該項(xiàng)目中不建議使用。
(3) 防凍劑。根據(jù)氣溫情況決定是否添加防凍劑, 在0 ℃以上時(shí)可以不加防凍劑, 故該項(xiàng)目不加防凍劑。
3.3 采用合理的施工方法
3.3.1 混凝土的拌制
(1) 三幢塔樓底板厚度大、方量大, 若采用“深坑先澆、水平分縫”的施工方案則容易在接合面形成較強(qiáng)約束, 建議采用一次澆筑的施工方案。
(2) 底板混凝土最大分塊達(dá)到2 400 m2 ,必須控制澆筑時(shí)間。為此需要在原方案基礎(chǔ)上增加現(xiàn)場(chǎng)泵車(chē)數(shù)量, 并配備充足的混凝土攪拌車(chē), 充分保證現(xiàn)場(chǎng)澆筑量, 盡量使?jié)仓ぷ髟?0 h 之內(nèi)完成。
3.3.2 混凝土澆筑、拆模
(1) 混凝土澆筑過(guò)程質(zhì)量控制。澆筑過(guò)程中要進(jìn)行振搗方可密實(shí), 振搗時(shí)間應(yīng)均勻一致以表面泛漿為宜, 間距要均勻,以振搗力波及范圍重疊二分之一為宜, 澆筑完畢后, 表面要壓實(shí)、抹平, 以防止表面裂縫。另外, 澆筑混凝土要求分層澆筑, 分層流水振搗, 同時(shí)要保證上層混凝土在下層初凝前結(jié)合緊密。避免縱向施工縫、提高結(jié)構(gòu)整體性和抗剪性能。多臺(tái)輸送泵進(jìn)行集中澆灌, 如有條件可加入塔吊及溜槽輔助。
為保證施工質(zhì)量, 利于混凝土早期散熱,應(yīng)對(duì)厚混凝土進(jìn)行相對(duì)較長(zhǎng)的分層施工。每層約800～900 mm 深(每一大層內(nèi)仍須做到斜面分層) , 待每層達(dá)到預(yù)定高度后略作停歇, 約2～3 h后混凝土完成相當(dāng)部分早期沉縮, 及散發(fā)了大量的早期水化熱, 此時(shí)再集中覆蓋下一層混凝土, 并于兩層混凝土之間進(jìn)行二次振搗(二次振搗時(shí)間應(yīng)在下層混凝土初凝前, 振搗棒插入振搗拔出后原位孔洞能立即恢復(fù)為準(zhǔn)) ,確保深厚混凝土施工質(zhì)量。
在混凝土表面振搗抹平后及時(shí)覆蓋塑料薄膜或濕草簾、濕麻袋, 對(duì)混凝土進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。接縫得搭接蓋嚴(yán), 避免混凝土水份蒸發(fā),保持混凝土表面于濕潤(rùn)狀態(tài)下養(yǎng)護(hù), 混凝土終凝后持續(xù)澆水養(yǎng)護(hù)14 d。混凝土澆灌計(jì)劃安排應(yīng)考慮天氣狀況, 及時(shí)聯(lián)系氣象臺(tái), 取得近期的天氣狀況, 避免雨天施工影響混凝土施工質(zhì)量, 同時(shí)備有足夠的抽水設(shè)備和防雨物資。
(2) 施工工序。筏板施工建議采用“抗放結(jié)合”的原則,跳倉(cāng)施工。在設(shè)計(jì)后澆帶的位置設(shè)置施工縫采用“跳倉(cāng)法”施工, 能釋放溫度應(yīng)力。
(3) 混凝土拆模時(shí)間控制?；炷猎趯?shí)際溫度養(yǎng)護(hù)的條件下, 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75 %以上, 混凝土中心與表面最低溫度的溫差控制在25 ℃以?xún)?nèi), 預(yù)計(jì)拆模后混凝土表面溫降不超過(guò)9 ℃以上允許拆模。
3.3.3 做好表面隔熱保護(hù)
大體積混凝土的溫度裂縫, 主要是由內(nèi)外溫差過(guò)大引起的。表面收縮受內(nèi)部約束產(chǎn)生拉應(yīng)力, 但是這種拉應(yīng)力通常很小, 不至于超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫。如果此時(shí)受到冷空氣的襲擊, 或者過(guò)分通風(fēng)散熱, 使表面溫度降溫過(guò)大就很容易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生, 所以混凝土在拆模后, 特別是低溫氣候, 應(yīng)立即采取表面保護(hù), 防止表面降溫過(guò)大, 引起裂縫。保溫措施采用兩層薄膜和一層草簾覆蓋。在混凝土表面先覆蓋一層塑料薄膜, 以封閉混凝土水分蒸發(fā)途徑, 保持混凝土的潮濕條件以控制干縮裂縫。在薄膜之上再蓋一層草簾被, 以減少混凝土表面熱量的散發(fā), 然后再覆蓋一層塑料薄膜, 以防止雨水滲透。后澆帶區(qū)域采用草簾填塞, 避免暴露于空氣中。另外, 當(dāng)日平均氣溫在2～3d 內(nèi)連續(xù)下降不小于6～8 ℃時(shí), 28 d齡期內(nèi)混凝土表面必須進(jìn)行表面保護(hù)。
3.3.4 采用信息化的溫度監(jiān)控系統(tǒng)
溫控系統(tǒng)采用同濟(jì)大學(xué)研制的“大體積混凝土溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)運(yùn)用全數(shù)字方式對(duì)大體積混凝土水化熱過(guò)程中溫度變化狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè), 掌握混凝土的溫差波動(dòng)情況, 以指導(dǎo)保溫措施。一旦混凝土溫差超限, 該系統(tǒng)將及時(shí)提供圖形、聲音等報(bào)警方式, 提醒工作人員及時(shí)采取相應(yīng)的保溫措施。測(cè)溫單元采用L TM - 8003 智能溫度采集模塊, 一個(gè)模塊有8條測(cè)試電纜接口, 每條電纜可接64 個(gè)測(cè)溫點(diǎn),單個(gè)元件的損壞不會(huì)影響線(xiàn)纜上其它測(cè)溫元件的信息。
溫控目標(biāo)設(shè)定為: 混凝土內(nèi)外溫差小于25 ℃; 平均降溫速率小于2.5 ℃/ d。當(dāng)內(nèi)外溫差超過(guò)23 ℃時(shí), 為系統(tǒng)報(bào)警值, 提醒現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整表面覆蓋層厚度。
綜上所述, 大體積混凝土筏板的設(shè)計(jì)和施工工藝要求很高, 需要考慮各種環(huán)境、材料、施工措施等方面的因素, 還需設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等單位密切合作、精心策劃、細(xì)致管理, 才能保證工程質(zhì)量。
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