建筑基礎承臺大體積混凝土裂縫機理及控制措施

程 波

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024)

1 工程概況

某公司辦公樓，建筑面積約4萬m2，屬于框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下2層地上20層，采用樁承臺式基礎，其承臺厚度分別為1.6 m，1.8 m，2.0 m，局部混凝土的厚度達到 4.4 m，混凝土強度為 C40，抗?jié)B等級達到S8，混凝土體積達到3 600 m3，在施工工程中設置后澆帶，主要目的是避免水泥在水化過程中產(chǎn)生的大量熱量對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應力，從而影響承臺混凝土的澆筑和后續(xù)養(yǎng)護工作。地下車庫基礎為梁板式筏形基礎，筏板厚度為550 mm。

2 裂縫機理分析

總結(jié)國內(nèi)外大體積混凝土施工實例可以看出裂縫產(chǎn)生受多種因素共同影響，總的歸納分類為:結(jié)構(gòu)荷載影響和結(jié)構(gòu)變形變化影響。通過對大量實際工程調(diào)查可以看出[1]混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫一般屬于變形變化，如溫度應力、收縮徐變、不均勻沉降等占80%，而因結(jié)構(gòu)荷載產(chǎn)生的裂縫僅占20%。下面對影響結(jié)構(gòu)裂縫的各種因素進行簡單的總結(jié)。

2.1 水泥水化過程產(chǎn)生水化熱

混凝土在澆筑過程中，水泥與水及骨料反應會產(chǎn)生大量的水化熱，并在內(nèi)外形成溫度差，這樣就會造成大體積混凝土產(chǎn)生溫度應力，這是產(chǎn)生裂縫的主要原因。

根據(jù)測算，水泥在水化過程中產(chǎn)生的熱值達到220 kJ/kg～400 kJ/kg左右，不同品種、不同等級的水泥在水化過程中所產(chǎn)生的熱量見表1。

混凝土隨著厚度尺寸的逐步增大，內(nèi)部熱量越難散失，散失熱量所需的時間越長。當混凝土厚度達到2 m時，混凝土中心基本達到絕熱狀態(tài)，內(nèi)部最高溫度可以達到70℃～80℃，這樣就會使混凝土產(chǎn)生熱脹，必然就會產(chǎn)生裂縫。

表1 水泥水化熱量值[2]

2.2 外界環(huán)境溫度及濕度

混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑過程中，所處的外界環(huán)境氣候?qū)λ嗟乃療嵋矔a(chǎn)生很大的影響。如果外界溫度偏高，會導致澆筑后的混凝土溫度也很高。如果外界溫度較低(如冬季)，混凝土表面溫度會驟降，而內(nèi)部溫度仍然很高，這樣就會產(chǎn)生溫度差，從而產(chǎn)生表面裂縫?；炷猎跐仓^程中，有水泥水化熱、澆筑溫度、散熱快慢等各種因素影響結(jié)構(gòu)內(nèi)外總的溫差，會產(chǎn)生一定的溫度應力，從而產(chǎn)生裂縫。所以解決高溫條件下的內(nèi)外溫差和溫度應力是非常重要的。

2.3 收縮變形

大體積混凝土的收縮變形分為塑性收縮、硬化收縮、干縮。混凝土中水泥水化過程是一個復雜的物理和化學反應過程。在混凝土凝結(jié)硬化的過程中大部分水分會散失掉，這樣就會引起收縮變形。從混凝土澆筑到混凝土終凝一般需要4 h～15 h，在這個過程中水泥水化反應很強烈，水分急劇蒸發(fā)，而產(chǎn)生失水收縮現(xiàn)象?；炷恋乃苄允湛s最多可以達到1%，從而使混凝土表面產(chǎn)生無規(guī)則的裂縫。

2.4 約束條件

混凝土的約束分為兩種類型:一種是外約束，主要是指邊界條件;另一種是內(nèi)約束，主要是指混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于非均勻的溫度和收縮變形使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的外界約束。大體積混凝土結(jié)構(gòu)因為內(nèi)外溫度差距很大，因內(nèi)外溫差所引起的溫度應力會使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應力，當應力超過一定的值時就會出現(xiàn)裂縫。

3 理論分析方法

根據(jù)大體積混凝土裂縫機理可以得出:

若Rf(t)≥σ(t)時，混凝土不會產(chǎn)生裂縫。

其中，Rf(t)為混凝土在t齡期時的抗拉強度;σ(t)為混凝土澆筑過程中各種因素所產(chǎn)生的開裂應力和;σw(t)為混凝土在整體變形過程中外部約束所產(chǎn)生的應力;σN(t)為混凝土內(nèi)部質(zhì)點與表面質(zhì)點的不均勻變形受到內(nèi)部約束而產(chǎn)生的應力;σN(t)為混凝土中心溫度與表面溫度之差ΔT(t)產(chǎn)生的相對變形受到混凝土內(nèi)部約束引起的應力。其中:

其中，T(t)為水泥在水化過程中使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的絕熱溫升;Tj為大體積混凝土結(jié)構(gòu)澆筑溫度;Ts(t)為混凝土結(jié)構(gòu)與外界接觸表面散失的溫度;Ta(t)為外界環(huán)境所處溫度;σw(t)為混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部從最高溫度Tmax降至環(huán)境溫度Th(t)產(chǎn)生的收縮應力，其降溫值ΔT′(t)為:

其中，Td(t)為非溫度收縮因素產(chǎn)生的收縮當量溫度;Th(t)為外界環(huán)境溫度;t0為混凝土中心溫度降至環(huán)境溫度的時間參數(shù)。

1)根據(jù)式(1)可知，如果大體積混凝土因各種因素所產(chǎn)生的拉應力小于混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強度時，混凝土結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生裂縫。2)根據(jù)式(2)，式(3)可知，通過降低混凝土結(jié)構(gòu)的總溫度應力及控制收縮變形，可以減少大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

4 大體積混凝土裂縫控制措施

4.1 施工工藝控制措施

1)工程在選擇施工工藝時，分析結(jié)構(gòu)的特殊性，通過采用分層澆筑和跳倉施工的方法來避免溫度峰值偏大，分層施工就是將承臺基礎分成若干層施工，使得每一層混凝土在澆筑過程中水泥水化過程中所產(chǎn)生的水化熱峰值錯開。另外在電梯井核心筒局部的大體積承臺的建設高度達到4.4 m，需要大量的混凝土，澆筑時間長，因此采用分層澆筑，并且與電梯井處跳倉進行結(jié)合，確保各部分混凝土的澆筑在初凝前完成。

2)在混凝土的拌合過程中，應嚴格控制水灰比、坍落度，以及在澆筑過程中的入模溫度。在振搗過程中，采用定人負責，保證混凝土的密實度。

3)對于混凝土的養(yǎng)護時間要求是至少7 d，然后才可以拆模，因為模板有一定的保溫作用，特別是木模，保溫效果比較好，可以減少內(nèi)外溫差，另外模板與鋼筋的相互作用可以減少拉應力，減小裂縫的產(chǎn)生。

4)在混凝土澆筑過程中，結(jié)構(gòu)內(nèi)部放置一定的測溫儀器，準確掌握結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度，控制內(nèi)外溫差，防止因溫度應力過大產(chǎn)生裂縫。

4.2 原材料可控制

水泥:根據(jù)現(xiàn)場情況選用中低水化熱的秦嶺牌P.Q42.5R級普通硅酸鹽水泥。

石子:采用粒徑為5 mm～31.5 mm的鵝卵石，含泥量要求小于 0.2%。

砂子:中粗砂，含水率w＜6%，含泥量小于1.8%，泥塊含量小于0.3%。

摻加料:采用Ⅱ級粉煤灰、HS-Ⅰ型泵送劑和膨脹劑。

配合比:經(jīng)過大量的室內(nèi)試驗分析比較得出最終配合比見表2。

其中，初凝時間為10 h，終凝為14 h，水灰比0.35。

表2 基礎承臺大體積混凝土配合比

4.3 養(yǎng)護工藝

對于本工程承臺基礎混凝土采用二次壓光養(yǎng)護:當基礎混凝土澆筑完畢以后，當達到初凝時間后，混凝土表面覆蓋一次性塑料膜進行保濕，然后覆蓋兩層棉氈進行保溫。并且實時檢查混凝土溫度，在夜間溫度下降后再加三層棉氈加強保溫作用，另外保溫養(yǎng)護至少10 d。在養(yǎng)護的過程中要灑水，養(yǎng)護時間至少28 d。

4.4 溫度控制指標[3]

根據(jù)YBJ 224-91大體積混凝土基礎施工技術規(guī)程，確定基礎承臺大體積混凝土的溫度控制指標是:

1)基礎承臺大體積混凝土的內(nèi)、外溫度差為ΔT≤25℃;2)基礎承臺大體積混凝土內(nèi)部的降溫速率為Vt≤1.5℃/d。

5 結(jié)語

通過分析總結(jié)大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的機理，以及對理論分析方法進行分析，總結(jié)影響大體積混凝土裂縫因素，在施工工藝和養(yǎng)護工藝中加以改進保證大體積混凝土的裂縫得以控制。結(jié)合具體的工程實例，采用相應的施工工藝及技術措施來減少大體積混凝土裂縫，對以后類似的工程有一定的借鑒作用。

[1] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[2] 王士川.施工技術[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2001.

[3] 朱伯芳.大體積混凝土的溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社，1999.