房屋建筑工程施工中混凝土裂縫防治技術(shù)研究

楊晨旭

(山西應(yīng)用科技學(xué)院，山西 太原 030062)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定增長(zhǎng)，在城市化步伐逐漸加快的勢(shì)態(tài)下，建筑工程和相關(guān)行業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的狀態(tài)，人們對(duì)建筑的質(zhì)量要求越來(lái)越高?；炷烈蚱涫┕け憬莺蛷?qiáng)度高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，但受施工條件和混合比例等因素影響，在大面積使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生裂縫問(wèn)題，造成房屋建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量受到影響，導(dǎo)致房屋的使用壽命有所縮減。由于混凝土的處理工序較為復(fù)雜，任何一道施工供需出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)影響混凝土的施工質(zhì)量，如何進(jìn)行混凝土的質(zhì)量控制是最主要的問(wèn)題，其中以防裂技術(shù)為主，是當(dāng)下施工技術(shù)人員需要重要掌握的技能之一。本文以此為基礎(chǔ)從開裂的原因入手，提出一種新的混凝土裂縫防治方法，為解決實(shí)際工程施工的問(wèn)題提出理論支持，增加建筑生命周期，保證人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 混凝土裂縫防治方法

1.1 構(gòu)建房屋澆筑邊界分析模型

受混凝土是自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)影響，其抗拉力強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓力強(qiáng)度，在較低的拉強(qiáng)應(yīng)力下就能夠產(chǎn)生裂縫，因此在實(shí)際房屋建筑施工中，需要分析混凝土內(nèi)外的荷載作用力。由于荷載作用呈現(xiàn)出非線性特征，在應(yīng)力變化過(guò)程中能夠進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定結(jié)案，并以單軸壓力偏轉(zhuǎn)中心的位移效果，使混凝土的開立轉(zhuǎn)態(tài)呈現(xiàn)多邊發(fā)展趨勢(shì)。在混凝土面向多個(gè)方向進(jìn)行拉伸時(shí)，其變化性質(zhì)和線彈性材料相一致，基本上會(huì)同時(shí)引起應(yīng)力場(chǎng)的突然變化，使得其內(nèi)部的剛性強(qiáng)度急速下降，可以通過(guò)此類型變化進(jìn)行分析，構(gòu)建房屋混凝土施工澆筑的標(biāo)記模型，對(duì)內(nèi)外相互的作用力進(jìn)行單元化處理。

利用單元邊界模擬裂縫的方式，進(jìn)行混凝土單元處理模型構(gòu)建，以可能出現(xiàn)裂縫的澆筑過(guò)程點(diǎn)為處理邊界，在即將發(fā)生開裂或者出現(xiàn)裂縫的節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)調(diào)整和布置，重新規(guī)劃混凝土澆筑的線路，規(guī)劃至設(shè)定好的單元網(wǎng)格中，將單元邊界能夠清晰地完成表達(dá)。通過(guò)ANSYS有限元處理工具，組成多個(gè)節(jié)點(diǎn)的多面體進(jìn)行建模，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均為多面體的定點(diǎn)，在單向軸承受的應(yīng)力f中，計(jì)算其與荷載和應(yīng)變關(guān)系a，表達(dá)式為：

公式中：混凝土澆筑過(guò)程產(chǎn)生的初始彈性變量，用s來(lái)表示，混凝土在達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度分割線模量的應(yīng)力值，用s來(lái)表示，其中應(yīng)力的峰值應(yīng)變量為f。將應(yīng)力和應(yīng)變的非線性關(guān)系，用矩陣做表達(dá)，進(jìn)行本構(gòu)關(guān)系計(jì)算，以此構(gòu)建混凝土的增量邊界分析模型，表達(dá)式為：

公式中：在矩陣中引入泊松比用h來(lái)表示，混凝土澆筑的標(biāo)界本構(gòu)變量用[]k來(lái)表示，在初始彈性s變化下和應(yīng)力值s變化下，產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)變量矩陣分別用[ k]和 [ k]來(lái)表示。在進(jìn)行房屋建筑現(xiàn)場(chǎng)澆筑的過(guò)程中，根據(jù)每組邊界點(diǎn)的單軸彈性變化量，容許其向正交方向開裂，在每個(gè)多面體的節(jié)點(diǎn)作為參考單元時(shí)，要將鋼筋材料的電桿支撐力考慮進(jìn)去，相同性質(zhì)的材料開裂方向，在同一方向的邊界點(diǎn)中設(shè)置應(yīng)力釋放。將每個(gè)澆筑時(shí)期混凝土的邊界單元進(jìn)行分段分析，以單元邊界點(diǎn)的所處位置進(jìn)行澆筑應(yīng)力釋放，保證其在凝結(jié)過(guò)程中可以處于穩(wěn)定狀態(tài)，以此確定混凝土施工的硬化干縮長(zhǎng)度。

1.2 確定混凝土施工中干縮區(qū)長(zhǎng)度

在房屋建筑邊界分析模型中，能夠?qū)π枰獫仓幕炷磷陨斫Y(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元?jiǎng)澐?，保證在澆筑施工前混凝土的整體數(shù)量，著重標(biāo)記容易產(chǎn)生裂縫的部位，以此對(duì)不同施工階段的硬化區(qū)域和干縮區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)度確定?；炷潦芏喾N條件影響，在不同的攪拌方法和灌注時(shí)間中，均有可能造成混凝土開裂的可能，因此必須在對(duì)整體施工條件的統(tǒng)籌規(guī)劃下，進(jìn)行施工的合理調(diào)配。為保證建筑施工中混凝土在一定穩(wěn)定狀態(tài)下，按照分批次的運(yùn)輸方式進(jìn)行混凝土的投放，在集中擺放的前提下對(duì)施工材料輕拿輕放，使得混凝土和施工樓層之間不存在測(cè)量偏差。

當(dāng)混凝土材料制備完成后，無(wú)論其處于運(yùn)輸狀態(tài)還是澆筑狀態(tài)，都存在一定的硬化程度，使其表面形成干縮區(qū)域，為有效解決混凝土內(nèi)外結(jié)構(gòu)中發(fā)生的定量偏差，需要確定其硬化和干縮區(qū)域長(zhǎng)度。以現(xiàn)階段中國(guó)國(guó)內(nèi)房屋建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，對(duì)建筑的高溫區(qū)域長(zhǎng)度設(shè)置了上限，盡管考察了在高溫作用下的建筑短縮狀況，但并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土自身的硬化和干縮長(zhǎng)度確定，所以對(duì)于直接確定了高溫區(qū)域長(zhǎng)度后，會(huì)形成的混凝土收縮控制問(wèn)題，就必須加以分段或單獨(dú)化解決。對(duì)于具有完全約束力的混凝土房屋結(jié)構(gòu)，設(shè)置混凝土自身的彈性模量為q，表示在不同時(shí)間w內(nèi)的形變量，其自身拉力強(qiáng)度設(shè)置為e，當(dāng)混凝土進(jìn)入干縮狀態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)的收縮溫度，存在一定量的當(dāng)量荷載，表達(dá)式為：

公式中：處于干縮狀態(tài)狀態(tài)時(shí)的收縮溫度用u表示，其對(duì)應(yīng)的當(dāng)量荷載用r表示，在完全約束條件設(shè)定下，混凝土在收縮溫度情況達(dá)到取值范圍時(shí)，即可形成干縮區(qū)域形成開裂。而且在完全約束條件下混凝土開裂的程度，可以說(shuō)與澆筑的長(zhǎng)度不產(chǎn)生對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠直接通過(guò)當(dāng)量荷載進(jìn)行判斷。但是一般施工條件均處于非完全約束條件下，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)澆筑的房屋建筑樓板，其開裂的當(dāng)量荷載與承載墻的板長(zhǎng)存在聯(lián)系，因此必須把混凝土樓板的干縮范圍限定在最大長(zhǎng)度，即硬化干縮性的區(qū)域長(zhǎng)度。在現(xiàn)有的區(qū)域長(zhǎng)度范圍，可以容許配筋量最大的部位存在裂縫，但卻無(wú)法允許跨區(qū)域開裂，主要是此類型裂縫容易出現(xiàn)在鋼筋截?cái)嗵?，?duì)裂縫寬度不存在約束力，會(huì)造成擴(kuò)展變化。根據(jù)劃分好的可容許干縮區(qū)域進(jìn)行混凝土澆筑，采用梯度溫差養(yǎng)護(hù)的方式，管控混凝土澆筑施工的全過(guò)程。

1.3 梯度溫差養(yǎng)護(hù)防止混凝土裂縫

根據(jù)混凝土自身結(jié)構(gòu)單元的硬化和干縮區(qū)長(zhǎng)度變化，可以了解到混凝土在澆筑施工中，存在一個(gè)硬化的過(guò)程才具備應(yīng)力強(qiáng)度，需要在這一階段進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。因此在混凝土施工時(shí)不能對(duì)其施加任何外力，保證在混凝土凝固的過(guò)程中，不存在人為方式下造成混凝土的澆筑墻體裂縫。由于混凝土在不同的溫度下，會(huì)產(chǎn)生不一樣的凝結(jié)速度，發(fā)生水化散熱一系列問(wèn)題，其中最主要的就是控制溫度，按照梯度溫差變化方式，將養(yǎng)護(hù)階段分為兩個(gè)部分：一方面在混凝土攪拌期間，注意施工的澆筑溫度，在不同季節(jié)溫度變化下，需要選擇適宜的澆筑厚度。另一方面是混凝土澆筑施工后，要選擇一定的保溫材料進(jìn)行保溫，使其在穩(wěn)定的溫度下進(jìn)行凝固，減少混凝土收縮引起裂縫的可能性。

在不同的季節(jié)變化下，混凝土進(jìn)行房屋建筑施工時(shí)，存在不一樣的裂縫產(chǎn)生趨勢(shì)，在夏天處于高溫狀態(tài)下，混凝土進(jìn)行施工準(zhǔn)備的過(guò)程中，無(wú)論是攪拌還是鋪設(shè)期間，其水化熱釋的量較大，一旦混凝土在高溫條件下得不到及時(shí)的澆水養(yǎng)護(hù)，混凝土?xí)a(chǎn)生失水收縮發(fā)生干裂。因此在進(jìn)行澆筑施工時(shí)需要對(duì)不同階段進(jìn)行設(shè)置，一是在混凝土攪拌過(guò)程中，可以利用加水降溫的方式，進(jìn)行混凝土的局部冷卻，使其澆筑溫度能夠保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。二是在溫度較高的天氣下，可以適當(dāng)減少混凝土的施工澆筑厚度，利用多層次澆筑法進(jìn)行房屋建筑層面的散熱。三是通過(guò)房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)的水管等通路，進(jìn)行冷水灌注降溫，使其澆筑的內(nèi)外溫度能夠保持一致。

通過(guò)澆筑過(guò)程中對(duì)混凝土實(shí)際施工溫度的控制，能夠在不同氣候條件下，保證混凝土內(nèi)外結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，避免混凝土材料發(fā)生梯度的溫度變化。對(duì)施工過(guò)程的把控能夠有效減少干縮的幾率，針對(duì)澆筑完成后的混凝土也要進(jìn)行溫度養(yǎng)護(hù)。在澆筑完成的12h內(nèi)，必須在混凝土結(jié)構(gòu)表面覆蓋保溫材料，其中普通水泥的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不低于10d。一般是在混凝土表面覆蓋一層模板，通過(guò)均等時(shí)間間隔地澆水養(yǎng)護(hù)，保持混凝土凝結(jié)過(guò)程中的水分，整個(gè)養(yǎng)護(hù)期間的最低溫度不能低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度，最高溫度不能超過(guò)干縮期的水分蒸發(fā)溫度。至此在構(gòu)建房屋混凝土澆筑邊界分析模型的基礎(chǔ)上，分析混凝土施工的有限元單元結(jié)構(gòu)，通過(guò)不同的單元層次劃分，確定混凝土施工中干縮區(qū)的長(zhǎng)度，重點(diǎn)進(jìn)行梯度溫差養(yǎng)護(hù)，防治因施工問(wèn)題產(chǎn)生的混凝土裂縫，完成房屋建筑工程施工中混凝土裂縫防治方法設(shè)計(jì)。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

為驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的方法具有實(shí)際應(yīng)用效果，能夠在房屋建筑施工中，有效控制混凝土的開裂程度，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行論證。此次實(shí)驗(yàn)的測(cè)試分為兩個(gè)階段，第一階段測(cè)試防治方法的有效性，即在施工過(guò)程中是否能夠有效控制混凝土的開裂，保證建筑工期的按時(shí)完成。第二階段是測(cè)試防治方法的維持時(shí)間，即在不同的房屋使用周期內(nèi)，墻體的開裂程度能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，延長(zhǎng)建筑的使用壽命。

以某省實(shí)際施工的房屋建筑為測(cè)試樣本，將其規(guī)劃的建筑方案進(jìn)行統(tǒng)一管理，在MATLAB測(cè)試平臺(tái)中進(jìn)行建筑施工模擬。為更加準(zhǔn)確的驗(yàn)證本文方法的防治效果，對(duì)施工所用的混凝土材料進(jìn)行設(shè)定，選擇三種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行測(cè)試，分別驗(yàn)證本文方法對(duì)其的防治效果。根據(jù)實(shí)際施工需求，在不同的房屋建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用混凝土材料，每組配備的標(biāo)準(zhǔn)均具有合理性，按照單位立方米的混凝土強(qiáng)度，進(jìn)行初始原材料配比，具體參數(shù)如表1所示。

表1 單位立方混凝土強(qiáng)度配比參數(shù)

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在制備的混凝土材料中，按照強(qiáng)度等級(jí)分為三類，均滿足28d抗壓強(qiáng)度值范圍，其中最小抗壓值出現(xiàn)在等級(jí)C30中，主要受水泥的含量限制。每組強(qiáng)度分類中石子的直徑類型也不同，按照等級(jí)大小排列，使用的石子直徑大小表現(xiàn)為等級(jí)越高直徑越小。將配備好的混凝土材料的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，上傳至測(cè)試平臺(tái)中，通過(guò)本文方法加以控制，完成建筑樓層施工的全過(guò)程。

混凝土的開裂主要受三個(gè)階段影響，一是在運(yùn)輸儲(chǔ)存途中，受溫度和運(yùn)輸條件影響產(chǎn)生收縮，導(dǎo)致材料后期的抗拉強(qiáng)度降低，造成墻體開裂。二是在澆筑過(guò)程中受環(huán)境和手法產(chǎn)生干縮區(qū)域，在形成初始?jí)w結(jié)構(gòu)承重中產(chǎn)生開裂。三是澆筑完成后沒(méi)有做好養(yǎng)護(hù)工作，在用戶使用周期內(nèi)出現(xiàn)裂縫。本次先進(jìn)行澆筑過(guò)程的開裂測(cè)試，以澆筑時(shí)間的變量設(shè)置施工周期為10d，整個(gè)澆筑過(guò)程中其混凝的拉力強(qiáng)度表示產(chǎn)生開裂的可能性，拉力強(qiáng)度低于60 MAP狀態(tài)下，表示不會(huì)產(chǎn)生開裂狀態(tài)。

在本文方法應(yīng)用下，制備的三種混凝土材料在施工周期內(nèi)，均能夠保持低于60MPA的拉力強(qiáng)度，說(shuō)明不會(huì)在施工初始階段的墻體上產(chǎn)生裂縫。其中配比等級(jí)在C30～C50的強(qiáng)度中，對(duì)應(yīng)的拉力值能夠基本保持不變，維持在20MPA左右，具備更好的施工要求，具有實(shí)際應(yīng)用效果。

表2 不同使用年限下抗裂對(duì)比結(jié)果(mm)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法具有更好的抗裂效果，在測(cè)試平臺(tái)中模擬房屋的使用周期，以使用5年和10年作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)三種混凝土進(jìn)行抗裂比較。根據(jù)國(guó)家規(guī)定的墻體容許裂縫寬度，標(biāo)準(zhǔn)范圍在0.05～0.1mm之間，進(jìn)行多輪模擬測(cè)試，具體結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在使用年限為5年時(shí)，該房屋的墻體幾乎沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，在使用年限為10年時(shí)，產(chǎn)生裂縫的寬度可以控制在0.01mm，符合國(guó)家的建筑行業(yè)規(guī)范，且遠(yuǎn)低于該標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明本文防治方法具有實(shí)際應(yīng)用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在分析混凝土的自身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)其施工過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫原因進(jìn)行比較，通過(guò)澆筑過(guò)程中的單元標(biāo)界設(shè)置，確定出混凝土的硬化干縮區(qū)域，并進(jìn)行梯度溫差養(yǎng)護(hù)，以此提出一種新的房屋建筑施工混凝土防裂方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在本文方法的應(yīng)用下，能夠?qū)Ψ课萁ㄖ┕さ幕炷敛牧?，進(jìn)行整個(gè)周期的有效控制。在施工階段能夠減少拉力強(qiáng)度變化，降低初始?jí)w開裂的可能性，施工結(jié)束后的不同使用階段，其裂縫存在寬度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。但由于本人時(shí)間有限，在進(jìn)行測(cè)試中只能對(duì)較短的年限進(jìn)行比較，所得結(jié)論具有一定偏差性。后續(xù)研究中會(huì)針對(duì)出現(xiàn)裂縫后的年限進(jìn)行監(jiān)管，測(cè)試在正常的房屋使用年限下，其開裂程度是否仍舊滿足行業(yè)要求，為維護(hù)人們的財(cái)產(chǎn)安全提供科學(xué)理論支持。