摘 要: 结合工程实例,分析了大积混凝土筏板施工裂缝的成因,并提出了防治裂缝具体措施。
关键词: 大体积混凝土筏板; 裂缝; 水化热; 温度应力; 外加剂
中图分类号: TU 75516 文献标识码: B
1 工程概况
某建筑位于沈阳市中心, 建筑面积约40万m2 , 三栋高度由180～280 m 的超高层建筑共同坐落在一个7 层高裙楼大底盘上。地下室三层, 采用人工挖孔桩和筏板联合基础。地基基础设计等级为甲级, 承载力特征值为650 kPa(未经地基承载力、深度、宽度修正) 。混凝土强度等级C40 , 抗渗等级S8 , 筏板厚度1 ～4.5 m ,面积超过1.1 万m2 。如何采取有效措施防止大体积混凝土筏板开裂, 是一个在设计阶段必须考虑的问题。
2 大体积混凝土裂缝形成的原因
裂缝产生的原因可分为两类: 一是结构型裂缝, 是由外荷载引起的, 包括常规结构计算中的主要应力以及其他的结构次应力造成的受力裂缝; 二是材料型裂缝, 是由非受力变形变化引起的, 即主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的。本文主要探讨材料型裂缝, 其具体原因如下。
2.1 温度应力引起裂缝(温度裂缝)
温度裂缝产生主要原因是由温差造成的。温差可分为以下三种: 一种是混凝土浇筑初期, 产生大量的水化热, 由于混凝土是热的不良导体, 水化热积聚在混凝土内部不易散发,常使混凝土内部温度上升, 而混凝土表面温度为室外环境温度, 这就形成了内外温差。这种内外温差在混凝土凝结初期产生的拉应力当超过混凝土抗拉强度时, 就会导致混凝土裂缝;另一种是在拆模前后, 表面温度降低很快, 造成了温度陡降, 会导致温差的产生; 还有当混凝土内部达到最高温度后, 热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度, 它们与最高温度的差值就是内部温差。这三种温差都会产生温度裂缝, 在这三种温差中, 较为主要是由水化热引起的内外温差。
混凝土升温时间较短, 根据以往工程实践, 一般在浇筑后的二至三天内, 其间混凝土弹性模量低、基本处于塑性与弹塑性状态, 约束应力很低, 当水化热温升至峰值后, 水化热能耗尽, 继续散热引起温度下降, 随着时间逐渐衰减, 延续十余天至三十余天。
混凝土降温阶段, 弹性模量迅速增大, 约束拉应力也随时间增加, 在某时刻如超过混凝土抗拉强度便出现贯穿性裂缝。因此控制降温曲线对保证大体积混凝土施工质量尤为关键,但该问题属于热传导的混合边值问题, 理论求解相当冗繁, 且由于许多施工条件难以预测,理论结果亦很难严格。现国内施工界普遍采用王铁梦于《工程结构裂缝控制》[ 1 ]专著中根据多年现场实测数据统计而成的经验公式, 偏于安全地以截面中部最高温度降温曲线代替平均降温曲线, 求解近似值。因该公式经多年施工实践证明与实际情况基本吻合。该工程亦按此选取较大筏板厚度3 100 mm 进行近似计算,作为工程预控指标, 并借此提出保温与降温措施。
(1) 标准水化热温升值T′(于一般两层草包保温养护条件下) 。
按工程进度计划, 地下室底板混凝土于5月初进行浇灌, 此时该市已基本进入高温天气, 应按夏季取初始值, 但根据以往施工经验, 如此厚度的大体积混凝土, 单靠后期保温措施无法控制内外温差。如排除浇灌后期的降温措施方案, 则只有在混凝土浇灌前降低入模温度, 为达到此目的, 必须由混凝土供应厂商提出切实可行的降低混凝土入模温度的措施,具体如下:
1) 采用冰水配制混凝土, 或混凝土厂配置有深水井, 采用冰凉的井水配置;
2) 粗细骨料均搭设遮阳棚, 避免日光曝晒。
3) 选用低水化热的P.O. 普硅水泥, 并利用掺合料减少水泥单方用量。
以上措施要求供应厂商提出详尽的专项大体积混凝土供应质量保证措施与承诺书, 作为选择供应商的依据。深厚筏板的浇灌尽量避开中下午炎热天气, 最好是安排在晚9 点至晨8点之间, 以最大限度地降低厚大筏板的混凝土入模温度。
通过以上措施, 将混凝土入模温度控制在20 ℃。因无混凝土入模温度20 ℃指标, 采用中间状态插入法计算确定标准水化热温升值:T′= 32 ℃。
(2) 修正系数。
1) 水泥强度修正系数k1 = 1.13 (525 强度等级) ;
2) 水泥品种修正系数k2 = 1.2 (普通硅酸盐水泥) ;
3) 水泥用量修正系数k3 = W/ 275 :W 为实用水泥量( kg/ m3 ) , 根据以往已有成功经验, C40 , S8 混凝土通过掺粉煤灰或减水剂, 单方水泥用量可控制在310kg 甚至更低, 现暂以310 kg/ m3 计, 则k3 = W/ 275 =310/ 275 = 1.127 ;
4) 模板修正系数(木模及其它保温模板)k4 = 1.4 。
(3) 修正水化热最高温升值。
Tmax = T′·k1·k2·k3·k4= 32 ×1.13 ×1.2 ×1.127 ×1.4= 68.5 ( ℃)
考虑混凝土入模温度为20 ℃, 则混凝土中心最高温度达88.5 ℃。根据近年工程经验, 混凝土最高温升值一般发生于浇灌后二至三天的白天, 估计室外温度约在30 ℃, 则混凝土中心温度峰值与表面大气温差约在58.5 ℃, 仍需采取相应的保温措施, 以保证从混凝土中心至大气的温差梯度及混凝土本身的降温梯度满足合理的预控指标。
2.2 收缩引起裂缝
收缩有很多种, 包括干燥收缩、塑性收缩、自身收缩、碳化收缩等等。这里主要为干燥收缩和塑性收缩。
2.2.1 干燥收缩
混凝土硬化后, 在干燥的环境下, 混凝土内部的水分不断向外散失, 引起混凝土由外向内的干缩变形裂缝。
2.2.2 塑性收缩
在水泥活性大、混凝土温度较高, 或在水灰比较低的条件下会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少, 表面蒸发的水分不能及时得到补充, 这时混凝土尚处于塑性状态,稍微受到一点拉力, 混凝土的表面就会出现分布不均匀的裂缝, 出现裂缝以后, 混凝土体内的水分蒸发进一步加大, 于是裂缝进一步扩展。
3 防止裂缝的措施
由以上分析, 材料型裂缝主要是由温差和收缩引起, 所以为了防止裂缝的产生, 就要最大限度的降低温差和减小混凝土的收缩, 具体措施如下。
3.1 设计控制
(1) 底板混凝土采用90 d 强度将十分有利于裂缝控制。
(2) 加密筏板水平构造钢筋, 控制保护层厚度。
(3) 筏板基础垫层上可以设柔性滑动层来释放约束应力。
(4) 沈阳地质条件优良, 当沉降差不大于30 mm 情况下, 可考虑取消沉降后浇带。
3.2 优选原材料
3.2.1 水泥
由于温差主要是由水化热产生的, 所以为了减小温差就要尽量降低水化热。为了降低水化热, 要尽量采用早期水化热低的水泥。由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数, 要降低水泥的水化热, 主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数, 硅酸盐水泥的矿物组成主要有: C3S、C2S、C3A 和C4AF , 试验表明: 水泥中铝酸三钙( C3A) 和硅酸三钙(C3S) 含量高的, 水化热较高。所以, 为了减少水泥的水化热, 必须降低熟料中C3A 和C3S的含量。在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥[2 ] 。
另外, 在不影响水泥活性的情况下, 要尽量使水泥的细度适当减小, 因为水泥的细度会影响水化热的放热速率。试验表明比表面积每增加100 cm2/ g , 1 d 的水化热增加17 ～21 J / g ,7 d 和20 d 均增加4～12 J / g。建议采用P.O.42.5 , 水泥用量控制在200～250 kg/ m3 。
3.2.2 掺加粉煤灰
为了减少水泥用量, 降低水化热并提高和易性, 可以把部分水泥用粉煤灰代替, 掺入粉煤灰主要有以下作用: ①由于粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物, 其中二氧化硅含量40 %～60 % , 三氧化二铝含量17 %～35 % , 这些硅铝氧化物能够与水泥的水化产物进行二次反应,是其活性的来源, 可以取代部分水泥, 从而减少水泥用量, 降低混凝土的热胀; ②由于粉煤灰颗粒较细, 能够参加二次反应的界面相应增加, 在混凝土中分散更加均匀; ③粉煤灰的火山灰反应进一步改善了混凝土内部的孔结构,使混凝土中总的孔隙率降低, 孔结构进一步的细化, 分布更加合理, 使硬化后的混凝土更加致密, 相应收缩值也减少[3 ] 。值得一提的是:由于粉煤灰的比重较水泥小, 混凝土振捣时,比重小的粉煤灰容易浮在混凝土的表面, 使上部混凝土中的掺合料较多, 强度较低, 表面容易产生塑性收缩裂缝。因此, 粉煤灰的掺量不宜过多, 在工程中应根据具体情况确定粉煤灰的掺量。
3.2.3 骨料
(1) 粗骨料。
适当扩大粗骨料的粒径。因为, 粗骨料粒径越大, 级配越好, 孔隙率越小, 总表面积越小, 每立方米的用水泥砂浆量和水泥用量就越小, 水化热就随之降低, 对防止裂缝的产生有利。
(2) 细骨料。
宜采用级配良好的中砂或中粗砂, 最好用中粗砂。因为, 其孔隙率小, 总表面积小, 这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少, 水化热就低, 裂缝就减少。另一方面, 要控制砂子的含泥量, 含泥量越大, 收缩变形就越大,裂缝就越严重, 因此细骨料尽量用干净的中粗沙。
3.2.4 外加剂
加入外加剂后能减小混凝土收缩开裂的机会, 外加剂对混凝土收缩开裂性能有以下影响:
(1) 减水剂对混凝土开裂的影响。减水剂的主要作用是改善混凝土的和易性, 降低水灰比, 提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量, 而水灰比的降低, 水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的。该工程考虑采用优质的减水剂, 降低用水量, 适当减小坍落度, 坍落度控制在130～140左右。
(2) 膨胀剂。膨胀剂理论上虽然可行, 但很多成功的例子是在实验室中, 工地现场实际效果使用下来不是太好, 因为施工质量不易控制。该项目中不建议使用。
(3) 防冻剂。根据气温情况决定是否添加防冻剂, 在0 ℃以上时可以不加防冻剂, 故该项目不加防冻剂。
3.3 采用合理的施工方法
3.3.1 混凝土的拌制
(1) 三幢塔楼底板厚度大、方量大, 若采用“深坑先浇、水平分缝”的施工方案则容易在接合面形成较强约束, 建议采用一次浇筑的施工方案。
(2) 底板混凝土最大分块达到2 400 m2 ,必须控制浇筑时间。为此需要在原方案基础上增加现场泵车数量, 并配备充足的混凝土搅拌车, 充分保证现场浇筑量, 尽量使浇筑工作在60 h 之内完成。
3.3.2 混凝土浇筑、拆模
(1) 混凝土浇筑过程质量控制。浇筑过程中要进行振捣方可密实, 振捣时间应均匀一致以表面泛浆为宜, 间距要均匀,以振捣力波及范围重叠二分之一为宜, 浇筑完毕后, 表面要压实、抹平, 以防止表面裂缝。另外, 浇筑混凝土要求分层浇筑, 分层流水振捣, 同时要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。多台输送泵进行集中浇灌, 如有条件可加入塔吊及溜槽辅助。
为保证施工质量, 利于混凝土早期散热,应对厚混凝土进行相对较长的分层施工。每层约800～900 mm 深(每一大层内仍须做到斜面分层) , 待每层达到预定高度后略作停歇, 约2～3 h后混凝土完成相当部分早期沉缩, 及散发了大量的早期水化热, 此时再集中覆盖下一层混凝土, 并于两层混凝土之间进行二次振捣(二次振捣时间应在下层混凝土初凝前, 振捣棒插入振捣拔出后原位孔洞能立即恢复为准) ,确保深厚混凝土施工质量。
在混凝土表面振捣抹平后及时覆盖塑料薄膜或湿草帘、湿麻袋, 对混凝土进行保湿养护。接缝得搭接盖严, 避免混凝土水份蒸发,保持混凝土表面于湿润状态下养护, 混凝土终凝后持续浇水养护14 d。混凝土浇灌计划安排应考虑天气状况, 及时联系气象台, 取得近期的天气状况, 避免雨天施工影响混凝土施工质量, 同时备有足够的抽水设备和防雨物资。
(2) 施工工序。筏板施工建议采用“抗放结合”的原则,跳仓施工。在设计后浇带的位置设置施工缝采用“跳仓法”施工, 能释放温度应力。
(3) 混凝土拆模时间控制。混凝土在实际温度养护的条件下, 强度达到设计强度的75 %以上, 混凝土中心与表面最低温度的温差控制在25 ℃以内, 预计拆模后混凝土表面温降不超过9 ℃以上允许拆模。
3.3.3 做好表面隔热保护
大体积混凝土的温度裂缝, 主要是由内外温差过大引起的。表面收缩受内部约束产生拉应力, 但是这种拉应力通常很小, 不至于超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝。如果此时受到冷空气的袭击, 或者过分通风散热, 使表面温度降温过大就很容易导致裂缝的产生, 所以混凝土在拆模后, 特别是低温气候, 应立即采取表面保护, 防止表面降温过大, 引起裂缝。保温措施采用两层薄膜和一层草帘覆盖。在混凝土表面先覆盖一层塑料薄膜, 以封闭混凝土水分蒸发途径, 保持混凝土的潮湿条件以控制干缩裂缝。在薄膜之上再盖一层草帘被, 以减少混凝土表面热量的散发, 然后再覆盖一层塑料薄膜, 以防止雨水渗透。后浇带区域采用草帘填塞, 避免暴露于空气中。另外, 当日平均气温在2～3d 内连续下降不小于6～8 ℃时, 28 d龄期内混凝土表面必须进行表面保护。
3.3.4 采用信息化的温度监控系统
温控系统采用同济大学研制的“大体积混凝土温度监测系统”。该系统运用全数字方式对大体积混凝土水化热过程中温度变化状况进行监测, 掌握混凝土的温差波动情况, 以指导保温措施。一旦混凝土温差超限, 该系统将及时提供图形、声音等报警方式, 提醒工作人员及时采取相应的保温措施。测温单元采用L TM - 8003 智能温度采集模块, 一个模块有8条测试电缆接口, 每条电缆可接64 个测温点,单个元件的损坏不会影响线缆上其它测温元件的信息。
温控目标设定为: 混凝土内外温差小于25 ℃; 平均降温速率小于2.5 ℃/ d。当内外温差超过23 ℃时, 为系统报警值, 提醒现场及时调整表面覆盖层厚度。
综上所述, 大体积混凝土筏板的设计和施工工艺要求很高, 需要考虑各种环境、材料、施工措施等方面的因素, 还需设计、施工、监理等单位密切合作、精心策划、细致管理, 才能保证工程质量。
参考文献:
[ 1 ] 王铁梦. 工程结构裂缝控制[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1997.
[2 ] 彭立海,等. 大体积混凝土温控与防裂[M]. 郑州:黄河水利出版社,2005.
[ 3 ] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 北京:中国电力出版社,1999.
