基于主動設(shè)計的大體積混凝土基礎(chǔ)裂縫控制

唐于衡　張堯龍

摘 要：軟土地區(qū)的建筑物通常具有較大大體積的混凝土基礎(chǔ)，其裂縫控制是人們關(guān)心的一個主要課題。結(jié)合工程實例，分析了調(diào)整混凝土設(shè)計與制備、優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計和改善約束條件等大體積混凝土裂縫的主動設(shè)計控制方法。強調(diào)了優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計在控制裂縫中的作用。

關(guān)鍵詞：裂縫；大體積混凝土；主動控制；基礎(chǔ)設(shè)計

1 前 言

軟土地區(qū)的建筑物基礎(chǔ)多有厚度較大的混凝土底板或承臺，這些都是體積較大的混凝土工程。當(dāng)混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在80㎝ 以上，水化熱引起混凝土內(nèi)部與表面的最高溫差預(yù)計超過25℃時，也就是通常指的大體積混凝土，其裂縫問題值得進(jìn)一步的關(guān)注。大體積混凝土基礎(chǔ)裂縫通常由以下幾方面引起：（1）澆注時混凝土內(nèi)外表面溫差過大引起較大的溫度應(yīng)力；（2）混凝土凝固降溫收縮受到地基的約束，至此產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；（3）使用時結(jié)構(gòu)差異沉降過大或由上部結(jié)構(gòu)引起的次應(yīng)力過大。

大體積混凝土基礎(chǔ)大都位于地下水位以下，其裂縫對建筑物的使用功能和使用壽命都會造成危害。裂縫的發(fā)展主要由外部作用和混凝土自身行為決定，本文結(jié)合工程實例從主動控制方面詳細(xì)分析減小大體積混凝土裂縫的措施，并對工程中大體積基礎(chǔ)混凝土的裂縫控制提出了建議。

主動設(shè)計控制是指在設(shè)計、施工時，盡可能的主動減少混凝土工程中水泥水化熱的釋放總量、改善混凝土邊界約束條件、減少底板差異沉降等控制措施。

2 調(diào)整混凝土設(shè)計與制備

混凝土原材料及其配合比的設(shè)計至關(guān)重要，合理的選用原材料是主動控制的關(guān)鍵之處。混凝土裂縫的一個主要原因是混凝土中水泥的水化熱在基礎(chǔ)中產(chǎn)生較大的溫度梯度，導(dǎo)致溫度應(yīng)力過大。

首先，優(yōu)先選用水化熱低的水泥品種，可減少水化熱，使混凝土減少升溫。如選用425＃礦渣水泥的3d水化熱為180kJ/kg，而425＃普通硅酸鹽水泥的3d水化熱為250kJ/kg，水化熱可減少30％左右。其次，在強度滿足的條件下，盡量減少單位體積中的水泥用量。試驗表明，單位體積中每減少10kg水泥，水化熱產(chǎn)生的混凝土升溫就會減小1℃左右。在粗骨料中，優(yōu)先采用粒徑較大的石子可以減少攪拌時的用水量，從而在水灰比一定的情況下減少水泥用量。砂宜采用中粗砂，與采用細(xì)砂相比，單位體積可以節(jié)約20kg左右的水，相應(yīng)減少30kg左右的水泥用量。需要指出的是，減小用水量在減小水泥用量的同時，混凝土的收縮和泌水也可隨之減少。最后，合理選用摻和料和外加劑。外加劑有減少拌和水和水泥用量的功能，可以考慮使用木質(zhì)素磺酸鈣等減水劑。在混凝土中摻入一定數(shù)量的粉煤灰，不但可以代替水泥進(jìn)而降低水化熱，而且還可以改善混凝土的粘塑性，增加混凝土的可泵性。

普通混凝土制備通常采用一次投料法，其投料順序可簡寫成：10％水→砂、石、水泥→80％水→10％水。為了提高混凝土的強度及節(jié)約用水量，有條件的單位常采用二次投料法，水泥裹砂石法便是其中的一種。它是先將砂、石和70％的水倒入攪拌機，攪拌1-20s，將砂石表面濕潤，再倒入水泥作造殼攪拌20s，最后加入剩余水，進(jìn)行糊化攪拌80s。水泥裹砂石法改變投料次序和攪拌次序后，水泥和砂石的接觸面增大，水泥的潛力得到了充分發(fā)揮，混凝土的強度可提高15％，這樣在強度設(shè)計一定的情況下，水泥用量就可以減少，水化熱也相應(yīng)減少。

3 優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計

優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計主要包括利用混凝土的后期強度和優(yōu)化基礎(chǔ)型式設(shè)計兩個方面。

在基礎(chǔ)設(shè)計中，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)實際受荷情況和計算結(jié)構(gòu)的強度及剛度，采用相應(yīng)的f45、f60或f90代替混凝土的28d強度f28作為設(shè)計值，這樣可使混凝土的水泥用量減少40-70kg/m3左右，混凝土的水化熱升溫相應(yīng)減少4-7℃。由于高層建筑施工工期很長，其基礎(chǔ)大體積混凝土結(jié)構(gòu)承受的設(shè)計荷載要在較長時間后才能施加其上，所以只要能保證混凝土的強度在28 d 之后繼續(xù)增長，且在預(yù)計的時間能達(dá)到或超過施加其上的荷載及最終設(shè)計荷載即可。實際上這一點在工程中是能夠?qū)崿F(xiàn)的，上海某鋼廠曾采用以f60為標(biāo)準(zhǔn)強度的配合比，監(jiān)測資料說明相應(yīng)f60較f28的平均增長率在20％左右。當(dāng)然如果摻入粉煤灰等改善混凝土后期強度的摻和料，效果會更好。

在基礎(chǔ)設(shè)計中，解決裂縫最有效的辦法就是對基礎(chǔ)設(shè)計型式進(jìn)行優(yōu)化，減小基礎(chǔ)厚度，使其不再成為大體積混凝土。混凝土水化時，隨著其厚度的增大，內(nèi)部越來越接近絕熱溫升，其散熱的速度也越來越慢，減小混凝土基礎(chǔ)厚度可大大減少基礎(chǔ)混凝土的水化熱釋放量，同時減少了其內(nèi)部的溫度升高。怎樣減小厚度呢？混凝基礎(chǔ)的一個主要作用就是承受地基土反力及差異沉降引起的反向彎矩。由于各方面的原因，目前的基礎(chǔ)厚度設(shè)計非常保守，這在浪費材料的同時也增加了裂縫控制的難度。在基礎(chǔ)設(shè)計中，可以根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的荷載分部情況針對性的通過調(diào)整布樁形式、利用地基土的承載力等措施使基礎(chǔ)剛度與上部荷載相適應(yīng)，盡可能的減少差異沉降和上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力。復(fù)合樁基即塑性支撐樁便是一個值得關(guān)注的解決方法。南京某高校7層圖書館，采用復(fù)合樁基減少差異沉降優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計，混凝土底板厚度僅為40cm，即節(jié)省了工程費用又很好的解決了混凝土底板裂縫問題，便是成功的例子。

4改善約束條件

由于混凝土基礎(chǔ)與地基之間的邊界約束才會產(chǎn)生混凝土溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。如果在邊界的接觸面上全部設(shè)置滑動層，可大大減弱外約束，但設(shè)置全滑動是不現(xiàn)實甚至難以實現(xiàn)的。實際上在外約束的兩端各1/4～1/5 范圍內(nèi)設(shè)置滑動層，應(yīng)力計算時結(jié)構(gòu)的計算長度就可以減少一半左右。為此，在周邊一定范圍內(nèi)設(shè)置滑動層就可以顯著的改善約束條件減少溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力，這通常可以通過鋪設(shè)10～20mm 厚瀝青砂或鋪設(shè)50mm厚砂或碎石屑實現(xiàn)。

5 工程簡例

上海某大廈，地上38層，地下4層，基礎(chǔ)采用長35m 鉆孔灌注樁。基礎(chǔ)承臺平面尺寸為75m×71m，主樓基礎(chǔ)厚為3.15m，裙房基礎(chǔ)厚為3.10 m，混凝土總量約為17000m3。主樓與裙房基礎(chǔ)縱橫向均不設(shè)結(jié)構(gòu)縫，該工程采用主動控制和被動控制相結(jié)合的方法很好的解決了大體積混凝土裂縫控制問題。

主動設(shè)計控制措施：采用425＃礦渣水泥，每方混凝土中水泥用量不大于330kg；采用5-40mm級配石子，中粗砂，加入減水劑，盡可能的減小了用水量和水泥用量；采用混凝土的60d 強度f60，原設(shè)計混凝土f28為C30，實際采用混凝土f60為C30，即用f28為C25 代替設(shè)計強度。

通過以上措施及其他輔助技術(shù)，該基礎(chǔ)17000m3混凝土在64小時內(nèi)連續(xù)澆注完畢，經(jīng)過一個月養(yǎng)護(hù)后，沒有發(fā)現(xiàn)任何裂縫。

6 結(jié)束語

大體積混凝土的裂縫控制要主動控制與被動控制相結(jié)合。要盡量減少混凝土中的水泥用量，選用水化熱低的水泥，摻入減水劑、緩凝劑、粉煤灰等摻和料可以有效控制混凝土的開裂。優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計、改善邊界約束條件可以在一定程度上減緩混凝土中的收縮應(yīng)力和次應(yīng)力。以上討論的只是控制裂縫的技術(shù)措施，實際施工中合理的施工組織、現(xiàn)場準(zhǔn)備、信息監(jiān)測等工作是保證技術(shù)措施的關(guān)鍵，必須給予足夠的關(guān)注。

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