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，屬于框架剪力墻結構，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，抗滲等級達到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生的大量熱量對結構產生溫度應力，從而影響承臺混凝土的澆筑和后續養護工作。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

總結國內外大體積混凝土施工實例可以看出裂縫產生受多種因素共同影響，總的歸納分類為:結構荷載影響和結構變形變化影響。通過對大量實際工程調查可以看出[1]混凝土結構物產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%，而因結構荷載產生的裂縫僅占20%。下面對影響結構裂縫的各種因素進行簡單的總結。

2.1 水泥水化過程產生水化熱

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

根據測算，水泥在水化過程中產生的熱值達到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生的熱量見表1。

混凝土隨著厚度尺寸的逐步增大，內部熱量越難散失，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，內部最高溫度可以達到70℃～80℃，這樣就會使混凝土產生熱脹，必然就會產生裂縫。

表1 水泥水化熱量值[2]

2.2 外界環境溫度及濕度

混凝土結構在澆筑過程中，所處的外界環境氣候對水泥的水化熱也會產生很大的影響。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，而內部溫度仍然很高，這樣就會產生溫度差，從而產生表面裂縫。混凝土在澆筑過程中，有水泥水化熱、澆筑溫度、散熱快慢等各種因素影響結構內外總的溫差，會產生一定的溫度應力，從而產生裂縫。所以解決高溫條件下的內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，而產生失水收縮現象。混凝土的塑性收縮最多可以達到1%，從而使混凝土表面產生無規則的裂縫。

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;另一種是內約束，主要是指混凝土結構內部由于非均勻的溫度和收縮變形使結構產生一定的外界約束。大體積混凝土結構因為內外溫度差距很大，因內外溫差所引起的溫度應力會使混凝土內部產生應力，當應力超過一定的值時就會出現裂縫。

3 理論分析方法

根據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生的應力;σN(t)為混凝土內部質點與表面質點的不均勻變形受到內部約束而產生的應力;σN(t)為混凝土中心溫度與表面溫度之差ΔT(t)產生的相對變形受到混凝土內部約束引起的應力。其中:

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

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

1)根據式(1)可知，如果大體積混凝土因各種因素所產生的拉應力小于混凝土結構的抗拉強度時，混凝土結構不會產生裂縫。2)根據式(2)，式(3)可知，通過降低混凝土結構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生和發展。

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，分析結構的特殊性，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，減小裂縫的產生。

4)在混凝土澆筑過程中，結構內部放置一定的測溫儀器，準確掌握結構內外溫度，控制內外溫差，防止因溫度應力過大產生裂縫。

4.2 原材料可控制

水泥:根據現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:經過大量的室內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 養護工藝

對于本工程承臺基礎混凝土采用二次壓光養護: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，另外保溫養護至少10 d。在養護的過程中要灑水，養護時間至少28 d。

4.4 溫度控制指標[3]

根據YBJ 224-91大體積混凝土基礎施工技術規程，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、外溫度差為ΔT≤25℃;2)基礎承臺大體積混凝土內部的降溫速率為Vt≤1.5℃/d。

5 結語

通過分析總結大體積混凝土產生裂縫的機理，以及對理論分析方法進行分析，總結影響大體積混凝土裂縫因素，在施工工藝和養護工藝中加以改進保證大體積混凝土的裂縫得以控制。結合具體的工程實例，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.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社，1997.

[2] 王士川.施工技術[M].北京:冶金工業出版社，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.