大體積混凝土足尺模型試件早期裂縫原因分析

徐可，楊靜，趙娟，紀(jì)憲坤

（1. 武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430083；2. 武漢源錦建材科技有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430083）

0 前言

近年來，隨著混凝土工程規(guī)模及體量的不斷擴(kuò)大，混凝土裂縫問題也越來越突出。大體積混凝土結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)尺寸大，導(dǎo)致一次施工方量大、混凝土水化溫升高等，其出現(xiàn)開裂的幾率要比其他類型的混凝土結(jié)構(gòu)更高[1]。同時(shí)，由于影響混凝土結(jié)構(gòu)開裂的因素涵蓋設(shè)計(jì)、施工、材料等多個(gè)方面[2]，且裂縫出現(xiàn)后，大多只能收集裂縫的長度及走向等信息，對(duì)于裂縫的深度及內(nèi)部擴(kuò)展情況，若不經(jīng)過鉆芯取樣通常很難收集[3]，也因此很難準(zhǔn)確地判定某一種裂縫出現(xiàn)的具體原因，給工程技術(shù)人員控制混凝土裂縫帶來了極大的困惑[4]。

本文基于某質(zhì)子腫瘤醫(yī)院實(shí)體混凝土澆筑前期的足尺模型試件的具體開裂情況，結(jié)合裂縫出現(xiàn)的時(shí)間、裂縫分布情況以及鉆芯取樣的裂縫內(nèi)部擴(kuò)展情況，分析了該足尺模型試件出現(xiàn)裂縫的具體原因，并給出了針對(duì)該類大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的措施建議，以期為同類混凝土工程提供指導(dǎo)及參考意義。

1 模型信息

1.1 模型尺寸

本項(xiàng)目占地面積約為 46214m2，總建筑面積約 33687m2，其中主樓建筑面積約 33687m2，系框架—剪力墻體系，地下一層，地上三層，建筑高度為 23.2m。是一所質(zhì)子放射治療惡性腫瘤的醫(yī)院，其中質(zhì)子裝置區(qū)建成后將放置包括回旋加速器，3 個(gè)旋轉(zhuǎn)治療艙，1 個(gè)固定束治療艙，1 個(gè)科學(xué)試驗(yàn)室。

該項(xiàng)目足尺模型試驗(yàn)是在主體工程施工之前，參考項(xiàng)目質(zhì)子區(qū)防輻射混凝土側(cè)墻最大厚度及配筋情況（見圖 1），確定模型尺寸為 4.4m×4.4m×4.4m，通過該模擬試驗(yàn)，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行驗(yàn)證并優(yōu)化，為混凝土供應(yīng)和施工方案編制提供依據(jù)。

圖1 模型試塊鋼筋布置圖

1.2 混凝土配合比

（1）水泥為 P·O42.5，細(xì)度為 325m2/kg，28d 膠砂抗壓強(qiáng)度 49.8MPa。

（2）粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為 17.8%，需水量比 98%，燒失量 2.1%。

（3）粗骨料為 5～16mm 與 16～31.5mm 按照質(zhì)量比 2:8 配制的二級(jí)配碎石。

（4）細(xì)骨料為二級(jí)配中砂，細(xì)度模式為 3.3，表觀密度為 2590kg/m3，堆積密度為 1650kg/m3，含泥量 0.5%。

（5）減水劑選用固含為 17.9%、減水率為 21.5% 的高性能聚羧酸減水劑。

實(shí)際工程為大體積混凝土，因此混凝土配合比設(shè)計(jì)采用大摻量礦物摻合料的設(shè)計(jì)思路，以 60d 齡期混凝土強(qiáng)度作為驗(yàn)收強(qiáng)度，混凝土配合比見表 1，實(shí)測混凝土坍落度 (180±20)mm，和易性良好。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.3 混凝土性能檢測

1.3.1 限制膨脹率

澆筑時(shí)留置了兩組限制膨脹率的試塊，一組放在現(xiàn)場同條件養(yǎng)護(hù)，一組放在 20℃ 室溫水養(yǎng)，測試 28d 內(nèi)的混凝土限制膨脹率，結(jié)果如表 2。

表2 混凝土限制膨脹率測試結(jié)果 %

兩種養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹率可知，該項(xiàng)目混凝土均能產(chǎn)生持續(xù)地補(bǔ)償收縮作用。

1.3.2 混凝土力學(xué)性能

混凝土的力學(xué)性能具體檢測結(jié)果如表 3 所示。

表3 混凝土 28d 齡期力學(xué)性能檢測結(jié)果 MPa

在標(biāo)準(zhǔn)及同條件情況下，28d 齡期混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì) C35 強(qiáng)度等級(jí)要求。

2 模型試件澆筑及養(yǎng)護(hù)

2.1 澆筑

采用分層澆筑的方法，每層厚度約 500mm，要求保證第一層混凝土初凝前進(jìn)行第二層混凝土澆筑，同時(shí)控制混凝土入模溫度≤30℃，但實(shí)際各車混凝土的澆筑時(shí)間如表 4。

表4 混凝土澆筑記錄表

從表 4 可知：混凝土入模溫度除第一車停留時(shí)間過長造成出機(jī)溫度大于 30℃ 以外，其他均滿足控制要求。但每車混凝土澆筑完成后的間隔時(shí)間超過了 10min，甚至個(gè)別超過了 25min。對(duì)于夏季施工的大體積混凝土澆筑，過長的間隔極易形成施工冷縫，同時(shí)上層混凝土澆筑時(shí)極易對(duì)下層混凝土產(chǎn)生擾動(dòng)，造成混凝土開裂。

2.2 振搗

原規(guī)定每隔 300mm 為一個(gè)振搗點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)振搗，并要求插入到下層尚未初凝的混凝土中約 50～ 100mm，每一振點(diǎn)的振搗延續(xù)時(shí)間 30s，插點(diǎn)間距為 300～400mm。在澆筑最下部 1～3 層時(shí)，由于距離上表面較遠(yuǎn)，且夜間施工下部混凝土振搗很難貫穿，在距離模板最近的混凝土保護(hù)層部位，由于其間距要小于振搗棒的直徑，保護(hù)層部位無法直接振搗。

2.3 收光

模板內(nèi)混凝土澆筑平后，要用長刮尺將混凝土刮平，用塑料木抹打磨（將混凝土中石子壓下去），用鐵板第一次收光，等混凝土初凝時(shí)（人踩上去有 10mm 左右腳印為宜），用塑料木抹打磨吊漿，再次用長刮尺將混凝土刮平，木抹打磨，鐵板收光，視混凝土強(qiáng)度情況，第三次鐵板收光。

2.4 養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑面二次抹壓完成后，混凝土養(yǎng)護(hù)主要是保溫保濕養(yǎng)護(hù)，保溫養(yǎng)護(hù)能減少混凝土表面的熱擴(kuò)散，減少混凝土表面的溫差，防止產(chǎn)生表面裂縫。保溫養(yǎng)護(hù)還能控制混凝土內(nèi)外溫差，防止因溫差過高產(chǎn)生貫穿裂縫。保濕養(yǎng)護(hù)能防止混凝土表面脫水而產(chǎn)生表面干縮裂縫，再者能使水泥水化順利進(jìn)行，提高混凝土的極限拉伸強(qiáng)度。

帶模養(yǎng)護(hù) 7d 后拆除側(cè)模，其后覆蓋 5mm 厚毛氈土工布，如遇高溫可采用溫水養(yǎng)護(hù)。毛氈土工布幅邊之間搭接寬度不少于 10cm，防止有覆蓋不到位。

3 裂縫統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 裂縫統(tǒng)計(jì)

澆筑完成后的第 8 天拆模完成，拆模后未出現(xiàn)貫穿性收縮裂縫，但構(gòu)件下半部分（距離底面 1.7m 以內(nèi)）出現(xiàn)較多水平向的短裂紋，在試件 4 面距離地面 1.7m 范圍內(nèi)均出現(xiàn)了一定數(shù)量的水平短裂紋，采用裂縫測寬儀進(jìn)行裂縫具體信息測量，測得各面混凝土裂縫信息如表 5。

表5 混凝土裂紋信息表

由表 5 可知：該模型試件早期產(chǎn)生的水平向的裂縫均不屬于連通性裂縫，裂縫的長度及深度相對(duì)于整個(gè)模型試件的長度及厚度均較小，且都是在拆模前出現(xiàn)的，說明這類裂縫并非是由于材料的收縮產(chǎn)生的，且沒有出現(xiàn)貫穿性的溫度裂縫，可以判定與澆筑施工的關(guān)系較大。

各混凝土面的裂縫分布圖如圖 2 所示。大部分的裂縫以橫向?yàn)橹鳎也贿B續(xù)，裂縫均是位于螺桿下方或螺桿與螺桿相連接，說明裂縫的產(chǎn)生與螺桿有著一定的聯(lián)系，螺桿一方面可能造成對(duì)模板和混凝土的擾動(dòng)，一方面對(duì)混凝土的沉降造成阻隔作用，特別是這種端頭型的螺桿。

圖2 螺桿橡膠墊下側(cè)月牙形裂縫

3.2 裂縫分類

根據(jù)裂縫出現(xiàn)的位置及特點(diǎn)，本實(shí)體構(gòu)件出現(xiàn)的局部裂縫主要分為 3 類，具體如下：

（1）位于對(duì)拉螺桿橡膠墊下側(cè)月牙形裂紋，如圖 3 所示。

圖3 螺桿橡膠墊下側(cè)月牙形裂縫

位于對(duì)拉螺桿橡膠墊下方 5～10cm，裂縫長度 10～18cm 不等，裂縫寬度 0.2～1mm 之間，深度 10～ 30mm 之間，此種裂縫數(shù)量最多，占總數(shù)的一半左右。

（2）對(duì)拉螺桿橡膠墊處延伸型及連接型裂紋，如圖 4 所示。

圖4 螺桿橡膠墊處裂縫

位于對(duì)拉螺桿橡膠墊處，一種是從橡膠墊處橫向延伸發(fā)展長度在 5～10cm 之間，裂縫寬度為如圖 2 北側(cè)面中編號(hào) 6，8，9，10 類型，裂縫長度為 3～17cm 之間，寬度為 0.3～0.8mm 之間，深度為 15～30mm 之間；另一種是從一個(gè)橡膠墊處延伸至另一個(gè)橡膠墊處的連接型裂紋，如圖 2 西側(cè)面編號(hào)為 3，4，6，7 的裂紋，裂縫長度為 15～30cm 之間，寬度為 0.2～0.45mm 之間，深度為 14～30mm 之間。

（3）墻角邊緣斜向 30° 裂縫，如圖 5 所示。

圖5 墻角處裂縫

圖5 為試塊西北角，北面西面兩條裂縫是連通的，距離地面高度在 88～95mm。此種裂縫只出現(xiàn)在西北角和東北角大概 90cm 處，數(shù)量最少，寬度 0.5～2mm 之間，較寬，深度 20～35mm 不等，典型形式如圖 2 東側(cè)面編號(hào) 9 的裂縫。

3.3 裂縫原因分析

為探究各類裂縫的具體開裂原因，試件澆筑齡期 28d 后選取 3 類典型裂縫處進(jìn)行了鉆芯取樣，以更直觀地了解內(nèi)部裂縫的發(fā)展情況。

第 1 類裂縫鉆芯選擇為南側(cè)混凝土表面編號(hào) 2 為裂縫，具體位置如 圖 2 分布圖，鉆芯前及鉆芯后裂縫情況如圖 6 所示。

圖6 裂縫鉆芯前后圖片

該部分混凝土受到上部螺桿橡膠墊阻隔，造成下部骨料少、漿料多，如破開后混凝土內(nèi)部圖 6 所示，由于該部分混凝土位于保護(hù)層位置，不易振搗，在橫向鋼筋及螺桿橡膠墊的阻隔隨著上部澆筑不斷增加，下部骨料沉降過大產(chǎn)生的骨料沉降裂縫。

第 2 類裂縫鉆芯選擇為西側(cè)混凝土表面編號(hào)為 7 的裂紋，具體位置如圖 2 分布圖，鉆芯前及鉆芯后裂縫情況如圖 7 所示。

圖7 鉆芯后裂縫圖

從鉆芯后的結(jié)果可知：該類裂縫主要發(fā)生在保護(hù)層厚度位置，裂縫深度只到最外側(cè)鋼筋處，且裂縫均是繞著骨料的漿體層開裂，說明裂縫主要是在早期混凝土終凝前基本易出現(xiàn)了，主要原因在于該部分混凝土由于振搗較困難，鋼筋與混凝土或粗大骨料與漿體界面處形成的骨料沉降不均，以及施工澆筑上下層時(shí)，間隔時(shí)間過長，上層混凝土的振搗對(duì)下層已接近終凝的混凝土產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)，這種擾動(dòng)包括對(duì)鋼筋和對(duì)混凝土本身，從而引起的連接螺桿以及沿最外層水平鋼筋的裂縫。

第 3 類裂縫鉆芯選擇為東側(cè)混凝土表面編號(hào)為 9 的裂紋，具體位置如圖 2 分布圖，鉆芯前及鉆芯后裂縫情況如圖 8 所示。

圖8 鉆芯后內(nèi)裂縫及芯樣裂縫圖

該類裂縫情況與第二類裂縫產(chǎn)生原因較為類似，主要原因?yàn)樵摬糠至芽p位于試件下部，夜間施工，振搗困難，且存在振搗盲區(qū)，在鋼筋與混凝土界面位置存在無法振搗或不充分的情況，在受到鋼筋阻隔及上層澆筑、振搗對(duì)鋼筋、拉桿及模板擾動(dòng)的情況下，由于骨料不均勻沉降及而產(chǎn)生的裂縫。

3.4 施工建議

為避免類似的早期非收縮以及溫度裂縫，施工過程中建議關(guān)注以下幾方面：

（1）對(duì)于該類型大體積混凝土，混凝土和易性應(yīng)保持良好，建議按照 180～220mm 進(jìn)行配制，根據(jù)運(yùn)距保證混凝土的到現(xiàn)場的坍落度損失≤10mm。

（2）施工振搗存在盲區(qū)，特別是大體積混凝土下半部分，下部 1～1.5m 范圍內(nèi)，振搗需要加強(qiáng)處理，晚上施工應(yīng)加強(qiáng)下部施工過程中的照明，能直接目測到下部振搗狀態(tài)。

（3）振搗需分層進(jìn)行，但施工應(yīng)連續(xù)澆筑，根據(jù)大體積的混凝土的整體厚度，每層分層振搗的厚度應(yīng)≤1m，各層的澆筑間隔時(shí)間不應(yīng)≥15min，以防止上層澆筑對(duì)于下層混凝土的擾動(dòng)。

（4）大體積混凝土的帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間宜≥7d，一方面可避免內(nèi)外溫差過大，另一方面避免過早拆模對(duì)于混凝土擾動(dòng)破壞。

4 總結(jié)

（1）通過混凝土配合比的調(diào)整、施工過程控制以及膨脹劑材料的應(yīng)用，可避免貫穿性的溫度及收縮性裂縫產(chǎn)生，但施工過程中易產(chǎn)生在穿墻螺桿處及下部橫向的早期裂縫。

（2）通過裂縫統(tǒng)計(jì)及鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)橫向裂縫均是漿體層開裂且繞開骨料，且均為早期開裂，裂縫一般深度與鋼筋保護(hù)層的厚度接近。

（3）早期混凝土的澆筑間歇過長、混凝土和易性波動(dòng)大及欠振等因素造成骨料沉降不均是引起早期大體積混凝土橫向裂縫的主要原因，同時(shí)，對(duì)拉螺桿的抗擾動(dòng)性對(duì)螺桿處的裂縫影響較大，在大體積混凝土澆筑過程中應(yīng)避免振動(dòng)棒對(duì)螺桿的擾動(dòng)。