基礎大體積混凝土裂縫控制技術應用分析

袁 奇 殷 凱 吳仲震 傅書山

大體積混凝土是指混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1 m，或預計澆筑后因溫度變化和收縮可能導致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土[1]。在工程基礎部位，由于混凝土工程量大，需要一次澆筑完成，且后期養(yǎng)護作業(yè)難度大，因此混凝土結構很容易出現(xiàn)裂縫。為了進一步提高施工質(zhì)量，達到規(guī)范和設計要求，現(xiàn)場施工中必須采取科學的裂縫控制技術，以下結合實踐進行探討。

1 大體積混凝土裂縫主要類型

1.1 溫度裂縫

混凝土在凝結過程中，水泥會產(chǎn)生水化熱，導致混凝土結構內(nèi)部溫度升高，內(nèi)外溫差作用下結構表面出現(xiàn)拉應力，一旦拉應力超過混凝土自身抗裂能力，即出現(xiàn)裂縫。此外，混凝土內(nèi)部濕度變化小，表面濕度變化大，也會引起溫度裂縫。

1.2 收縮裂縫

收縮裂縫的形成主要有以下3 種情況。一是干燥收縮。混凝土在硬化過程中，由于水分蒸發(fā)以及水泥產(chǎn)生水化熱，自身體積會不斷縮小，產(chǎn)生自應力致使裂縫形成。二是塑性收縮。混凝土澆筑完成后，處于塑性狀態(tài)時發(fā)生收縮，表面水分蒸發(fā)，局部應力增大，當蒸發(fā)速度超過泌水速度，就會形成塑性收縮開裂。三是碳化收縮。在碳化作用下，混凝土中的游離態(tài)水會蒸發(fā)，引起漿體收縮而產(chǎn)生裂縫。

1.3 沉降裂縫

沉降裂縫多是不良地基、回填不密實、不均勻沉降引起的。例如，在冬季施工時，模板支撐在凍土層上，隨著外界溫度升高，凍土解凍后會出現(xiàn)不均勻沉降，導致混凝土產(chǎn)生裂縫。

2 大體積混凝土裂縫控制技術

2.1 優(yōu)選材料

水泥水化熱引起的溫度應力是造成混凝土裂縫的一個重要原因。在混凝土拌制過程中，選擇合適的外加劑或摻合料可減少水泥用量，從而降低水化熱，防止混凝土出現(xiàn)收縮裂縫，摻量一般控制在水泥用量的2%～5%[2]。本文選用粉煤灰、礦渣對比了不同摻量對水化熱的影響，結果顯示隨著摻量增加，水化熱隨之減小。外加劑摻量對水泥水化熱的影響如表1 所示。

表1 外加劑摻量對水泥水化熱的影響

2.2 合理配筋

實際上，鋼筋的導熱性高于混凝土，在水化熱相同的條件下，鋼筋溫度升高的速度比混凝土要快，因此在鋼筋與混凝土接觸部位易出現(xiàn)溫度裂縫。可采取以下措施：一是在滿足混凝土結構強度的前提下適當減小配筋率，提高混凝土的整體密實性；二是在預留孔洞、陰陽角等部位設置構造筋，使構造筋與混凝土共同承擔拉應力，有效防止裂縫出現(xiàn)，且鋼筋綁扎質(zhì)量必須滿足規(guī)范要求。鋼筋綁扎質(zhì)量控制項目如表2 所示。

表2 鋼筋綁扎質(zhì)量控制項目

2.3 提升混凝土性能

混凝土本身的性能，不僅決定了基礎結構的承載力，而且與裂縫的發(fā)生密切相關。大量實踐證實，混凝土性能越差，出現(xiàn)裂縫、變形、蜂窩等病害缺陷的概率越高，因此提升混凝土性能有助于控制結構裂縫。結合大體積混凝土的施工特點，可以從以下幾個方面提升混凝土性能。第一，根據(jù)澆筑施工需求配置混凝土，優(yōu)化運輸路線，防止長時間放置造成混凝土分層、離析、泌水。第二，控制好混凝土的出倉溫度，尤其冬季寒冷天氣中，施工溫度應不低于30 ℃，既能保證混凝土的流動性，又能減小內(nèi)外溫差。第三，混凝土制備過程中，優(yōu)化原來的工藝。例如，一次投料改變?yōu)槎瓮读希谝淮瓮都铀唷⑸啊⑺屯饧觿鑴蚝蟮诙瓮都铀槭芴岣呋炷恋拿軐嵍龋瑴p小內(nèi)外溫差[3]。

2.4 表面設置保溫層

為了控制大體積混凝土的溫度，可在結構表面設置保溫層，同時敷設內(nèi)置式冷水管，外表保溫和內(nèi)部降溫同步進行，可顯著減小混凝土結構的內(nèi)外溫差，理想狀態(tài)下溫差控制在10 ℃以內(nèi)，避免出現(xiàn)溫度裂縫[4]。目前，市場上的保溫層材料多樣，總熱阻Rs的計算公式如下：

式中，hi代表第i層保溫材料的厚度，mm；λi代表第i層保溫材料的導熱系數(shù)，W/（m·K）；β'μ代表混凝土在空氣中的放熱系數(shù)，J/（m3·h·K）。以最終計算結果為準，結合現(xiàn)場天氣、環(huán)境溫度合理選擇保溫材料，保證混凝土結構質(zhì)量。

2.5 做好養(yǎng)護工作

養(yǎng)護是混凝土施工作業(yè)的最后一個環(huán)節(jié)，科學規(guī)范的養(yǎng)護工作也能控制混凝土結構的內(nèi)外溫差，最大程度降低裂縫發(fā)生的概率。以晝夜溫差較大的季節(jié)為例，混凝土養(yǎng)護工作要點如下。第一，在混凝土表面覆蓋薄膜，定時灑水保持濕潤，既能起到保溫效果，又能避免水分蒸發(fā)引起的干縮裂縫。第二，條件允許可使用溫控裝置，合理設置溫控監(jiān)測點，動態(tài)監(jiān)測不同部位的溫度變化。一旦內(nèi)外溫差超過閾值，裝置會發(fā)出警報，提示養(yǎng)護人員進行溫度調(diào)控。第三，為保證混凝土結構的質(zhì)量，養(yǎng)護時間一般為14 d；如果連續(xù)多天陰雨天氣，還要適當延長養(yǎng)護時間[5]。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

某綜合商務樓項目位于市中心，主要由1 棟辦公樓和裙房組成，總占地面積為1.2 萬m2，總建筑面積為7.4 萬m2。其中，辦公樓地上11 層，地下2 層，主體采用框剪結構，基礎為筏板基礎。根據(jù)設計要求，底板厚度為2.2 m，混凝土強度等級為C35，抗?jié)B等級為P6，工程量約為2 700 m3，屬于大體積混凝土工程。現(xiàn)場施工時，混凝土由商混站提供，一次性澆筑完成。

本項目施工中，混凝土結構裂縫的控制難度大，主要體現(xiàn)在以下3 個方面。第一，平面尺寸大。在變截面處易產(chǎn)生應力集中，難以進行溫度控制。第二，混凝土澆筑量大。在有限時間內(nèi)調(diào)配人機料，存在較多的風險因素，不利于裂縫控制。第三，混凝土外約束力大。底板下方是混凝土墊層，墊層下的防水層有摩擦力要求，混凝土收縮時的約束力較大，加大了裂縫發(fā)生風險。

3.2 裂縫控制設計措施

第一，增加溫度鋼筋。鋼筋與混凝土的熱膨脹系數(shù)接近，但前者的彈性模量更高，可在底板上表面、側面設置雙向溫度鋼筋網(wǎng)片，在應力集中、外形突變處設置構造筋。鋼筋網(wǎng)片和構造筋的使用能夠抑制底板裂縫的出現(xiàn)、擴展。第二，設置緩沖層。在高、低底板交接部位，使用厚30 ～50 mm 的聚苯乙烯泡沫塑料作為緩沖層，用來緩沖混凝土收縮時的側向壓力，從而控制溫度裂縫出現(xiàn)。第三，避免應力集中。筏板基礎結構的孔洞、轉角部位，在溫度變形、干縮變形的作用下會產(chǎn)生應力集中，容易出現(xiàn)裂縫。因此，本工程在孔洞周圍配置鋼筋網(wǎng)片，在轉角部位設置抗裂鋼筋，從而防止裂縫產(chǎn)生。

3.3 裂縫控制施工措施

第一，二次投料。混凝土制備過程中，采用二次投料凈漿裹石新工藝，防止水分向水泥砂漿、碎石的界面集中，顯著增強粘結強度，提高混凝土結構的密實度。試驗證實，相比于傳統(tǒng)混凝土投料工藝，該工藝將混凝土的強度提高10%，不僅增加了抗拉強度，而且減少了水泥用量，從而有效降低水化熱。第二，二次振搗。二次振搗能消除塑性沉降引起的內(nèi)分層，避免泌水留下的通道，改善骨料界面結構。振搗作業(yè)時，新澆筑的混凝土覆蓋下層混凝土，此時二次振搗，將振搗棒插入下層混凝土50 mm，使新、舊混凝土之間形成一個整體，提高鋼筋與混凝土之間的握裹力。第三，二次抹壓。混凝土在終凝前進行二次抹壓，使用木抹找平，反復搓磨2 ～3 次，提高混凝土表層的密度，防止出現(xiàn)收縮裂縫。輔助使用抹壓機并控制好抹壓機的運行可提高混凝土的表面強度，有效避免因水分蒸發(fā)引起的塑性裂縫。

3.4 混凝土溫度監(jiān)測

本項目施工期間，全程監(jiān)測混凝土溫度。在筏板基礎上設置9 個監(jiān)測點，其中A 點位于基礎中心處，B 點為中心對應側面，C 點為主風向處；分別將此3點再細分，混凝土表層以下150 mm 處為1，中間為2，距離筏板底部150 mm處為3。在測溫線頂部標注埋深信息，連續(xù)記錄溫度變化。溫度監(jiān)測作業(yè)中，主要分為2 個階段：一是在混凝土澆筑時，檢測入模溫度；二是在混凝土溫度達峰后24 h，間隔6 h 測量一次，直至養(yǎng)護作業(yè)完成。統(tǒng)計監(jiān)測結果并繪制折線圖，觀察混凝土溫度變化特征。

為方便數(shù)據(jù)展示和分析，統(tǒng)計9 個監(jiān)測點在第2 d、4 d、6 d、8 d、10 d、12 d、14 d的溫度結果，如表3、圖1所示。

表3 混凝土筏板基礎的溫度監(jiān)測結果（單位：℃）

圖1 9 個監(jiān)測點在不同時間的溫度變化情況（來源：網(wǎng)絡）

3.5 裂縫控制效果

從圖1 可以看出，澆筑后前4 d，混凝土溫度持續(xù)增高；澆筑后4 ～14 d，混凝土溫度持續(xù)降低并趨于穩(wěn)定。本基礎施工完成后，未出現(xiàn)結構裂縫，施工質(zhì)量達標。

4 結語

大體積混凝土裂縫的主要類型有溫度裂縫、收縮裂縫和沉降裂縫，裂縫形成的原因復雜多樣。本文從優(yōu)選材料、合理配筋、控制約束條件、提升混凝土性能、表面設置保溫層以及做好養(yǎng)護工作6個方面，闡述了裂縫控制技術的應用，以期為同類工程提供參考。