膨脹混凝土加強帶施工技術與溫度場研究
2023-10-18 09:48:37王冠
工程機械與維修 2023年5期
王冠
摘要：為解決建筑工程地下室混凝土結構的無縫施工問題，提高地下室混凝土板塊的抗裂性能和防水特性，以鄭州市某安置房項目地下室膨脹混凝土加強帶施工為研究對象，結合膨脹混凝土加強帶施工技術，運用數值模擬和現場實測手段，研究膨脹混凝土加強帶的溫度場變化規律，達到控制溫度應力和溫度裂縫的目的。研究結果表明：隨著板厚度的增加，膨脹混凝土加強帶的峰值溫度呈現明顯的對數增長特征；隨著時間的增加，不同厚度處膨脹混凝土加強帶的變化呈現3個不同的變化階段，分別是快速增加階段、快速降低階段和穩定變化階段；板的最大應力和最小應力在5d內均呈現先非線性迅速增加，達到峰值后，則呈現逐步降低的趨勢，減小的速率明顯小于增加的速率；減小膨脹混凝土加強帶的間隔，可以有效減小板的最大和最小應力。
關鍵詞：膨脹混凝土；加強帶；溫度場；現場監測；仿真分析
0? ?引言
地下空間建設與地上建筑建設存在明顯不同，對建筑的拉裂縫和防水性能控制嚴格，為此以往的地下室建筑多采用后澆帶的形式進行施工。這種施工方法不僅破壞了地下結構的完整性，而且在長期使用過程中，后澆帶部分在溫度荷載作用下不斷膨脹收縮，極易產生溫度裂縫，給建筑工程地下室的防水性能帶來不良影響[1-2]。
隨著膨脹劑的廣泛應用，基于膨脹混凝土加強帶的施工技術能夠有效地保持地下結構的完整性，施工采用“放抗結合”的原則，避免了后澆帶施工中溫度伸縮裂縫的產生，有效補償了溫度變化產生的早期收縮應力。本文嘗試結合實際工程，研究膨脹混凝土加強帶的施工技術，并對膨脹混凝土的溫度進行研究，以限制混凝土的自應力發展和膨脹率[3-5]。
1? ?工程概況
鄭州市某安置房項目為重大民生工程，用地范圍內提供高層民用住宅和商業零售辦公用房的一體化城市生活、零售解決方案，總建筑面積達到248281m2，其中高層民用住宅一共7棟，單棟34層，層高2.9m，住宅建筑面積達到191318m2；幼兒園1棟，樓層層高3.8m，建筑面積3244m2；商用零售辦公用房2棟，建筑面積15505m2，其他為配套服務用房面積。高層住宅樓的結構形式均為剪力墻結構。地下室底板采用C35混凝土，地下室底板形狀大致呈矩形，長度800m，寬度300m，厚度1400mm。
2? ?膨脹混凝土加強帶施工技術
膨脹混凝土在發生水化硬化過程中，由于兩側已經澆筑的普通混凝土和鋼筋對其具有明顯的邊界約束作用，因此硬化膨脹會產生大致0.2～0.7MPa的膨脹自應力[6-8]。為了保證膨脹混凝土加強帶能有效展開膨脹，釋放體積膨脹，填補周邊混凝土體積收縮導致的裂縫，在膨脹混凝土加強帶施工前，應對建筑地下結構的混凝土膨脹帶間隔進行設置[9]。
綜合考慮本研究項目的地下室尺寸，在長度方向上，按照50m一個間隔設置一道膨脹混凝土加強帶，加強帶的預留寬度為2.0m[10]。C35膨脹混凝土的膠凝材料用量為390～430kg/m3，粉煤灰摻量為15%～25%，礦粉摻量為10%～20%，砂率為38%～43%。確定C35膨脹混凝土的配合比為水泥310kg/m3、水160kg/m3、骨料1700kg/m3、粉煤灰70kg/m3、礦粉36kg/m3、WPA膨脹劑42kg/m3[11]。
建筑工程膨脹混凝土加強帶構造如圖1所示。在施工膨脹混凝土加強帶時，為提高膨脹混凝土加強帶與非加強帶的過度連續性和防水等級，在兩側先行澆筑的混凝土中各預埋1道鋼板止水帶，并在非加強帶區域兩側設置鋼板拉網，防止兩側低標號的混凝土侵入非澆筑區域[12]。
隨后對膨脹混凝土加強帶的鋼筋進行綁扎。為了更好地分析膨脹混凝土加強帶施工時的溫度變化和應力變化，在綁扎鋼筋時可同時預埋敷設測溫元件。鋼筋綁扎完成后，對加強帶兩側支模板，澆筑各個區塊的非加強帶混凝土，2d后進行膨脹加強帶的澆筑施工。
澆筑前對混凝土的塌落度進行控制，保證塌落度的范圍在（140±20）mm。確保預留的膨脹混凝土加強帶內干凈無雜質，對其中的泥土、鋸末等進行清理，并提前放好保護層墊塊。加強帶混凝土的澆筑原則，遵循“薄層澆筑、一次完成”的連續作業方式。隨后采用插入式振搗泵，對混凝土進行振搗作業，振搗時振動點離兩側鋼絲網應保持30cm以上的距離。膨脹混凝土加強帶在澆筑完成后，采取恰當的養護措施使其充分水化，保證混凝土表面在充分濕潤的條件下養護28d方可進行模板拆除。
3? ?膨脹混凝土加強帶施工溫度場控制
為了研究膨脹混凝土加強帶的溫度場變化規律，本文借助有限元分析程序ABAQUS軟件建立數值仿真分析模型，計算時考慮硬化過程混凝土彈性模量變化的影響。加強帶膨脹混凝土采用C35膨脹混凝土，各齡期的彈性模量如表1所示。
圖2為膨脹混凝土加強帶不同厚度處的峰值溫度仿真計算結果。從圖2中可以看出，隨著板厚度的增加，膨脹混凝土加強帶的峰值溫度呈現明顯的對數增長特征，其擬合系數為0.9393，擬合關系式如公式（1）所示。
t=10.264ln（h）-7.487（1）
式中：t為膨脹混凝土加強帶的峰值溫度，單位為℃；h為膨脹混凝土加強帶板厚度，單位為mm。
圖3為膨脹混凝土加強帶不同厚度處溫度現場監測結果。從圖3中可以看出，隨著時間的增加，不同厚度處膨脹混凝土加強帶的變化呈現3個不同的變化階段，分別是快速增加階段（階段Ⅰ）、快速降低階段（階段Ⅱ）和穩定變化階段（階段Ⅲ）。
在膨脹混凝土加強帶溫度的快速增加階段，溫度的曲線表現為非線性增加。這個階段的混凝土內部發生水化反應放熱，因此其溫度升高較快，并在第7d達到溫度的峰值。而后快速降低階段，膨脹混凝土加強帶的溫度也呈現非線性降低，表現為混凝土內部熱量不斷向周圍環境釋放。在達到一定的時間后（24d后），膨脹混凝土加強帶的溫度趨于穩定和收斂，混凝土內外溫度與環境溫度一致。
從圖1還可以看出，膨脹混凝土加強帶的溫度峰值在板厚300mm、600mm和1200mm處依次增大，而在穩定變化階段（階段Ⅲ），不同板厚位置處的溫度一致。由此表明，膨脹混凝土加強帶的溫度場變化有明顯的時空變化性，在空間上表現為梯度降低特性，在時間上表現為溫度趨同性特征。
4? ?加強帶設置間距對溫度應力的影響
為了研究膨脹混凝土加強帶設置間距對溫度應力的影響，分別設置5種不同計算工況，間隔分別為25m、50m、100m、200m，得到地下室底板的最大應力與最小應力隨時間的變化曲線如圖4和圖5所示。
從圖4中可以看出，隨著時間的增加，不同膨脹混凝土加強帶設置間距的板溫度最大應力呈現出相似的變化趨勢，即在5d內呈現先非線性增加，達到峰值后，則呈現逐步降低的趨勢，最大應力減小速率明顯小于增加的速率。膨脹混凝土加強帶設置間距為200m、100m、50m和25m的最大應力峰值，分別為1.1MPa、0.8MPa、0.5MPa和0.3MPa。在相同的時間內，板的最大應力，按膨脹混凝土加強帶設置間距為200m、100m、50m和25m的順序依次減小。由此表明，減小膨脹混凝土加強帶的間隔，可以有效減小最大應力。
從圖5中可以看出，隨著時間的增加，不同膨脹混凝土加強帶設置間距的板溫度最小應力呈現出相似的變化趨勢，即在5d內呈現先非線性增加，達到峰值后，則呈現逐步降低的趨勢，最小應力減小的速率明顯小于增加的速率。膨脹混凝土加強帶設置間距為200m、100m、50m和25m的最小應力峰值，分別為0.55MPa、0.40MPa、0.22MPa和0.10MPa。在相同的時間內，板的最小應力，按膨脹混凝土加強帶設置間距為200m、100m、50m和25m的順序依次減小。由此表明，減小膨脹混凝土加強帶的間隔，可以有效減小最小應力。
5? ?結束語
本文以鄭州市某安置房項目地下室膨脹混凝土加強帶施工為研究對象，結合膨脹混凝土加強帶施工技術，運用數值模擬和現場實測手段，研究膨脹混凝土加強帶的溫度場變化規律，達到溫度應力和溫度裂縫控制目的，得到以下結論：
仿真結果表明，隨著板厚度的增加，膨脹混凝土加強帶的峰值溫度呈現明顯的對數增長特征，其擬合系數達到0.9393。現場實測表明，隨著時間的增加，不同厚度處膨脹混凝土加強帶的變化呈現3個不同的變化階段，分別是快速增加階段（階段Ⅰ）、快速降低階段（階段Ⅱ）和穩定變化階段（階段Ⅲ）。板的最大應力和最小應力在5d內均呈現先非線性迅速增加，達到峰值后，則呈現逐步降低的趨勢，減小的速率明顯小于增加的速率；減小膨脹混凝土加強帶的間隔，可以有效減小板的最大和最小應力。
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