住宅樓筏板基礎中混凝土溫度裂縫的控制

周學磊

(西安交通工程學院,西安 710000)

隨著高層、超高層建筑的不斷出現,工程結構形式越發復雜,這無疑加大了施工難度。而結構的穩定性取決于基礎的強度穩定,大型建筑由于體量大、自重大,導致其結構基礎向著大體積方向發展。大體積混凝土通常采用筏板基礎、樁基礎等形式,這些基礎形式體積較大,厚度較厚,施工時會在短時間內產生較大的水化熱,造成混凝土內外表面溫差過大,從而產生溫度裂縫,甚至是危害結構安全的貫穿裂縫,這些裂縫不僅會帶來嚴重的外觀影響,還會極大縮短建筑使用壽命,如不加以控制,勢必會對結構造成不可挽回的損失。

1 混凝土溫度裂縫的防控措施

1.1 優化混凝土原材料

混凝土原材料的選擇是影響混凝土絕對溫升值的重要因素。混凝土由水泥、粗骨料、細骨料、水等攪拌而成,要選擇水化熱小的高強水泥,選擇礦渣、粉煤灰等來減少水泥用量。粗骨料占混凝土體積的70%～80%,如出現質量問題會使混凝土產生較大的收縮溫度裂縫,為防止混凝土在凝固過程中產生溫度裂縫,需采用級配良好的石子,控制水灰比,控制粗骨料體積在75%左右為宜。

1.2 優化澆搗及養護方法

在澆筑振搗混凝土時,應根據周圍環境及溫度變化選取不同的振搗與養護方法,盡量采取分層澆筑、分層振搗的方式,層厚為250～350 mm,采取邊澆筑邊振搗的施工方法,避免因混凝土顆粒分布不均勻導致內部開裂。對于混凝土養護方式,要根據氣候條件加以控制,施工時提前與氣象部門做好溝通,掌握天氣變化情況,如冬季施工可采取蒸汽養護的方式,澆筑盡量選取上午9點以后;夏季施工時則盡量采取薄膜養護,及時灑水濕潤,避免外表面過于干燥造成干裂及起皮。

1.3 降低最高溫升

溫度裂縫的產生主要是因為混凝土在澆筑時未做好溫度控制,在高溫季節施工時,應盡量將模板溫度控制在低于30 ℃,低溫施工時,模板溫度高于5 ℃。大體積混凝土溫度最高點在其中心,由于表面及周邊限制,澆筑后溫度不能及時擴散,造成內部溫度積累,引發結構漲裂,可通過降級入模溫度來降低混凝土中心部分的最高溫度,從根本上解決混凝土中心與表面溫差過大的問題,避免溫度應力的產生[1]。

混凝土表面溫度要根據中心溫度的大小加以控制,避免內外溫差過大造成熱脹冷縮。如果混凝土表面長時間暴露在寒冷天氣中,會造成表面受凍,骨料脫落,混凝土因環境溫度突然下降而產生顯著的溫度應力,因此混凝土澆筑完成后,應及時對其進行處理,在土壤表面覆蓋薄膜或草簾,達到保溫的目的。

2 混凝土溫度計算理論

2.1 溫度應力類型

根據熱應力產生的原因,大體積混凝土的熱應力可分為自應力與約束應力兩種。自應力是大體積混凝土結構表面開裂的原因,在自應力作用下,當結構中的溫度分布呈非線性時,混凝土結構應力主要由各部分結構的約束引起。如混凝土冷卻時內部溫度較高,表面溫度較低,在表面產生拉應力,在中心產生壓應力。約束應力是混凝土結構中貫通裂縫與深裂縫形成的主要原因,當新混凝土的外部邊界被完全或部分約束時,混凝土約束所引起的應力將導致其溫度及體積變形。

2.2 混凝土溫度計算方法

2.2.1 拌和溫度計算

混凝土混合料溫度簡化計算的基本原理是:假設混凝土混合料的總熱量由其原材料提供,攪拌前后沒有熱量損失,根據等熱量原理[2]預測拌和溫度公式如下:

式中,Tc、Tw、Ts、Tg分別表示水泥、水、粗骨料、細骨料的拌和溫度(℃)。mc、ms、mg分別表示水泥、粗骨料、細骨料去水后凈重(kg)。mw、ws、wg分別表示水泥、粗骨料、細骨料中游離水含量(kg)。Cs、Cg、Cc、Cw分別表示水泥、水、粗骨料、細骨料的比熱容[kJ/(kg·K)]。

2.2.2 澆筑溫度計算

外界環境對澆注溫度有直接影響。熱損失通常與混凝土輸送方式及輸送時長有關。根據經驗及實驗,混凝土澆筑溫度按以下公式計算:

Tp=T0+(Tα-T0)(θ1+θ2+θ3+…θn)

式中,θ1、θ2、θ3…θn按照規范取值溫度損失系數;Tα為運輸、澆筑時混凝土室外溫度(℃);Tp為混凝土本身澆筑時的材料溫度(℃)。

2.2.3 水化熱絕熱溫升值的計算

大體積混凝土由于尺寸大、傳熱路徑長,混凝土中心積聚的熱量消散非常緩慢,水化熱在混凝土內部緩慢積聚,導致混凝土中心溫度較高。在實際計算過程中,一般假定混凝土結構沒有散熱損失,水泥水化過程中產生的水化熱在溫度升高后全部轉化為溫度值,不考慮散熱損失及外部傳熱[3],在這種情況下,水化熱的絕熱溫升公式可表示為:

混凝土絕熱溫升值計算:

最大水化熱溫升值:

式中,C為水泥用量;Q為每千克水泥發熱量(J/kg);c為凝土比熱容;ρ為混凝土密度;e為常數,取2.718;m為與水泥品種、澆筑時溫度有關的經驗系數,一般為0.2～0.4。

3 案例分析

3.1 工程概況

某北方工程包含29棟高層住宅樓、2棟商業樓,其中8#住宅樓配置為1#兩戶,6個連續單元。為確保建筑整體的穩定性,結構基礎形式采用大筏板基礎,基礎埋深為11 m,筏板基礎厚度為3.5 m,單棟基礎混凝土澆筑量預計為2150 m3,屬于標準的大體積混凝土基礎工程。為確保結構質量,減少溫度裂縫的產生,從入模、澆筑、養護等全過程進行混凝土溫升控制。

3.2 混凝土溫度及溫度應力計算

3.2.1 配合比設計

根據試生產,水泥采用水化熱小的礦渣水泥,粗骨料選擇5～8 mm的石子,細骨料選擇優質砂。為進一步減少水化熱的產生,配合比設計摻加一定量的粉煤灰代替水泥,大體積混凝土凝結速度不易太快,故決定加入抗裂劑、緩凝劑及減水劑來減少水化熱,避免內外溫差過大[4]?；炷僚浜媳热缦?水170 kg,水泥300 kg,優質砂760 kg,粗骨料石子1070 kg,粉煤灰70 kg,抗裂劑31 kg,減水及緩凝劑共5.7 kg。

3.2.2 混凝土熱工計算

利用上述公式計算出混凝土澆筑前后的絕熱溫升及混凝土內部中心溫度,結合基礎混凝土的物理參數性質,得到筏板基礎的混凝土熱工計算結果,如表1所示。

表1 混凝土熱工計算結果

續表1

為了簡化計算,將混凝土齡期分為三個階段。通過表1計算得出,混凝土內外最大溫差為24.7 ℃,澆筑后第3 d,混凝土內中心溫度達到最高值。從第9 d開始,混凝土內外溫差值開始減少,第21 d時產生的抗烈度值為0.529<0.7,因此不會產生貫穿裂縫。

3.2.3 大體積混凝土溫度監測

混凝土溫度監測的目的是驗證溫度控制的有效性,從而改進溫度控制措施。通過設置水冷管道,將基礎內部的熱量排出,水冷管采用無縫鋼管,安裝過程中嚴格控制接頭質量,防止水冷系統泄漏。設計流量為30 L/min的水冷系統,分別設置各層冷卻管的進出口[5]。水冷系統運行時間為10～12 d,在水冷過程中,管道流量、進出水溫度、基礎內混凝土溫度以每小時1～2次的頻率進行測量及記錄,根據監測及評價數據控制溫度,動態調整冷卻系統的水流量。圖1為冷卻水管及測溫點布置,共布置45個測溫點,按照表面、中部、底部區分為各15個測溫點,監測周期預定為21 d,監測頻率預定為1次/h。

圖1 冷卻水管及測溫點布置Fig.1 Cooling water pipe and temperature measuring point arrangement

根據溫度監測數據得到加熱階段的溫度規律:對于下層、中層及上層,中層溫度較高,上層溫度較低。冷卻規律如下:上層和中層的平均冷卻速率基本相同,下層的冷卻速率較小。對中下層溫差分析表明,由于上層溫度容易受到外界環境的影響,中上層溫差波動較大,上層和下層之間的溫差控制在10 ℃以內,中間層之間的溫差控制在15 ℃以內。通過混凝土內部應變響應發現,混凝土中沒有過大或跳躍應變,表面沒有有害裂縫,表明基礎裂縫得到了很好的控制,溫度監測取得了良好的效果。選取基礎中心、軸心點及大應變區的溫度控制點,可以實時反映基礎混凝土的整體溫度狀態。

表2 主要測溫點的溫度變化情況

4 結論

對于普通混凝土結構,通過優化施工措施,可以有效避免施工裂縫的產生。但大體積混凝土往往由于混凝土澆筑量大,溫度裂縫成為了影響結構安全的重要因素。以某小區筏板大體積混凝土底板為研究對象,采取優化混凝土原材料、振搗方法、冷卻水管溫度控制等措施,對工程表面無有害裂縫進行觀察發現工程溫度裂縫得到了很好的控制?；炷羶韧鉁夭顝牡? d開始逐漸減小,第21 d的抗裂度值低于標準值,避免了滲透裂縫的發生。上下層溫差控制在10 ℃以內,中間層溫差控制在15 ℃以內,說明溫度裂縫得到很好的控制,可為類似工程提供參考。