摘 要:结合某地下室基础混凝土工程的裂缝分布规律,对超长混凝土结构裂缝的产生机理进行了分析,并从设计与施工方面探讨了混凝土裂缝的控制措施。工程实践表明:采取合理的结构形式,选用合适的水泥及混凝土骨料,掺加合适的粉煤灰、缓凝减水剂以及聚丙烯纤维;同时采用合理的混凝土配合比和构造措施并运用优化的施工方法,就可以有效地控制超长混凝土结构裂缝的产生。
关键词:地下建筑;超长结构;混凝土裂缝;裂缝控制
中图分类号: TU926; TU93 + 1 文献标识码: B 文章编号: 1008 - 3707 (2007) 04 - 0037 - 03
在超长结构混凝土工程施工中,由于大体积混凝土水泥水化热引起混凝土内部温度及温度应力剧烈变化,会产生温度应力和收缩应力,致使混凝土产生裂缝。因此,控制混凝土浇筑时的内外温度及降温速度,是工程质量控制的关键。以下就裂缝的产生与控制予以分析。
1 超长混凝土结构的裂缝成因
混凝土结构在施工和使用过程中不可避免地经常出现不同程度、不同类型的裂缝[ 1, 2 ] 。这些裂缝大多是因荷载及温度变化而引起的。
①混凝土受约束产生裂缝:混凝土在受到内部和外部约束时会产生拉应力,出现裂缝。
②受拉产生裂缝:由于混凝土的抗压强度远大于其抗拉强度。大体积混凝土内部产生的拉应力超过其极限抗拉强度时将产生裂缝。
③温度上升引起的裂缝:水泥水化热是引起大体积混凝土中的温度变化的主要因素。由于混凝土表面散热条件较好,热量容易释放,因而温度上升较少;而混凝土内部由于散热条件较差,使温度上升较多而形成内约束。其结果使得混凝土内部产生压应力、面层产生拉应力。当该拉应力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土表面就产生了温度裂缝[ 3 ] 。
④降温产生的裂缝:混凝土浇筑后经过一段时间,水泥水化热基本上已释放,混凝土从较高温度逐渐降温,引起混凝土收缩,同时由于混凝土中多余水分蒸发、碳化等引起的体积收缩变形,受到地基和结构边界条件的约束,不能自由变形,导致产生拉应力,当拉应力超过混凝土抗拉强度时,则从约束面开始向上开裂形成裂缝。
2 超长结构混凝土的裂缝控制
在超长结构控制温度裂缝方面,根据温度应力与长度非线性关系,应用“抗与放”原则,具体思路如下:
第一,“放”的方法是减少约束体与被约束体之间相互制约,以设置永久性伸缩的方法,将超长的现浇混凝土结构分成若干段,以释放大部分变形,减少约束应力。
第二,“抗”的方法是采取措施减少被约束体与约束体之间的相对温差,改善配筋,减少混凝土收缩,提高混凝土抗拉强度。
第三,“放”与“抗”结合的方法是在施工期间设置临时伸缩的后浇带,把结构分成若干段,这样可以有效削弱温度收缩应力。在施工后期,将若干段浇筑成一整个,以承受约束应力。
2. 1 工程概况
本工程位于江苏省吴江市盛泽镇,建筑面积为17 308 m2 , 其中人防面积为10 689 m2 , 南北长206. 5 m, 东西长82. 9 m。地下室底板埋深- 5. 700 m,顶板面标高为- 1. 600 m,覆土1. 3 m,地下室上部为3幢11层住宅楼,工程场地按6度抗震要求设防,地震动峰值加速度为0. 05 g。该工程基础采用桩筏基础,地下室底板厚600 mm,顶板厚250 mm,地下室混凝土用量16 000 m3 ,采用泵送混凝土,混凝土强度等级为C35,抗渗指标为S8。超长、超大面积是本工程结构的重要特征,因此其裂缝控制也就成为设计与施工的重点与难点。
2. 2 裂缝控制分析
2. 2. 1 结构设计及构造措施 为控制混凝土裂缝,在设计与构造方面采取了以下措施:
① 地下室底板、外墙、顶板裂缝计算均按0. 2 mm控制计算。对于外墙,由于受到底板的较大约束,造成约束力上小下大,外墙下部1 /2 高度内配筋加密为14@150。
②在地下室外墙与柱子相连部位,由于两者截面和配筋率相差大,往往在相连部位产生较大的应力集中而导致开裂,为分散此处应力,而增加了水平构造。
③另外±0. 00与地下室顶板标高相差1. 60 m (图1)且顶板上覆土1. 3 m,对控制顶板的温度差及释放南北方向的应力起到一定的有利作用。
④工程地下室部分设置了8道沉降后浇带及伸缩后浇带(伸缩后浇带混凝土的浇捣时间视实际情况定,但最小时间差不应小于60 d,沉降后浇带须在主体结顶后浇筑) ,将地下室共分成了21块,主楼长度达71 m,设伸缩缝一道(图2) 。
2. 2. 2 混凝土配合比设计 就裂缝控制而言,混凝土的配合比至关重要。结合工程实际,选用低水化热水泥并填加外加剂,可有效控制裂缝的产生。
(1)水泥和骨料的选择:根据水化热绝对温升计算公式[ 1 ]可知,减少水泥用量可降低水化热。为降低水化温升、减小体积变形,减少出现裂缝,在满足设计要求的前提下,选用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。
地下室部分混凝土等级为C35,采用42. 5级矿渣硅酸盐水泥,水泥热量Q = 334 kJ /kg。骨料选择连续级配骨料,增大混凝土的密实度。粗骨料含泥量控制≤0. 5%,细骨料选用细度模数为2. 02～2. 4的中砂,含泥量≤0. 5%。混凝土坍落度140～150 mm,容重2 450 kg/m3 ,采用机械振捣和泵送施工。
(2)配合比设计:根据工程的特点和设计要求、气候条件,掺入粉煤灰的影响以及施工现场的生产管理状况,采用不同技术指标,由实验室试配确定配合比。
(3)外加剂:在混凝土中掺入活性材料粉煤灰,可改善混凝土的粘塑性,代替部分水泥,减少混凝土的用水量和水泥用量,从而降低水化热;还可减少混凝土中的孔隙,提高混凝土的密实性和强度,提高抗裂性。但同时应注意到掺入粉煤灰的混凝土早期抗拉强度及早期极限拉伸有小量的降低,但后期强度不受影响。此外,根据大体积混凝土的强度特性,对早期抗裂要求较高的工程,粉煤灰的掺量应限制在较小的范围内[ 4 ] 。鉴于此,本工程混凝土中粉煤灰的掺入量控制在水泥用量的20%左右。
为使施工现场的混凝土具有足够的塌落度,在地下室底板、墙板、顶板混凝土中还掺加了HPM - 2高效缓凝减水剂以进一步降低水泥用量。缓凝型减水剂还有抑制水泥水化作用,可降低水化温升,有利于防裂。另外还可延迟水化热释放速度,热峰也有所降低;可以缓凝,在大体积混凝土中可以避免冷接缝,提高工作性及流动性,有利于泵送。减水剂掺量2. 2%(根据厂家实验数据定) ,约减水泥用量20 %。
(4)掺加其他材料:为了增加混凝土的韧性,提高混凝土的抗拉能力,在施工中还加入防裂抗渗聚丙烯( PP)改性纤维,掺加量为0. 9 kg/m3。根据工程要求,实际采用的配合比如表1所列。
2. 2. 3 施工措施[ 5 ] 混凝土在凝结过程中产生的收缩受到约束后产生收缩应力,当其大于混凝土的抗拉强度时就会产生裂缝。为了有效控制其中有害裂缝(宽度> 0. 2 mm)的展开,本工程在施工中采取了以下4种措施。
(1)设置膨胀加强带:两侧架设密孔铁丝网,防止两侧混凝土流入其中;在膨胀带外侧采用微膨胀混凝土(UEA - H掺量为8% ) ,膨胀加强带则采用大膨胀混凝土(UEA - H掺量为10%) ,到加强带另一侧时又改为微膨胀混凝土。
(2)温度控制措施:混凝土浇注安排在夜间进行,以便降低混凝土的初始温度,防止其在浇筑过程中过早硬化和出现裂纹。混凝土从低处向高处水平分层连续浇筑,浇筑时采用“一个坡度,分层浇注,一次到顶”的方法进行施工,使之合理分层。
混凝土浇筑时不留施工冷缝,加强振捣使其形成密实的均匀体,减少收缩,浇捣后及时排除表面泌水,提高混凝土的极限拉伸强度。浇筑混凝土时采用WD2型测温仪测温,采用测温技术指导混凝土动态养护。
(3)混凝土的养护措施:通过测温监控和蓄水养护防止混凝土干裂,控制内外最大温差为21℃,(小于规范要求的25℃) ,且养护期不少于14 d。
(4)改善施工工艺:在施工中采取以下措施,以确保混凝土的质量。
对浇筑后的混凝土进行二次振捣,排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙,提高混凝土与钢筋的握裹力,防止因混凝土沉落而出现的裂缝,减少内部微裂,增加混凝土密实度,使混凝土的抗压强度提高10 %～20 %,从而提高抗裂性。采用二次投料的砂浆裹石搅拌工艺,二次投料法是先将水、水泥、砂子投入搅拌机,拌合30 s成为水泥砂浆,然后再投粗骨料拌合60 s,这时骨料与水泥已充分拌合均匀。采用这种方法,因砂浆中无粗胶料,便于拌合,粗骨料投入后,易被砂浆均匀包裹,可有效地防止水分向石子与水泥砂浆界面的集中;硬化后的界面过渡层的结构致密,粘结加强,从而提高了混凝土强度。
3 结 语
工程实践表明,超长混凝土裂缝的成因可分为两大类:荷载引起的裂缝及变形引起的裂缝。本工程在裂缝控制方面从结构设计方案及构造措施、混凝土的配合比、添加外加剂以及施工监测几方面进行控制,取得了良好的效果。2006年5月竣工使用至今,经过观测地下室顶板、底板均无明显裂缝,墙板经检测有微小裂缝,但宽度仅0. 15 mm,能满足规范及正常使用要求。
参考文献
[ 1 ] 王铁梦. 建筑物的裂缝控制[M ]. 上海:上海科技技术出版社,1987.
[ 2 ] 郭惠琴,纪福宏. 超长混凝土结构裂缝控制措施[ J ]. 山西建筑, 2005. 31 (6) : 41- 42.
[ 3 ] 刘兴法. 混凝土结构的温度应力分析[M ]. 北京:人民交通出版社, 1991.
[ 4 ] 叶琳昌,沈 义. 大体积混凝土施工[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 1987.
[ 5 ] 袭洛书. 混凝土实用手册[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 1995.
