大體積混凝土抗裂計(jì)算及防裂措施

徐艷華

(北京京北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，北京101400)

大型設(shè)備基礎(chǔ)、橋梁隧道等市政設(shè)施基礎(chǔ)、高層超高層等建筑的箱型基礎(chǔ)都是體積較大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在工程實(shí)踐中，需考慮由溫差和混凝土收縮所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是否超過當(dāng)時(shí)的基礎(chǔ)混凝土極限抗拉強(qiáng)度，因而必須進(jìn)行嚴(yán)格的防裂理論計(jì)算，以便制定相應(yīng)的防裂措施，從而確保大體積混凝土質(zhì)量。

1 工程概況

某工程位于北京市區(qū)中心，為大底盤多塔連體結(jié)構(gòu)，南北向長(zhǎng)約268 m，東西向長(zhǎng)約168 m，室外地面以上高度約60 m，地上15層(2#塔為14層)，地下3層;地下部分為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，未設(shè)永久沉降縫;地上部分自3層起分為東南西北四塔，均為卵形結(jié)構(gòu)，四個(gè)塔體分別在建筑的第2層、3層、4層、6層、7層、13層、14層，采用大跨度的連橋連接，連橋跨度約在20～40 m范圍內(nèi)。各塔樓均采用框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系，各塔之間的連橋采用鋼結(jié)構(gòu)桁架體系。地基采用天然地基，其中1塔、4塔主樓核心筒區(qū)域采用CFG樁復(fù)合地基，基礎(chǔ)為梁板式筏形基礎(chǔ)。裙房區(qū)域底板厚度為500 mm，塔樓底板厚度為1 800 mm、2 400 mm等。由于本工程底板較厚，混凝土量大，故需對(duì)其進(jìn)行抗裂計(jì)算。

2 抗裂計(jì)算

根據(jù)C35 P8配合比設(shè)計(jì)，P.042.5R水泥317 kg，水泥發(fā)熱量354 kJ/kg，6～9月施工平均氣溫為33℃，混凝土澆筑時(shí)的溫度控制在28℃以內(nèi)。

2.1 混凝土最終絕熱溫升［1］

式中:T(t)為混凝土澆筑t天后的絕熱溫升值(℃);C為每立方米混凝土水泥用量(kg);Q為每千克水泥水化熱量(J/kg);c為混凝土質(zhì)量熱容，一般為0.92～1.00，取0.96［J/(kg·K)］;ρ為混凝土的質(zhì)量密度，取2400 kg/m3;e為常數(shù)，取e=2.718;m為與水泥品種、澆筑時(shí)溫度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般為0.2～0.4;t為混凝土澆筑后至計(jì)算時(shí)的天數(shù)(d)。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 混凝土澆筑t天后的絕熱溫升值(℃)

2.2 混凝土內(nèi)部不同齡期溫度

2.2.1 不同齡期絕熱溫升

混凝土塊體的實(shí)際溫升，受到混凝土塊體厚度變化的影響，因此與絕熱溫升有一定的差異。根據(jù)《建筑施工手冊(cè)》資料算得水化熱溫升與混凝土塊體厚度有關(guān)的系數(shù)ξ值，見表2。

表2 不同齡期水化熱溫升與混凝土厚度有關(guān)系數(shù)ξ值

式中:Tt為混凝土不同齡期的絕熱溫升;T(t)為混凝土最高絕熱溫升;ξ為不同齡期水化熱溫升與混凝土厚度有關(guān)值(表3)。

表3 不同齡期的絕熱溫升(℃)

2.2.2 不同齡期混凝土中心最高溫度

式中:Tmax為不同齡期混凝土中心最高溫度;Tj為混凝土澆筑溫度;Tt為不同齡混凝土絕熱溫升。計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同齡期混凝土中心最高溫度

由表4可知，混凝土在6～9 d左右時(shí)內(nèi)部溫度最高。

2.3 混凝土溫度應(yīng)力

按外約束為二維時(shí)的溫度應(yīng)力(包括收縮)來考慮計(jì)算。

2.3.1 各齡期收縮變形

表5 各齡期收縮變形值

2.3.2 各齡期收縮當(dāng)量溫差

將混凝土的收縮變形換算成當(dāng)量溫差

式中:Ty(t)為各齡期(d)混凝土收縮當(dāng)量溫差(℃);εy(t)為各齡期(d)混凝土收縮相對(duì)變形值;α為混凝土的線膨脹系數(shù)，取1.0×10－5。計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 各齡期收縮當(dāng)量溫差

2.3.3 各齡期混凝土的最大綜合溫度差

式中:ΔT(t)為各齡期混凝土最大綜合溫差;T0為混凝土入模溫度，取28℃;T(t)為齡期t時(shí)的絕熱溫升;Ty(t)為齡期t時(shí)的收縮當(dāng)量溫差;Th為混凝土澆筑后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的溫度，取平均氣溫33℃。計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 各齡期混凝土最大綜合溫度差ΔT(t)

2.3.4 各齡期混凝土彈性模量

式中:E(t)為混凝土從澆筑到計(jì)算時(shí)(齡期t)的彈性模量(MPa)，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，一般取平均值;E0為混凝土最終彈性模量(MPa)，對(duì)于C35混凝土取3.15×104MPa。計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 混凝土齡期t時(shí)的彈性模量

2.3.5 齡期t時(shí)混凝土溫度(包括收縮)應(yīng)力

式中:σ(t)為齡期t時(shí)混凝土溫度(包括收縮)應(yīng)力;Sh(t)為考慮徐變影響的松弛系數(shù)，一般取0.3～0.5;Rk為約束系數(shù)，取0.4;v為混凝土泊桑比，取0.15;α為混凝土線膨脹系數(shù)，取1.0×10－5/;E(t)為齡期 t時(shí)混凝土彈性模量;ΔT(t)為齡期t時(shí)混凝土綜合溫差。計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 不同齡期混凝土溫度(包括收縮)應(yīng)力σ(MPa)

2.4 結(jié)論

由不同齡期混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算表我們得知，對(duì)于0.5 m、1.8 m、2.4 m的板均在第9 d處于混凝土開裂的危險(xiǎn)期。

查C35抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fct=1.65 N/mm2，計(jì)算得:

由上述計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于0.5 m、1.8 m、2.4 m的底板，只要能滿足混凝土內(nèi)外溫差不大于25℃，混凝土底板內(nèi)就不會(huì)產(chǎn)生貫穿性裂縫。

由于本工程底板混凝土冬季施工一般是0.5 m底板，故不用進(jìn)行防裂理論計(jì)算。

3 施工中防止底板混凝土產(chǎn)生裂縫的措施

3.1 原材料方面采取的措施

本工程選用普通硅酸鹽水泥，其特點(diǎn)是混凝土不易離散，表面泌水少，便于混凝土表面壓光，防止表層開裂;同時(shí)在混凝土中最大限度地增加粉煤灰的摻量，減少水泥用量，降低水化熱，使混凝土強(qiáng)度有所增加(包括早期強(qiáng)度)，密實(shí)度增加，收縮變形也有所減少，泌水量下降，坍落度損失減少。粉煤灰與減水劑摻入混凝土稱為“雙摻技術(shù)”，由此會(huì)取得降低水灰比，減少水泥漿量，延緩水化熱峰值的出現(xiàn)，降低溫度峰值，收縮變形也有所降低［2］。

3.2 施工方面采取的措施

(1)嚴(yán)格控制混凝土出罐溫度和澆筑溫度。為了減少結(jié)構(gòu)物的內(nèi)表溫差，控制混凝土內(nèi)部溫度與外界溫度之差不大于25℃。

(2)采用分段分層澆筑?；炷敛捎米匀涣魈史謱訚仓謱雍穸葹?0 cm左右。在上層混凝土澆筑前，使其盡可能多的熱量散發(fā)，降低混凝土的溫升值，縮小混凝土內(nèi)外溫差及溫度應(yīng)力。

(3)嚴(yán)格控制混凝土的坍落度，進(jìn)行混凝土的二次振搗，減少混凝土的收縮值，增加混凝土的密實(shí)度，提高混凝土的抗裂性能。

(4)混凝土泌水處理和表面處理:及時(shí)排除混凝土在振搗過程中產(chǎn)生的泌水，消除泌水對(duì)混凝土層間粘結(jié)能力的影響，提高混凝土的密實(shí)度及抗裂性能。

(5)澆筑混凝土的收頭處理也是減少表面裂縫的重要措施，因此，在混凝土澆筑后，先初步按標(biāo)高用長(zhǎng)刮尺刮平，在初凝前再由抹灰工人逐步壓光。在混凝土終凝前在進(jìn)行第二次壓光，控制混凝土表面裂縫［3］。

4 結(jié)束語

由于大體積混凝土一次澆筑量大、厚度大、強(qiáng)度等級(jí)高、技術(shù)難度大的特性，使其澆筑過程中溫度裂縫的產(chǎn)生不可避免。但是只要采取相應(yīng)的措施，從各個(gè)方面入手進(jìn)行有效的控制，就能減少溫度裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，提高大體積混凝土澆筑的質(zhì)量。本工程在施工過程中，通過設(shè)計(jì)合理的溫度測(cè)量和控制方案，取得了較好的實(shí)踐效果，有一定的參考價(jià)值。

［1］王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版設(shè)，1999

［2］王利文，張立群.土木工程施工技術(shù)［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2007

［3］GB 50204－2002混凝土結(jié)構(gòu)施工工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］