某大體積混凝土設(shè)備基礎(chǔ)裂縫成因及防治措施

朱 艷

(大同煤礦集團有限責任公司企劃部，山西 大同 037003)

某大體積混凝土設(shè)備基礎(chǔ)裂縫成因及防治措施

朱 艷

(大同煤礦集團有限責任公司企劃部，山西 大同 037003)

對鋼筋混凝土設(shè)備基礎(chǔ)產(chǎn)生裂縫的原因進行了分析，以某鋼筋混凝土大型設(shè)備基礎(chǔ)為例，通過大體積混凝土溫度應(yīng)力理論計算，并根據(jù)該設(shè)備基礎(chǔ)的實際施工現(xiàn)狀及裂縫狀態(tài)提出了適合大體積混凝土防治溫度裂縫產(chǎn)生的措施。

大體積混凝土，溫度應(yīng)力，裂縫，防治措施

1 工程背景

某鋼筋混凝土大型設(shè)備基礎(chǔ)，長67 m,寬13 m，厚1 m，周邊為6 m高鋼筋混凝土擋土墻，基礎(chǔ)底面配筋率為0.13%，鋼筋直徑為18 mm，采用42.5級中抗硫酸鹽水泥，混凝土強度等級C35，基礎(chǔ)下設(shè)100 mm厚細石混凝土墊層。該基礎(chǔ)9月份施工，平均氣溫為13 ℃，施工期間未采用任何保溫措施。11月份發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)頂面有水印，經(jīng)全面檢查發(fā)現(xiàn)該基礎(chǔ)表面出現(xiàn)多道橫向裂縫，裂縫寬度約為0.5 mm。

2 裂縫原因分析

根據(jù)規(guī)范[1]規(guī)定，當混凝土結(jié)構(gòu)實體最小尺寸不小于1 m的均稱為大體積混凝土。該工程基礎(chǔ)厚1 m，已屬于大體積混凝土施工的范疇。

2.1 大體積混凝土的溫度計算

1)混凝土絕熱溫升。

其中，Tt為在t齡期時混凝土的絕熱溫升；W為每立方米混凝土中水泥用量,kg/m3；Q為每千克水泥水化熱量,kJ/kg；c為水泥的比熱，可取0.97kJ/(kg·K)；γ為混凝土的重度，可取24kN/m3；m為與水泥品種、澆筑溫度有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)；t為齡期,d。

本基礎(chǔ)每立方米混凝土中水泥最小用量為300kg/m3，每千克水泥水化熱為377kJ/kg，m=0.329，根據(jù)公式算得的混凝土的最大絕熱溫升為49 ℃，其他齡期計算結(jié)果見表1。

2)混凝土內(nèi)部中心點的最高溫度。

Tmax=Tj+ξ(t)Tt。

其中，Tj為混凝土的澆筑溫度，可取計算齡期t時的日平均溫度或年平均溫度,℃；ξ(t)為不同澆筑厚度在t齡期時的溫降系數(shù)。

該設(shè)備基礎(chǔ)混凝土施工在9月進行，根據(jù)氣象部門記錄，該地區(qū)9月平均氣溫為15.2 ℃，10月平均溫度為9 ℃左右，綜合考慮取Tj為13 ℃；計算得到的混凝土內(nèi)部溫度見表1。

3)混凝土收縮的相對變形值。

混凝土收縮當量溫差可按下式求得：

其中，Tsh(t)為齡期t時混凝土收縮當量溫差；α為混凝土的線膨脹系數(shù)，可取1.0×10-5/℃；

計算得到混凝土收縮當量溫度見表1。

4)混凝土的綜合最大溫差可按下式計算：

其中，Tq為混凝土澆筑后到穩(wěn)定時的溫度，一般可根據(jù)氣象資料取當?shù)貧v年平均溫度，℃。計算得到的混凝土的綜合最大溫差見表1。

表1 混凝土的溫度計算結(jié)果 ℃

根據(jù)表1內(nèi)容可知，綜合最大溫差已超過25 ℃，因此必須采取必要的保溫措施，降低最大溫差。

2.2 混凝土不同齡期內(nèi)的強度指標

1)混凝土的彈性模量。

E(t)=βE0(1-e-φt)。

其中，E(t)為混凝土齡期為t時，混凝土的彈性模量；E0為混凝土的彈性模量，一般近似取標準養(yǎng)護28d的彈性模量；φ為系數(shù)，應(yīng)根據(jù)所用混凝土試驗確定，無試驗數(shù)據(jù)時，可近似地取0.09；β為混凝土中摻合料對應(yīng)的彈性模量修正系數(shù)，可按下式計算取得：

β=β1·β2。

其中，β1為混凝土中粉煤灰摻量對應(yīng)的彈性模量修正系數(shù)；β2為混凝土中礦粉摻量對應(yīng)的彈性模量修正系數(shù)。

2)混凝土的抗拉強度。

ftk(t)=ftk(1-e-γ)。

其中，ftk(t)為混凝土齡期為t時混凝土的抗拉強度標準值；ftk為混凝土的抗拉強度標準值；γ為系數(shù)，應(yīng)根據(jù)混凝土試驗確定，當無試驗數(shù)據(jù)時，可取0.3。

計算得到的混凝土各齡期內(nèi)的強度指標見表2。

2.3 混凝土溫度應(yīng)力計算

該基礎(chǔ)，施工時在34m位置處設(shè)置了混凝土后澆帶，寬度(13m)小于長度(34m)，厚度又遠小于長度和寬度，因此可近似沿長度方向按一維約束進行分析[2,3]。

其中，l為混凝土澆筑體的長度，mm；h為混凝土澆筑體的厚度,mm；Cx為外約束介質(zhì)的水平變形剛度；由于基礎(chǔ)底板下有100mm厚的素混凝土墊層，則地基的水平剛度為0.6N/mm3。

表2 混凝土各齡期內(nèi)的強度指標 MPa

計算得到的混凝土溫度應(yīng)力見表3。

表3 混凝土的溫度應(yīng)力 MPa

2.4 裂縫成因分析

由表2和表3的計算結(jié)果可知，溫度應(yīng)力在第3天時已超過混凝土的極限抗拉強度，因此雖然裂縫是在施工完成后兩個月發(fā)現(xiàn)的，但由計算可知，混凝土澆筑完成第3天時裂縫已經(jīng)開展。施工時未采取任何保溫措施，外表面與空氣直接接觸降溫快，內(nèi)部混凝土在水泥不斷水化的同時，溫度逐漸升高且降溫較慢，內(nèi)外降溫速率不一致，致使混凝土內(nèi)外溫差過大，當混凝土產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度時，裂縫就會產(chǎn)生。降溫階段的同時，混凝土發(fā)生收縮，由于受到地基和四周墻壁的約束，使得基礎(chǔ)不能自由收縮而產(chǎn)生應(yīng)力。因此，該基礎(chǔ)在收縮、外約束及溫度的多重影響下產(chǎn)生裂縫。

3 大體積混凝土溫度裂縫控制措施

3.1 合理確定混凝土強度等級

根據(jù)廣大學者對大體積混凝土裂縫成因的分析，有80%～90%的裂縫都是由溫度及收縮應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度導致的。因此設(shè)法提高混凝土的極限拉伸，混凝土便不容易產(chǎn)生裂縫。但不代表要選用高強混凝土，因為高強混凝土雖然能滿足承載力的要求，但其配合比中務(wù)必會使用水化熱高的水泥來提高強度，這對大體積混凝土防止裂縫產(chǎn)生是非常不利的。工民建領(lǐng)域大體積混凝土的強度等級一般適宜在C25～C35。

3.2 合理確定配筋率

3.3 合理確定施工方案

由最大溫度應(yīng)力計算公式可知：溫度應(yīng)力與結(jié)構(gòu)或構(gòu)件長度成正比，長度越長，溫度應(yīng)力越大，因此施工時應(yīng)合理確定后澆帶的位置，不單純依據(jù)規(guī)范設(shè)置最大伸縮縫間距。

最大伸縮縫間距可由下列公式確定：

伸縮縫分割的區(qū)間，區(qū)間兩個方向的尺寸要盡量接近，減少或避免出現(xiàn)一維應(yīng)力的狀態(tài)。

3.4 養(yǎng)護方案

大體積混凝土保溫保濕養(yǎng)護工作是減小由于混凝土水化熱溫升引起內(nèi)外溫差的一項重要措施。養(yǎng)護工作的關(guān)鍵點是通過采取合理的措施，在適宜的溫度和濕度情況下，緩慢降低混凝土的降溫速度。保溫保濕工作不僅可以有效保證混凝土強度的增長，而且可以有效減小收縮，避免裂縫的產(chǎn)生。保溫保濕通常的做法是：在混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面覆蓋塑料薄膜或草袋。大體積混凝土的養(yǎng)護時間應(yīng)不少于15 d，且保溫層拆除應(yīng)分層逐步進行。

3.5 選用最佳滑動層

由最大溫度應(yīng)力計算公式可知：溫度應(yīng)力與外約束介質(zhì)的水平剛度成正比，外約束水平剛度越小，溫度應(yīng)力越小，即減少溫度應(yīng)力時應(yīng)合理設(shè)置滑動層。一般情況下軟質(zhì)粘土為0.01 N/mm3～0.03 N/mm3，一般砂質(zhì)粘土為0.03 N/mm3～0.06 N/mm3，特別堅硬粘土0.06 N/mm3～0.10 N/mm3，風化巖、低強度素混凝土為0.6 N/mm3～1.00 N/mm3。一般在地基上布置一層80 mm厚的卵石層，再在卵石層上鋪上一層砂墊層，讓大體積混凝土直接位于砂墊層上。

4 結(jié)語

本文根據(jù)某設(shè)備基礎(chǔ)的溫度應(yīng)力計算，分析該設(shè)備基礎(chǔ)的裂縫成因。根據(jù)計算得出：在未采取任何保溫措施的情況下，混凝土在內(nèi)部水化熱的作用下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過本身的抗拉強度引起的裂縫。該工程雖然規(guī)模較小，但已屬于大體積混凝土的施工范圍，因此應(yīng)加強對大體積混凝土的施工監(jiān)控，本文針對計算中涉及的因素，提出了合理的防治溫度裂縫的措施，可為以后大體積混凝土施工提供寶貴的經(jīng)驗。

[1] GB 50496-2009,大體積混凝土施工規(guī)范[S].

[2] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[3] 羅國強.混凝土與砌體結(jié)構(gòu)裂縫控制技術(shù)[M].北京：中國建材工業(yè)出版社,2006.

[4] 崔彩霞.談混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的防治措施[J].山西建筑，2013，39(33)：83-85.

The reasons and preventive measures of oneequipment foundation cracking on massive concrete

ZHU Yan

(Enterprise Planning Department, Datong Coal Mine Group Co., Ltd, Datong 037003, China)

Analysising the reasons of the cracking of the reinforced concrete foundation, taking one reinforced concrete equipment foundation as an example, using massive concrete temperature stress theory calculate, and according to the actual situation of the foundation, propose the suitable preventive measures of temperature cracking on massive concrete.

massive concrete， temperature stress， cracking， preventive measures

1009-6825(2014)36-0089-02

2014-10-11

朱 艷(1982- )，女，工程師

TU755

A