侯興華,李 健,程旭東,何 飛
(1.中國石油大學(華東),山東 青島 266580;2.萊西市建筑總公司,山東 青島 266600)
?
高層建筑筏板基礎大體積混凝土裂縫控制措施研究
侯興華1,李健1,程旭東1,何飛2
(1.中國石油大學(華東),山東 青島 266580;2.萊西市建筑總公司,山東 青島 266600)
大體積混凝土結構在當代社會被大量應用,防止出現(xiàn)混凝土裂縫是大體積混凝土施工中質量控制的重點。通過從結構設計、混凝土原材料的選擇、混凝土的配合比優(yōu)化、混凝土澆筑、混凝土的保溫和保濕養(yǎng)護及混凝土溫度監(jiān)控等方面進行分析與研究,總結了防治大體積混凝土筏板基礎裂縫的施工措施,具有實際可行性與可操作性。通過對某綜合實驗樓筏板基礎大體積混凝土裂縫控制的分析研究和對檢測結果的分析,可以看出選用適當?shù)幕炷猎牧希扇『侠淼氖┕すに?,以及運用合理的混凝土養(yǎng)護手段,可以實現(xiàn)澆筑后的大體積混凝土內部和表面的溫差不超過25℃,溫差控制比較理想,結構混凝土質量未出現(xiàn)任何結構裂縫和缺陷,避免了裂縫破壞混凝土的正常使用功能。
大體積混凝土;裂縫;施工
隨著城市建設規(guī)模的高速擴張,大型建筑物不斷涌現(xiàn),筏板基礎大量應用,建筑中包含大體積混凝土的工程項目越來越多。大體積混凝土施工過程中最重要的問題就是裂縫控制,裂縫產生后會對混凝土觀感、結構的強度、耐久性、構件承載力造成重大影響,危及建筑物的使用安全。從根本上對大體積混凝土進行分析,找出抑制裂縫生成的關鍵點,具有重大的現(xiàn)實意義[1]。
從微觀上來講,混凝土產生裂縫的根本原因是混凝土內部拉應力超過混凝土的抗拉強度,導致混凝土結構開裂??梢苑譃閮深?,一是由荷載或約束作用引起結構變形導致的結構性裂縫;二是由溫濕度變化和混凝土化學收縮等因素引起混凝土自身脹縮不均勻導致的裂縫,即非結構性裂縫。歸結起來,大體積混凝土溫度裂縫的主要成因有:荷載及約束因素、溫度因素、材料因素、施工工藝因素[2]。
1.1荷載、約束因素導致裂縫
大體積混凝土結構設計不合理,強度、剛度不足時,構件正常工作狀態(tài)與設計受力、變形狀態(tài)不相符,造成局部變形過大導致結構開裂。施工階段混凝土澆筑后施工荷載施加過早或者不按照要求堆放施工荷載會對混凝土結構產生擾動而造成結構裂縫。混凝土初期水化熱釋放,整體溫度逐步升高,體積膨脹,受到基礎墊層等約束面的限制,產生壓應力,壓應力隨地基的蠕變作用逐漸釋放。后期整體溫度回落,體積收縮,則會受到基礎墊層約束造成的拉應力。當接觸面混凝土抗拉強度不足以抵抗拉伸應力時,就會產生垂直于約束表面的裂縫[3]。另外,混凝土在長期荷載作用下,會產生徐變,若混凝土各批次物理化學性能存在差異,也會在徐變過程中導致不均勻變形而產生內部裂縫[4]。
1.2溫度因素導致裂縫
水泥石在凝結硬化過程中會釋放很大的熱量,普通42.5水泥3 d水化熱260 kJ/kg以上,7 d水化熱300 kJ/kg以上,混凝土的比熱容約為900 J/kg℃。在假定絕對保溫環(huán)境下,按照每立方米混凝土水泥用量430 kg計算,混凝土3、7 d自身溫升值分別為49.6、57.3℃[5-6]。大體積混凝土由于比表面積小,且基礎等部位與基地及側面土層接觸,熱量難以及時散發(fā),聚集在混凝土結構內部,會形成很大的溫升。當混凝土體內各方向單位距離溫差達到一定程度,溫度應力超過混凝土抗拉強度時,裂縫即產生,裂縫大小與溫度梯度大小密切相關[7]。
1.3材料因素導致裂縫
混凝土結構在凝結硬化過程中,隨著水泥水化作用的進行以及自然蒸發(fā)作用,內部水分逐漸變少,一般情況下會產生0.2‰左右的體積收縮。水泥品種、質量、安定性,骨料的含泥量、摻合料及外加劑、配合比、水灰比和單位體積水泥用量這些因素會從根本上影響混凝土的物理化學性質和收縮特性。不均勻收縮以及混凝土結構收縮造成的局部應力集中達到一定程度都會造成混凝土結構裂縫。材料問題導致的裂縫往往會在混凝土結構內廣泛分布,危害很大[8]。
1.4施工工藝
施工操作工藝控制不嚴,措施不力是裂縫產生的重要原因。混凝土拌和、運輸、澆筑、振搗、抹面、養(yǎng)護各個施工環(huán)節(jié)均對混凝土成型、密實程度以及后期凝結硬化收縮等過程產生重要影響。施工質量控制在混凝土結構形成的過程中時間跨度最長,最容易受到人為的因素影響,對施工管理的要求很高,施工措施不到位導致的混凝土質量問題比比皆是,造成的影響有大有小,也有許多導致嚴重的質量事故的案例,應當引起足夠重視。
總體而言,對大體積混凝土結構進行科學的構造設計,選用適合的原材料及摻合料、外加劑,并確保原材料質量達到標準要求,采用經(jīng)試驗驗證的混凝土配合比,嚴格控制施工工藝質量,做好溫度檢測和控制才能有效降低大體積混凝土裂縫的產生,保證結構質量。
某高層專家公寓樓項目,占地面積965 m2,建筑面積16 805 m2,地上25層,地下3層,建筑總高度75.40 m,長度35.6 m,寬度16.5 m。結構形式為框剪結構,抗震設防烈度為6度,基礎采用600 mm預制混凝土方樁,樁長8.5 m,樁基以上采用1 200 mm厚C45鋼筋混凝土平板式筏板(如圖1所示),抗?jié)B等級為P8,要求對混凝土裂縫進行嚴格控制。筏板基礎施工在春季,施工期間平均溫度為10℃,必須進行保溫保濕養(yǎng)護,避免產生溫度裂縫。在筏板基礎設計和施工過程中,通過優(yōu)化結構設計方案、合理選用混凝土原材料及配合比、嚴控施工措施,實施混凝土溫度監(jiān)測控制等方法,進行裂縫綜合控制,取得了良好的效果。
圖1 筏板基礎布置圖Fig.1 Raft foundation layout
3.1設計措施
3.1.1合理設置構造鋼筋
對大體積混凝土結構鋼筋設計進行優(yōu)化,在滿足結構安全的基礎上,盡量采用大量小直徑的鋼筋替代大直徑鋼筋,優(yōu)化鋼筋在大體積混凝土內的分布,使其規(guī)格一致、分布均勻,充分發(fā)揮鋼筋的約束力,形成對小單元混凝土體連續(xù)一致的構造約束,抵消或分散溫度應力,抑制混凝土結構的塑性變形,可以有效提高混凝土結構的極限抗拉強度。在靠近混凝土表面部位以及轉角部位設置鋼筋網(wǎng)片,抵抗混凝土體和環(huán)境的溫差造成的溫度應力,防止表面裂縫產生。在設計允許的情況下,用混凝土60 d強度標準值替代28 d強度標準值進行結構計算,以減少水泥用量[9]。
3.1.2合理設置后澆帶
為了減少混凝土收縮及不均勻沉降對結構的不利影響,筏板基礎每隔30~40 m設置700~1 000 mm寬的后澆帶。后澆帶將大體積混凝土分割成較小的塊體,斷面可以作為散熱通道,及時釋放混凝土結構內積累的熱量,還可以有效地消散混凝土的收縮變形、溫度變形的累積作用。
3.1.3設置膨脹混凝土帶
在大體積混凝土容易產生收縮應力集中的中間部位設置2~4 m寬的膨脹混凝土加強帶,采用膨脹率為2‰的高一標號膨脹混凝土,以減少混凝土整體收縮量,消除收縮變形造成的不利作用。膨脹混凝土加強帶及相鄰部位構造鋼筋應進行適當加密。
3.2材料措施
在滿足混凝土強度等級保證結構安全的前提下,通過合理選用混凝土原材料減少水泥水化熱的產生,延緩水化熱的釋放速度。采用中低熱硅酸鹽水泥或礦渣水泥,適當選用高標號水泥,使用減水劑、引氣劑等外加劑,降低水灰比和水泥用量。摻入粉煤灰代替部分水泥,在保證混凝土流動性和強度的基礎上進一步減少水泥用量。使用緩凝劑降低水泥水化速度,減緩水化熱釋放[10]。
3.2.1混凝土原材料甄選
水泥:選用低水化熱的42.5MPa普通硅酸鹽水泥,以降低水化熱和混凝土絕熱溫升,水泥28 d水化熱300 kJ/kg。嚴格進行水泥檢驗復試,確保其安定性及其他物理化學性能達到標準要求。
骨料:選用級配良好,粒徑為16~45 mm的粗骨料,嚴格控制針狀、片狀骨料,降低粗骨料比表面積,達到減少水泥用量,提高混凝土成品流動性的目的。選用級配良好,泥量及泥塊含量低的天然中粗河砂,減少混凝土收縮。
摻合料:采用I級粉煤灰替代部分水泥,進一步降低水泥用量,降低水化熱,通過配合比實驗選定最佳摻入量[11]。
外加劑:為了減緩水化熱的釋放,改善混凝土流動性同時減少水泥用量,摻入2%的高性能緩凝減水劑NOS-AS(標準型)[12],同時將養(yǎng)護時間延長到28 d。
3.2.2混凝土配合比
該工程所用混凝土為商品混凝土,混凝土強度等級為C45,抗?jié)B等級P8,塌落度160~180 mm。采用42.5 MPa低熱普通硅酸鹽水泥,粗骨料粒徑16~45 mm,含水率1.3%,細骨料為中粗河砂,含水率3.4%。為改善混凝土和易性,降低混凝土水化熱,添加一定數(shù)量的粉煤灰和緩凝減水外加劑,經(jīng)試驗后確定混凝土配合比見表1。
表1 混凝土配合比選用表
施工前與混凝土生產廠家做好協(xié)調溝通,嚴格控制原材料質量,精確測量每個批次原材料的含水率,根據(jù)原材料性能適時調整配合比,保證混凝土性能。
3.3施工措施
3.3.1混凝土澆筑
首先要協(xié)調好混凝土供應商,保證持續(xù)穩(wěn)定的混凝土供應。做好到場混凝土質量檢測,按照要求對混凝土塌落度進行測量,要求塌落度介于100~140 mm之間。因為采用混凝土60 d強度替代28 d強度標準值進行設計,故要留置足夠數(shù)量的同條件養(yǎng)護試塊,以便準確掌握混凝土強度發(fā)展情況,該工程要求每批次混凝土留置同條件養(yǎng)護試塊15組。通過控制原材料溫度,嚴格保證澆筑初始溫度不大于13℃。根據(jù)主體工程后澆帶設置情況,將筏板基礎分為3個施工段,采取分段分層澆筑方式,混凝土每層澆筑厚度不超過500 mm,嚴格控制上下層澆筑間隔時間。合理設置混凝土布料方案,對于混凝土灑落高度過大的施工死角,要使用溜槽等工具進行澆筑,防止混凝土離析[13]。澆筑前清除基層污物雜物,去除松動砂漿和骨料,并充分潤濕無積水。
3.3.2混凝土振搗
體積混凝土分層澆筑后,需要分兩次進行振搗。采用慢拔快插的方式進行首次振搗,自下而上的排除混凝土內部空氣,直至混凝土不再冒泡和下沉為止。首次振搗完成30 min后再次對混凝土進行振搗,排除多余水分,封閉毛細孔,提高鋼筋與的混凝土之間的粘接力?;炷脸跄安扇 跋绕胶竽朐偈展獾墓に嚒蓖瑫r對混凝土表面再次進行抹面收光,減少表面裂縫。
3.3.3混凝土養(yǎng)護
在混凝土澆筑完成后6~8 h開始進行養(yǎng)護,養(yǎng)護的關鍵是保持濕潤和控制溫度,根據(jù)溫度計算和溫度監(jiān)控情況采取保溫隔熱措施,使混凝土內部熱量可控的緩慢釋放,保證混凝土中心與表面溫差以及混凝土表面與環(huán)境溫差不會過大而產生裂縫。
本工程采取了“薄膜+毛氈+薄膜+草袋”的方式對筏板基礎混凝土進行養(yǎng)護,底層薄膜使混凝土水分不易散失,保證了混凝土強度發(fā)展期間的濕度要求。毛氈層夾在上下兩層薄膜之間,保持較為干燥的狀態(tài),起到良好的保溫隔熱作用,可以有效控制混凝土結構的熱量散失速度,保證混凝土內部和表面溫差不超過25℃,每天降溫不大于2℃。表層草袋起輔助隔熱和溫度調節(jié)作用,根據(jù)實時溫度監(jiān)控情況,保持草袋干燥或適當澆水,以控制草袋溫度和傳熱系數(shù),對混凝土表面溫度起到調節(jié)作用。
根據(jù)原材料物理化學性質,對混凝土出機溫度、絕熱溫升值、各齡期的內部中心溫度情況進行計算。
(1)混凝土出機溫度T0[14]
式中:Ws、Wg、Wc、Ww分別為每立方米混凝土中砂、石、水泥、水的用量,kg/m3,各為796、1060、280、125 kg/m3;Ts、Tg、Tc、Tw分別為砂、石、水泥和水的溫度,℃,各為11、10、20、15℃;Ps、Pg分別為砂、石的含水量,%,各為3.4%、1.3%;C1為水的比熱容,kJ/kg·K,C2為溶解熱,kJ/kg,當骨料溫度>0℃時,C1=4.2,C2=0。計算得到混凝土的出機溫度為12.09℃,施工現(xiàn)場實測混凝土溫度為13.20℃,兩者較為接近?,F(xiàn)場澆筑混凝土溫度與環(huán)境溫度相差不大,整體溫度較低,不必對原材料特別進行降溫處理。
(2)混凝土水化熱最終絕熱溫升值Tmax[15]
式中:Tmax為混凝土的絕熱溫升值,℃;mc為單位體積混凝土水泥用量,為280 kg/m3;Q為每公斤水泥水化熱量,為300 kJ/kg;ρ為混凝土的質量密度,取2400 kg/m3;C為混凝土的比熱,取0.96(kJ/kg·K)。計算得到水化熱最終絕熱溫升為36.46℃。
(3)混凝土澆筑后各齡期的核心溫度
混凝土各齡期的核心溫度計算結果見表2[16]。
表2 各齡期內部中心溫度計算結果
為了準確掌握混凝土實際溫度,及時調整養(yǎng)護措施,除了進行溫度理論模擬計算以外,還對特征部位進行了溫度變化監(jiān)測[16]。測溫點沿基礎長邊方向布置,每隔8 m布置一組,共布置5組(如圖2所示)。每組設3個測溫孔(如圖3所示),采用底端封閉的φ16薄鐵管預埋入混凝土中,埋置深度分別在距離筏板頂面200 mm處(A點)、筏板中心處(B點)、距離筏板底面200 mm處(C點),測溫頭放置在測溫管底部,將測溫頭上部的測溫管進行隔熱封堵。每個測溫頭通過信號線連接主機,進行24 h溫度數(shù)據(jù)采樣統(tǒng)計[17]。
圖2 測溫點平面布置圖Fig.2 The floor-plan of temperature measurement points
圖3 測溫點構造圖Fig.3 Structure of temperature measurement points
通過對各組測溫點溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測采樣分析,得到筏板基礎混凝土A、B、C部位溫度變化曲線,如圖4所示。
圖4 混凝土溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curves of concrete
該筏板基礎大體積混凝土溫度較易控制,中心溫度小于40℃,通過覆蓋“薄膜+毛氈+薄膜+草袋”的保溫保濕養(yǎng)護方式,即可保證混凝土表里溫差小于25℃且混凝土表面和空氣溫度差小于20℃。氣溫較高時,可采取措施進一步降低原材料溫度,以降低混凝土體初始溫度?;炷恋乃療岢跗卺尫泡^快,4 d后緩慢下降,隨著水化熱釋放速度放緩,熱量逐漸釋放,溫度趨于平衡,從第六天開始逐步降溫。施工中加強了覆蓋保溫,保溫養(yǎng)護時間20 d。
該工程筏板基礎澆筑養(yǎng)護28 d后,通過鉆孔透射法對裂縫情況進行了超聲波檢測。檢測結果顯示,大體積混凝土內部未出現(xiàn)較大裂縫,個別位置混凝土存在少數(shù)淺層收縮裂縫,為混凝土養(yǎng)護期間保溫保濕控制不嚴所致。經(jīng)設計單位認可,采取表層抹灰并涂刷涂料的方法進行處理,以保證結構的耐久性,并改善觀感質量。混凝土裂縫控制總體上達到預期效果,后期使用過程中也未發(fā)現(xiàn)滲漏等情況。
民用建筑中大體積混凝土一般應用在建筑物基礎結構中,對建筑物的結構安全、適用、耐久性起到非常重要的作用,通過科學的方法分析結構特點,從配筋和構造設計、材料選用、施工方案、檢測以及維修處理等各個環(huán)節(jié)對大體積混凝土裂縫進行有計劃的綜合控制,可以有效地預防裂縫的產生,減少或消除裂縫對結構的影響。
[1]李珠,蘇有文.土木工程施工[M].武漢:武漢理工大學出版社,2007.
[2]王貴明.混凝土裂縫的成因及其預防措施[J].建材技術與應用,2004(3):61-62.
[3]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.
[4]Ariyawardena N,Ghali A,Elbadry M.Experimental study on thermal cracking in reinforced concrete members[J].ACI Structural Journal,1997(7-8):432-441.
[5]Dudek S J M,Armstrong S,Stamatiou G.Thermal performance of insulated concrete blocks[J].Building Research and Information,1993,21(1):36-41.
[6]Bazant Z P,Prasanan S.Solidification theory for concrete creep[J].Formulation Journal of Engineering Mechanics,1989,115(8):1691-1703.
[7]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制研究[M].北京:中國電力出版社,1999.
[8]何雋,趙林,孫曉東,等.超長地下混凝土結構無縫設計及施工[J].施工技術,2012,41(24):87-89.
[9]楊國立.高層建筑施工[M].北京:化學工業(yè)出版社,2010.
[10]中華人民共和國建設部.GB50496-2009 大體積混凝土規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2009.
[11]Haque M N.Properties of high-strength concrete using a fine fly ash[J].Cement and Concrete Research,1998,28:1445-1452.
[12]Brooks J J.Influence of mix proportions,plasticizers and super plasticizers on creep and drying shrinkage of concrete[J].Magazine of Concrete Research,1989,41(148):145-153.
[13]王萬森,倪偉成.大體積混凝土施工方案[J].陜西建筑,2009(4):39-41.
[14]葛雪華,厲兆波.厚大體積混凝土溫度裂縫分析與控制措施[J].技術研發(fā),2010,17(3):8.
[15]劉衛(wèi).大體積承臺混凝土溫度裂縫控制措施及效果分析[J].中國市政工程,2008(4):36-38.
[16]Kim J K,Han S H,Song Y C.Effect of temperature and aging on the mechanical of concrete Part I:Experimental results[J].Cement and Concrete Research,2002,32:1087-1094.
[17]Daoud M,Galanis N,Ballivy G..Calculation of the periodic temperature field in a concrete dam[J].Can.J.Civi.Eng.,1997,24(5):772-784.
Study of the Mass Concrete Rack Control and Prevention Measuresof a High-Rise Building Raft Foundation
Hou Xinghua1,Li Jian1,Cheng Xudong1,He Fei2
(1.China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong Province;2.General Construction Company of Laixi ,Qingdao 266600,Shandong Province)
Mass concrete structure is widely used in modern society,and the technology of preventing concrete cracks in the concrete construction is the focus of quality control.Analysis and studies are made on various aspects,such as structural design,selection of concrete raw material,optimization of concrete mixing proportion,monitoring on concrete construction technique,thermal retardation and moisture protection curing of concrete,as well as concrete temperature,etc.Construction measures are summarized for prevention and treatment of cracks on massive concrete platform bottom plate,and these measures have certain feasibility and operability.According to the study of the mass concrete rack control and prevention measures of a complex experiment and the analysis of the testing data,it is shown that the selection of reasonable concrete raw materials,taking reasonable construction technique and the right maintenance of concrete can help the temperature less than 25℃ in the internal and surface of large volume concrete structure after pouring.This is ideal in the temperature control,and the concrete structures do not present any structural cracks and defects,which ensures the normal use of the concrete structure.
mass concrete;crack;construction
2016-03-21
山東省自然科學基金(ZR2012EEL23)
侯興華,碩士,工程師。研究方向:建筑施工技術。E-mail:253139786@qq.com
侯興華,李健,程旭東,等.高層建筑筏板基礎大體積混凝土裂縫控制措施研究[J].森林工程,2016,32(5):101-105.
TU 755
A
1001-005X(2016)05-0101-05