大體積混凝土底板的裂縫控制研究

曾 亮

(重慶四方新材股份有限公司， 重慶 400010)

大體積混凝土底板的裂縫控制研究

曾 亮

(重慶四方新材股份有限公司， 重慶 400010)

本文首先分析了當(dāng)前大體積混凝土結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)有的控制措施及其存在的不足之后，然后根據(jù)實際工程需要，綜合利用滑動層減阻效應(yīng)、鈣鎂復(fù)合膨脹劑聯(lián)合補償效應(yīng)、以及分階段全過程的養(yǎng)護方式，探討了一種超長、超大體積混凝土底板的裂縫控制方法，為同行在相近的實際工程裂縫控制時提供參考。

大體積混凝土；超長結(jié)構(gòu)；裂縫控制

0 前言

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，建筑工程向超大化和多功能化發(fā)展，一些超大體積建構(gòu)筑物不斷出現(xiàn)，大體積混凝土在工程中的應(yīng)用越來越多，超長、超大體積的混凝土底板基礎(chǔ)日益增多[1]。超長、超大（即長度超過 60mm，面積超過3600m2）的基礎(chǔ)底板作為一種大體積混凝土，具有體積大、工程條件復(fù)雜等特點，受溫度應(yīng)力與收縮應(yīng)力的疊加作用容易產(chǎn)生開裂。由于底板基礎(chǔ)超長、超厚，又因基礎(chǔ)地質(zhì)受力情況不同，混凝土裂縫控制技術(shù)難度增大，底板混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題是一個相當(dāng)普遍的質(zhì)量問題。如何抑制大體積底板混凝土開裂風(fēng)險，是目前廣大工程技術(shù)人員努力探討的課題。

1 大體積混凝土的結(jié)構(gòu)特征

大體積混凝土的幾何形體、內(nèi)部受力和約束不同于普通混凝土，因此大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有不同于一般混凝土結(jié)構(gòu)的特點[2]：一、混凝土是抗拉強度較小的脆性材料，其抗拉強度僅為抗壓強度的1/8-1/18，混凝土拉伸變形能力也很小，短期加載時的極限拉伸變形只有(0.6-1.0)×10-4，約相當(dāng)于混凝土溫度降低6-10℃的變形，長期加載時的拉伸變形也只有(1.2-2.0)×10-4；二、大體積混凝土澆筑初期，其彈性模量較小、徐變較大，混凝土內(nèi)部水化溫升導(dǎo)致形成的壓應(yīng)力并不大，但在日后混凝土達到最高溫度并開始降溫時，混凝土彈性模量較大、徐變較小，在一定的約束條件下回產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；三、大體積混凝土通常是全部或大部分暴露在外，直接與空氣接觸，混凝土表面水分的蒸發(fā)和周圍環(huán)境溫度隨季節(jié)的變化均會引起大體積混凝土產(chǎn)生較大溫度收縮應(yīng)力和失水收縮應(yīng)力。在降溫過程中同時伴隨混凝土體積收縮，當(dāng)混凝土受到基礎(chǔ)約束時，在其內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，冷卻到穩(wěn)定的溫度時，溫度應(yīng)力達最大值。如果混凝土表面發(fā)生溫降，同時再伴隨著混凝土的干燥收縮，自干燥收縮均可在混凝土外部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，如果此時在混凝土內(nèi)部也有較大的收縮拉應(yīng)力，就可能引起貫穿性裂縫。

2 大體積混凝土的裂縫控制方法及存在問題

目前大體積混凝土工程中，為了抑制混凝土開裂，采取的主要措施有[3]：一、在大體積混凝土內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管的方式，通過循環(huán)冷卻水的流動帶走結(jié)構(gòu)核心部位的集中熱量，以降低結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差，實現(xiàn)對溫度應(yīng)力的控制；二、利用相變儲能材料能夠在相變過程中吸收大量的熱量，并保持溫度相對穩(wěn)定的特點，提出了制備相變控溫儲能機敏混凝土來控制大體積混凝土溫度裂縫的技術(shù)途徑；三、利用張拉鋼筋預(yù)先導(dǎo)入一部分預(yù)應(yīng)力，以便抵抗收縮過程產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。

然而，目前的大體積混凝土施工依然存在這樣或那樣的問題，因為沒有準(zhǔn)確地與材料本身的特性相結(jié)合，往往并不能代表真實的施工情況；由于目前各單位施工隊伍質(zhì)量的參差不齊，對于冷卻水通水降溫的時機及水溫的掌控時常達不到控制要求，經(jīng)常發(fā)生局部降溫過快而引發(fā)開裂的狀況產(chǎn)生；對于相變蓄熱大體積混凝土材料的研究目前還處于起步階段，實際應(yīng)用過程中還存在材料造價高、制備工藝復(fù)雜以及施工不易控制的特點，尚無法大規(guī)模進行工程應(yīng)用；預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工過程復(fù)雜，張拉設(shè)備要求高，好多工地現(xiàn)場難以實現(xiàn)，且張拉預(yù)應(yīng)力不可根據(jù)實際工程混凝土的收縮歷程進行有效調(diào)控，導(dǎo)致其抗裂效果較弱。

3 工程概況

某地下空間開發(fā)工程為地下兩層結(jié)構(gòu)，負(fù)二層底板直接與地基基礎(chǔ)相連，主要采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積 18683m2，其中地下二層建筑面積 9296m2（含人防），地下一層建筑面積9177 m2?；A(chǔ)底板長183m，寬51m，厚1.5m，屬超長超大體積混凝土結(jié)構(gòu)?；炷翉姸鹊燃墳镃35，抗?jié)B等級為P8。由于工期緊張，且受大截面、大體量、超長結(jié)構(gòu)形式及施工工藝等因素影響，構(gòu)筑物容易在施工階段就出現(xiàn)因溫度、收縮以及約束等原因而產(chǎn)生的危害性裂縫。鑒于現(xiàn)階段我國建設(shè)工程的特點，眾多施工單位的設(shè)備裝備水平以及施工人員的技術(shù)水平有限，復(fù)雜施工工藝的并不適合在此工程中使用，若要在確保施工工期的條件下提升此大體積混凝土底板的抗裂性，確為一項很具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

4 裂縫控制技術(shù)措施

現(xiàn)澆大體積混凝土底板的開裂，有些是由單一因素引起的，如環(huán)境溫度、濕度變化等，但更多的是由多種因素的綜合作用形成。諸如，結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：滑動層設(shè)計不合理，滑動能力弱、基礎(chǔ)約束大，導(dǎo)致底板混凝土約束開裂風(fēng)險增大；原材料及配合比方面：混凝土配合比不合理，水化溫升高、內(nèi)外溫差大、收縮變形顯著，導(dǎo)致混凝土收縮開裂風(fēng)險加劇；施工過程方面：澆筑時混凝土的工作性能、養(yǎng)護方案不合理等，導(dǎo)致底板混凝土表層開裂風(fēng)險增大。針對本工程的復(fù)雜性和工期緊迫性，我們從結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，科學(xué)利用滑動層減緩大體積混凝土與基礎(chǔ)的約束應(yīng)力，利用膨脹歷程可調(diào)控的鈣鎂復(fù)合膨脹劑分階段全過程補償大體積混凝土的失水收縮和溫降收縮，利用減蒸劑與養(yǎng)護劑相結(jié)合的養(yǎng)護方式，使保濕養(yǎng)護與保溫養(yǎng)護有機統(tǒng)一，既能減緩失水收縮應(yīng)力和溫降收縮應(yīng)力集中現(xiàn)象，又能促進鈣鎂復(fù)合膨脹劑的水化進程，在確保施工工期的同時，提高混凝土抗裂性。

4.1 鋪設(shè)滑動層減緩基礎(chǔ)約束應(yīng)力

先將開挖后的基礎(chǔ)土方平整后，澆筑一層厚度為40mm、強度等級為C15的素混凝土作為基礎(chǔ)墊層。待基礎(chǔ)墊層硬化后，將墊層表面清掃干凈，并在基礎(chǔ)墊層上先鋪設(shè)一層厚度為0.25mm的聚乙烯塑料薄膜，然后將粉煤灰、滑石粉和水按質(zhì)量比3:7:3在工廠集中拌和均勻，用泵車送至施工現(xiàn)場后直接噴涂在塑料薄膜上，噴涂厚度為 10mm左右，在保證滑動層厚度的同時確保粉煤灰滑石粉漿體噴涂的均勻性。在噴涂好的粉煤灰滑石粉漿體上及時覆蓋一層厚度為0.25mm的聚乙烯塑料薄膜，聚乙烯塑料薄膜鋪設(shè)要平整，薄膜接縫處要使用熱熔焊接，確保鋪設(shè)的聚乙烯塑料薄膜是一完整體。由此在基礎(chǔ)墊層上表面形成一層滑動層。通過引入粉煤灰與滑石粉的優(yōu)化組合，利用粉煤灰和滑石粉的球形顆粒的滾珠潤滑效應(yīng)，提高了滑動層的滑動效果，解決了現(xiàn)有滑動層材料選材控制要求高、顆粒多棱角、滑動效果弱的難題，通過將滑動層細粉料粉煤灰和滑石粉與一部分水混合預(yù)先混合均勻在鋪設(shè)施工的方式，解決了現(xiàn)有滑動層技術(shù)中干拌混合料難以鋪設(shè)均勻的難題，并進一步提高潤滑效果，從而進一步提升滑動層滑動效果。此滑動層的應(yīng)用大大減緩了底板混凝土與基礎(chǔ)之間的約束應(yīng)力，提高了底板混凝土抗裂性。

4.2 摻用鈣鎂復(fù)合膨脹劑補償溫降收縮和自收縮

采用優(yōu)質(zhì)的混凝土膨脹劑并保證摻量，能夠產(chǎn)生足夠的有效膨脹，可以部分補償混凝土降溫階段的溫度收縮以及膠凝材料水化過程中的自收縮。膨脹劑通過與水反應(yīng)水化產(chǎn)生有效膨脹，但對于本工程而言，混凝土強度等級較高，用水量較低，混凝土結(jié)構(gòu)致密，外界水分很難滲透進入混凝土內(nèi)部，勢必造成內(nèi)部相對濕度較低，無法為傳統(tǒng)的需水量較高的硫鋁酸鹽類膨脹劑水化提供足夠的水分。因此，對于本工程的大體積混凝土底板結(jié)構(gòu)，我們采用水化需水量小的氧化鈣類膨脹劑和氧化鎂類膨脹劑。根據(jù)氧化鈣類膨脹劑具有早期膨脹大、膨脹速率快的特點，而氧化鎂類膨脹劑早期膨脹小、膨脹速率慢，具有中后期持續(xù)膨脹特性的特點，通過一定比例的氧化鈣膨脹劑與氧化鎂膨脹劑優(yōu)化復(fù)合組成膨脹發(fā)展歷程可調(diào)控的復(fù)合膨脹劑，使其膨脹發(fā)展速率與混凝土收縮過程相匹配，一方面膨脹劑水化產(chǎn)生的體積膨脹填充到混凝土各種級別的孔隙中，起到補償大面板混凝土收縮的目的，另一方面使膨脹劑水化產(chǎn)生的膨脹在填充混凝土孔隙之余，通過膨脹產(chǎn)生的化學(xué)預(yù)應(yīng)力張拉鋼筋，提高混凝土自身抗裂性能。

4.3 分階段全過程養(yǎng)護確保施工質(zhì)量

按照混凝土的水化過程將養(yǎng)護劃分為塑性階段的減蒸養(yǎng)護和硬化階段的保濕保溫硬化，通過養(yǎng)護階段的劃分，更有針對性和科學(xué)性地養(yǎng)護抗裂混凝土，通過精心養(yǎng)護，降低底板混凝土表面水分蒸發(fā)速率和溫降速率，使底板混凝土由于失水過快導(dǎo)致的干燥收縮應(yīng)力集中和由于溫度下降過快導(dǎo)致的溫降收縮應(yīng)力集中的現(xiàn)象得到有效緩解，為混凝土自身抗拉強度的發(fā)展提供時間，并有利于抗裂混凝土的水化發(fā)展，顯著提升了底板混凝土的抗拉性。具體而言，在混凝土澆筑后立即噴灑水份蒸發(fā)抑制劑，混凝土表面收干后開始一次抹面施工，一次抹面后再次噴灑水份蒸發(fā)抑制劑以減少混凝土表層水份蒸發(fā)，降低塑性開裂風(fēng)險，終凝前2h進行二次抹面拋光處理；混凝土終凝硬化后立即噴灑養(yǎng)護劑，防止混凝土表層干燥失水而產(chǎn)生干燥收縮裂縫，每次噴灑養(yǎng)護劑的量為250g/m2抗裂混凝土，先后噴灑三次；待養(yǎng)護劑噴灑完畢后，在混凝土表層覆蓋一層10cm厚的聚苯板進行保溫養(yǎng)護，養(yǎng)護期為14天，減緩混凝土散熱速率，防止混凝土溫降幅度過大而產(chǎn)生溫度收縮裂縫。通過在混凝土硬化前的塑性階段噴灑水分蒸發(fā)抑制劑，使混凝土在凝結(jié)硬化前的塑性狀態(tài)下形成單分子膜的保護層，有效減少混凝土表面水分的蒸發(fā)速率，降低混凝土塑性開裂的風(fēng)險；當(dāng)混凝土硬化后再利用噴灑養(yǎng)護劑+覆蓋聚苯板保溫的方法，一方面進一步降低混凝土在硬化階段的水分蒸發(fā)損失，并為混凝土的水化提供自由水，另一方面通過聚苯板保溫養(yǎng)護，有效減少了大面板混凝土從溫升最高點向環(huán)境同化過程中的溫降幅度，減少了由于溫降速度過快導(dǎo)致的溫度應(yīng)力收縮開裂。由此可知，分階段全過程的養(yǎng)護方式有效調(diào)控了底板混凝土表面水分蒸發(fā)速率和溫降速率，并通過保濕保溫的養(yǎng)護過程有效促進混凝土的水化，有利于混凝土抗裂性的整體提升。

5 應(yīng)用效果

本工程用超長、超大體積混凝土底板于2014年5月15日澆筑完畢，于2014年6月10日養(yǎng)護結(jié)束后拆除保溫板，未發(fā)現(xiàn)任何肉眼可見裂縫。目前經(jīng)過三年多的使用運行，也沒有發(fā)現(xiàn)任何滲漏性裂縫。

6 結(jié)語

隨著國內(nèi)大型重點工程的高速發(fā)展，大體積混凝土結(jié)構(gòu)因為裂縫控制不力，在施工過程中產(chǎn)生的一系列問題逐漸引起大家重視。如何抑制大體積底板混凝土開裂風(fēng)險，是目前廣大工程技術(shù)人員努力的方向。本文在分析當(dāng)前大體積混凝土結(jié)構(gòu)特點和現(xiàn)有的控制措施及其存在的不足之后，根據(jù)實際工程需要，利用特定組成的滑動層減緩大體積混凝土與基礎(chǔ)的約束應(yīng)力，利用膨脹歷程分階段全過程調(diào)控補償大體積混凝土的失水收縮和溫降收縮，利用減蒸劑與養(yǎng)護劑相結(jié)合的養(yǎng)護方式，使保濕養(yǎng)護與保溫養(yǎng)護有機統(tǒng)一，既能減緩失水收縮應(yīng)力和溫降收縮應(yīng)力集中現(xiàn)象，又能促進抗裂混凝土的水化進程，在確保施工工期的同時，提高混凝土抗裂性。

[1] 王晗. 筏板基礎(chǔ)大體積混凝土施工裂縫控制研究[D]. 大連：大連理工大學(xué),2013.

[2] 龔劍，李宏偉. 大體積混凝土施工中的裂縫控制[J]. 施工技術(shù),2012,41(361):28～32.

[3] 侯雁南. 大體積混凝土裂縫控制及處理措施研究D]. 濟南：山東大學(xué), 2007.

TU528

A

1007-6344（2017）10-0297-02