探析房屋建筑工程大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)

顧思陽(yáng)

（圣地亞哥州立大學(xué) 加利福尼亞州圣地亞哥 92182）

在城市化進(jìn)程的推動(dòng)下，建筑工程已經(jīng)逐漸朝著高層化和超高層方向房展，因此在對(duì)房屋建筑工程相關(guān)問(wèn)題探討中，也以高層建筑為例。眾所周知，在高層建筑結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)承臺(tái)是其重點(diǎn)部位，同時(shí)也是建筑施工難點(diǎn)，施工技術(shù)涉及廣泛，涉及到材料學(xué)、建筑力學(xué)、管理學(xué)和土力學(xué)等多種學(xué)科，具有一定的復(fù)雜性和系統(tǒng)性。而高層建筑基礎(chǔ)承臺(tái)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，施工重點(diǎn)在于對(duì)大體積混凝土的澆筑、科學(xué)配比、溫控與養(yǎng)護(hù)等，為了確保大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工順利進(jìn)行，在具體施工中應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，建立科學(xué)的理論體系，解決以上問(wèn)題[1]。根據(jù)以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大體積混凝土建筑質(zhì)量對(duì)于整體房屋建筑工程質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，在建筑施工設(shè)計(jì)中關(guān)鍵在于如何進(jìn)行嚴(yán)格的成本控制與施工組織。雖然當(dāng)前有中介機(jī)構(gòu)為建筑企業(yè)提供關(guān)于建筑大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工的技術(shù)咨詢服務(wù)，但其服務(wù)內(nèi)容不全面，建筑結(jié)構(gòu)施工仍有施工單位自行完成，混凝土結(jié)構(gòu)常常出現(xiàn)裂縫等問(wèn)題，尤其是在冬期施工中，因氣溫低，混凝土的表層與內(nèi)部溫差大，容易產(chǎn)生溫度裂縫，從而對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量帶來(lái)影響，進(jìn)而影響到房屋建筑整體質(zhì)量。

1 大體積混凝土定義與特點(diǎn)

1.1 大體積混凝土結(jié)構(gòu)定義

在房屋建筑結(jié)構(gòu)施工中主要采用鋼筋混凝土與混凝土作為其材料，隨著高層建筑規(guī)模的擴(kuò)大，在高層房屋建筑或超高層建筑中都普遍采用大體積混凝土結(jié)構(gòu)。但目前業(yè)界對(duì)于大體積混凝土定義并無(wú)統(tǒng)一規(guī)定，美國(guó)ACI認(rèn)為，大體積混凝土澆筑中需要采取一定的控制措施，來(lái)解決因水化熱導(dǎo)致體積變形問(wèn)題，減少混凝土開(kāi)裂。而日本JASSS則認(rèn)為，大體積混凝土結(jié)構(gòu)最小斷面尺寸應(yīng)超過(guò)80cm，因水化熱導(dǎo)致混凝土內(nèi)部與表層溫度差超過(guò)25℃[2～3]。在符合上述條件者則為大體積混凝土。

1.2 大體積混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）混凝土材質(zhì)自身性質(zhì)為脆性，從而決定其抗拉強(qiáng)度與拉伸變形能力小，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中自身的斷面大，水泥用量多，在混凝土澆筑完成后，水泥熟化會(huì)釋放大量水化熱，但在大體積混凝土內(nèi)部散熱條件有限，使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度快速升高，從而在混凝土內(nèi)部蓄積大量熱量，使混凝土內(nèi)部溫度與表層溫度超過(guò)25℃，這時(shí)混凝土體積會(huì)產(chǎn)生變化，即產(chǎn)生溫度變形。另外混凝土的彈性模量小，徐變大，隨著混凝土溫度變形，升溫產(chǎn)生壓應(yīng)力較小，但混凝土溫度在降低的過(guò)程中，其彈性模量會(huì)隨之增加，徐變小，在一定條件下混凝土不能產(chǎn)生自由伸縮，從而導(dǎo)致混凝土拉應(yīng)力增加，在大體積混凝土底部會(huì)產(chǎn)生收縮，產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度的情況下，使混凝土產(chǎn)生開(kāi)裂，抗拉強(qiáng)度降低，出現(xiàn)混凝土滲漏。

（2）在高層房屋建筑基礎(chǔ)工程施工中廣泛應(yīng)用大體積混凝土，對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求較高，在建筑基坑內(nèi)采用大體積混凝土結(jié)構(gòu)，由于混凝土內(nèi)部散熱慢，內(nèi)部基礎(chǔ)復(fù)雜，鋼筋直徑大，配筋量多，混凝土和變形模量相差大，在混凝土收縮時(shí)容易使鋼筋表面出現(xiàn)輻射性裂縫。

（3）混凝土材料主要是由骨料、水泥石和水分等所組成，因其自身組成成分特性，混凝土是一種非均質(zhì)材料，當(dāng)外部溫度與濕度等條件的變化下，混凝土發(fā)生硬化，使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻體積變形問(wèn)題，這種情況通常是由于水泥石收縮大，骨料收縮小，或者是水泥石熱膨脹系數(shù)大，骨料熱膨脹系數(shù)小等原因所造成，在體積變形過(guò)程中混凝土各個(gè)組成成分之間會(huì)產(chǎn)生約束應(yīng)力，從而造成水泥石產(chǎn)生微裂現(xiàn)象[4]。

（4）在大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面尺寸和自身受力大小會(huì)存在一定差異，從而使構(gòu)件配筋量與剛度產(chǎn)生差異，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力差異產(chǎn)生，在各個(gè)構(gòu)件差異處導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷裂。

（5）在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生水化熱，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，在長(zhǎng)期內(nèi)會(huì)直接作用于混凝土結(jié)構(gòu)，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)荷載產(chǎn)生應(yīng)力，從而增加了混凝土拉應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力裂縫[5]。

2 房屋建筑大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題

在建筑工程施工中普遍存在混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題，這也是當(dāng)前建筑施工中急需解決的問(wèn)題，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中目前大多是根據(jù)混凝土密度大小及裂縫寬度來(lái)決定工程使用標(biāo)準(zhǔn)。由于混凝土的組成成分較多，是一種連續(xù)均勻的彈性體，具有較高的抗壓強(qiáng)度和良好的耐火性能等，但混凝土的抗拉強(qiáng)度低，在受拉時(shí)混凝土容易產(chǎn)生變形，進(jìn)而出現(xiàn)裂縫。因此在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)重視混凝土裂縫問(wèn)題。而混凝土裂縫問(wèn)題產(chǎn)生原因較多，是由多方面因素影響下所產(chǎn)生的，以下就對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

2.1 水泥水化熱影響

根據(jù)以往的工程實(shí)踐研究與分析發(fā)現(xiàn)，在水泥水化釋放中會(huì)產(chǎn)生較大的水化熱熱量，且混凝土內(nèi)部在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法散失這種熱量，導(dǎo)致熱量集聚，使混凝土溫度應(yīng)力與澆筑的溫度產(chǎn)生較大改變，從而產(chǎn)生裂縫。據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在水泥水化中產(chǎn)生水化熱值在200～400kJ/kg之間，所產(chǎn)生熱量會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度快速達(dá)到30～40℃，如在混凝土澆筑中其自身產(chǎn)生熱量，則在大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度高達(dá)70～80℃左右。由于普通混凝土的導(dǎo)熱能力一般，在其含水量飽和狀態(tài)下，導(dǎo)熱系數(shù)為5～6kJ/m·h·℃，其熱擴(kuò)散率在 0.01～0.005m2/h 左右[6～7]。隨著混凝土尺寸與厚度增加，在混凝土內(nèi)部所集聚熱量散失時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)，如果混凝構(gòu)件尺寸厚度為2m，則混凝土中心部位達(dá)到絕熱狀態(tài)，混凝土內(nèi)部溫度在75℃左右，在受熱情況下導(dǎo)致混凝土體積產(chǎn)生熱膨脹，在混凝土降溫過(guò)程中混凝土體積會(huì)產(chǎn)生收縮，在受到地基或其他結(jié)構(gòu)因素影響下，混凝土體積收縮受到限制，使混凝土內(nèi)部所產(chǎn)生的溫度收縮應(yīng)力較大，混凝土抗拉強(qiáng)度就會(huì)相應(yīng)降低，對(duì)混凝土解耦股耐久性及抗?jié)B性等產(chǎn)生嚴(yán)重影響[8]。同時(shí)，混凝土表面溫度低，散熱快，混凝土內(nèi)部溫度高，散熱慢，在混凝土表面與內(nèi)部之間溫差大，收縮值大，使混凝土表面容易產(chǎn)生裂縫。

2.2 外界氣溫影響

在房屋建筑施工中大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫還受到施工環(huán)境的影響，在施工中由于外界氣溫條件發(fā)生變化，從而影響到混凝土水化熱，如果外界溫度較高，在混凝土澆筑時(shí)溫度也較高，混凝土絕熱溫升提高；如外界溫度較低，尤其是在溫度突然降低的情況下，混凝土表面溫度會(huì)快速下降，但由于混凝土自身不良導(dǎo)體特性，混凝土內(nèi)部溫度仍然較高，在混凝土表面會(huì)出現(xiàn)溫度梯度，對(duì)混凝土急劇收縮產(chǎn)生嚴(yán)重的限制，使混凝土徐變性能不能得到充分發(fā)揮，進(jìn)而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，使混凝土表面出現(xiàn)開(kāi)裂。而混凝土內(nèi)部溫度則主要是受到混凝土結(jié)構(gòu)物散熱降溫、混凝土澆筑溫度、水泥水化熱絕熱溫升等因素影響，混凝土內(nèi)部溫度高，外部溫度低，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，使混凝土出現(xiàn)變形，隨著溫差的增加，其變形就會(huì)越大，從而產(chǎn)生裂縫。

2.3 混凝土收縮變形

混凝土收縮變形主要分為三種情況，一是塑性收縮，在混凝土水分蒸發(fā)時(shí)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微觀裂縫，混凝土凝結(jié)時(shí)大部分水分會(huì)蒸發(fā)，在水分蒸發(fā)過(guò)程中在水化作用下導(dǎo)致混凝土體積變形，通常大部分混凝土產(chǎn)生收縮變形，膨脹變形情況較少。而混凝土從澆筑到終凝需要4～13h，在此期間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的水泥水化反應(yīng)，導(dǎo)致水分快速蒸發(fā)，從而產(chǎn)生失水性收縮，水泥漿和骨料會(huì)產(chǎn)生不均勻沉縮變形，而這種變形通常是混凝土塑性階段變形，即塑性收縮，在混凝土表面無(wú)規(guī)則表面裂縫，對(duì)于一些養(yǎng)護(hù)不到位混凝土來(lái)說(shuō)，在15h后會(huì)出現(xiàn)大量不規(guī)則裂縫，裂縫寬度通常為1～2mm，沿著鋼筋分布[9]。第二種是硬化收縮。在混凝土水泥水華期間會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)與物理反應(yīng)，在水泥漿水化形成水化物體積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥漿自身大小，水泥漿水化郭傳給你中會(huì)產(chǎn)生微小收縮，即為硬化收縮，這種收縮情況一般是自發(fā)產(chǎn)生的，和混凝土外界溫度變化無(wú)聯(lián)系，隨著水泥漿硬化，就會(huì)產(chǎn)生自生收縮的現(xiàn)象，在充分時(shí)間內(nèi)收縮變形，這種收縮通常不會(huì)產(chǎn)生危害性裂縫。第三種是干縮裂縫，當(dāng)外界溫度濕度低于100%時(shí)就會(huì)產(chǎn)生混凝土干縮裂縫，在混凝土表面水分蒸發(fā)后，產(chǎn)生干燥收縮，而這一現(xiàn)象產(chǎn)生主要原因是水泥石所造成，在水泥水化中所需水量為W/C=0.23，在實(shí)際施工中，為確?；炷亮鲃?dòng)性，水灰比通?？刂圃?.5左右。如混凝土水泥顆粒不能完全水化，在水化中消耗水分減少，經(jīng)硬化混凝土產(chǎn)生大量自由水分，并分布在毛細(xì)孔與氣孔空隙內(nèi)部，隨著時(shí)間推移，水分逐漸向空氣蒸發(fā)，空隙中水分減少，降低了毛細(xì)孔內(nèi)的水位，使睡眠曲率增加。在混凝土表面張力作用下，水泥內(nèi)部壓力低于外部壓力，產(chǎn)生負(fù)壓，使混凝土產(chǎn)生收縮，當(dāng)混凝土收縮中受到阻礙則會(huì)開(kāi)裂。

3 大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工技術(shù)與施工方案研究

3.1 混凝土配合比

在大體積混凝土強(qiáng)度等級(jí)超過(guò)C20，在設(shè)計(jì)單位同意情況下，對(duì)于混凝土強(qiáng)度評(píng)定可以對(duì)混凝土60d后期強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)也是混凝土配合比設(shè)計(jì)和工程驗(yàn)收依據(jù)，從而降低在混凝土施工中因水化熱產(chǎn)生溫升，降低溫度應(yīng)力，有利于減少保養(yǎng)與施工費(fèi)用。在大體積混凝土配合比施工中，應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度及耐久性要求，合理使用材料，降低混凝土絕熱溫升，減少水泥用量，并從各個(gè)施工環(huán)節(jié)對(duì)于混凝土澆筑中內(nèi)部溫度的變化進(jìn)行控制，進(jìn)而控制混凝土澆筑中產(chǎn)生溫度裂縫問(wèn)題[10]?；炷僚浜媳冗x擇主要是對(duì)外加劑、骨料和水泥等材料進(jìn)行選配，在混凝土制作中應(yīng)選擇粒徑超過(guò)0.5mm中砂，含泥量超過(guò)3%，細(xì)度模數(shù)為3，同時(shí)也可以適度的選擇復(fù)合型膨脹劑，補(bǔ)償收縮問(wèn)題。

3.2 混凝土澆筑

混凝土澆筑主要有兩種澆筑方式，即分層連續(xù)澆筑，以及推移式連續(xù)澆筑，在澆筑中應(yīng)明確混凝土攤鋪厚度，根據(jù)振搗器作用深度與和易性來(lái)明確，在泵送混凝土?xí)r應(yīng)確保混凝土攤鋪厚度應(yīng)在600mm以內(nèi)，在采用非泵送混凝土?xí)r，其攤鋪厚度控制在400mm內(nèi)。不論采用哪種混凝土澆筑方式，層間間隔時(shí)間應(yīng)盡量在混凝土初凝前，時(shí)間縮短，對(duì)次層混凝土進(jìn)行澆筑，層間最長(zhǎng)時(shí)間間隔應(yīng)不超過(guò)混凝土初凝時(shí)間。對(duì)于澆筑面積大，澆筑能力不足與連續(xù)澆筑層厚度不超過(guò)3m的混凝土結(jié)構(gòu)工程施工中，建議采用推移式連續(xù)澆筑施工方式。而分層澆筑施工是大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中常用的一種方法，這種澆筑方式便于振搗，有利于保證混凝土澆筑質(zhì)量，可利用混凝土層面散熱，有利于降低大體積混凝土澆筑塊溫升。在混凝土澆筑中還普遍存在泌水現(xiàn)象，為確保混凝土澆筑質(zhì)量，應(yīng)對(duì)混凝土表面泌水進(jìn)行及時(shí)清除，通常泵送混凝土水灰比較大，也存在有嚴(yán)重泌水現(xiàn)象，如不及時(shí)清除則會(huì)對(duì)混凝土質(zhì)量產(chǎn)生影響[11]。此外，在混凝土澆筑完成后，應(yīng)根據(jù)溫控技術(shù)措施對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，使混凝土澆筑塊體內(nèi)外溫滿足溫控指標(biāo)要求，在混凝土養(yǎng)護(hù)中應(yīng)保持表面濕潤(rùn)。降低混凝土澆筑體塊降溫速度，利用混凝土抗拉強(qiáng)度，提高其抗裂能力，防止產(chǎn)生溫度裂縫。在混凝土澆筑5h內(nèi)表面會(huì)出現(xiàn)塑性裂縫，可以采用二次澆灌層和二次壓光處理，在澆筑后可以對(duì)混凝土表面采用草袋鋸末和塑料薄膜覆蓋，在寒冷季節(jié)可以設(shè)置擋風(fēng)保溫棚。

4 結(jié)語(yǔ)

在房屋建筑大體積混凝土施工技術(shù)施工中，涉及到的內(nèi)容較多，其中混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量是房屋建筑工程質(zhì)量的重要基礎(chǔ)，其使用年限、裂縫等問(wèn)題對(duì)建筑使用壽命和使用性能具有決定性影響。為確保工程施工質(zhì)量，需要各個(gè)單位之間緊密配合，本文通過(guò)對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題進(jìn)行分析，從而對(duì)大體積混凝土施工技術(shù)展開(kāi)研究，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，需要充分考慮到多方面因素對(duì)于混凝土的影響，保障混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。