某核電站筏基混凝土裂縫控制施工技術(shù)

盧曉峰

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127)

[定稿日期]2017-08-31

1 工程背景

該核電站位于江蘇某沿海城市，核反應(yīng)堆廠房基礎(chǔ)為筏形混凝土基礎(chǔ)，筏基以下設(shè)置柔性防水層，保護(hù)層厚度為50 mm(圖1)。筏基平面形狀為直徑39.5 m的圓形，基礎(chǔ)厚度3.8 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為PS40A(相當(dāng)于國標(biāo)C50)，基礎(chǔ)混凝土施工擬在2016年8月上旬，最高溫度35 ℃，最低溫度25 ℃，日平均氣溫29.5 ℃。

由于筏基混凝土的平面尺寸大，厚度超過1m，因此筏基混凝土施工屬于大體積混凝土施工技術(shù)[1]。針對大體積混凝土在施工時(shí)容易出現(xiàn)有害裂縫的施工技術(shù)通病，本項(xiàng)目在施工之前對裂縫控制進(jìn)行了理論分析，在施工過程中進(jìn)行技術(shù)處理，確保筏基施工完成后不出現(xiàn)裂縫，達(dá)到滿意的施工效果。

圖1 筏基三維立面

2 混凝土裂縫控制理論分析

筏基的大體積混凝土在施工中出現(xiàn)的裂縫一般有兩種類型：貫穿裂縫和表面裂縫[2]。筏基混凝土內(nèi)貫穿性裂縫一般發(fā)生在混凝土降溫初期階段，其原因主要是由于混凝土降溫產(chǎn)生的收縮和混凝土自身收縮受到地基很強(qiáng)的約束作用，地基對筏基混凝土截面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，當(dāng)此拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)便會(huì)產(chǎn)生貫穿裂縫。本工程中，由于筏基以下設(shè)置了一層柔性防水層，因此地基對筏基混凝土的約束作用較弱，可以不考慮本筏基出現(xiàn)貫通裂縫的情形。

筏基混凝土的表面裂縫產(chǎn)生的原因是多方面的，常見的有兩個(gè)方面：(1)水泥水化熱有效的熱量值不同而引起的溫差裂縫，表面混凝土受氣溫影響大而溫度較低，但內(nèi)部混凝土受氣溫影響小而溫度較高，規(guī)范[1]指出，當(dāng)大體積混凝土內(nèi)外溫差大于25 ℃時(shí)混凝土表面可能有裂縫出現(xiàn)；(2)氣溫與混凝土表面的溫差大而引起的溫差裂縫，當(dāng)筏基上表面和側(cè)面的混凝土表層部分與外界空氣溫度的溫差大于20 ℃時(shí)[1]，溫度應(yīng)力會(huì)超過混凝土的抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)明顯的表面裂縫。對于表面混凝土與氣溫溫差過大的情形，在施工中可以通過覆蓋保濕材料等措施來有效避免；但是，對于水泥水化熱引起的溫差是否超過規(guī)范[1]允許值，需要通過詳細(xì)的理論分析與計(jì)算才能得出相應(yīng)的結(jié)果。

(1)

T0=[0.92(mceTce+msaTsa+mgTg)+4.2Tw(mw-

wsamsa-wgmg)+c1(wsemseTse+wgmgTg)-

c2(wsamsa+wgmg)]÷[4.2mw+0.9(mce+msa+mg)]

(2)

根據(jù)規(guī)范[3]所述，本文筏基混凝土的中心溫度T1(t)可以通過式(3)來計(jì)算得出，其中Th(t)表示混凝土的絕熱溫升值，其值按式(4)來計(jì)算得出，ξt為降溫系數(shù)，按規(guī)范取值；筏基混凝土的表面溫度T2(t)可以通過式(5)來計(jì)算得出，其中Tq表示大氣平均溫度。

T1(t)=Tj+Th(t)·ξt

(3)

(4)

(5)

混凝土的內(nèi)外溫差為內(nèi)部溫度與表面溫度的差值，其結(jié)果如表1所示。從表1中的結(jié)果可以看出，筏基混凝土的內(nèi)外溫差的理論最大值為12.5 ℃，沒有超過規(guī)范不大于25 ℃的要求。

表1 不同齡期階段筏基混凝土里表溫度差匯總

3 混凝土裂縫控制施工技術(shù)

在工程實(shí)際中，筏基混凝土由原材料到固結(jié)硬化成水泥石的過程，將要經(jīng)歷攪拌、運(yùn)輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)等許多環(huán)節(jié)，因而引起筏基大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因除本文第2項(xiàng)的幾種情形外，還存在其它諸多方面。為研究筏基混凝土裂縫控制技術(shù)，本文從整個(gè)筏基混凝土施工工藝流程上人為分解出施工準(zhǔn)備階段、施工階段、養(yǎng)護(hù)階段等三個(gè)時(shí)間區(qū)段，研究在三個(gè)區(qū)段內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的各種不利因素，對此應(yīng)采取地相應(yīng)技術(shù)措施，從而有效地避免了筏基混凝土在施工中產(chǎn)生裂縫。

3.1 施工準(zhǔn)備階段的裂縫控制技術(shù)

該筏基混凝土在施工準(zhǔn)備階段最重要的工作是設(shè)計(jì)好混凝土的配合比。文獻(xiàn)[1]指出大體積混凝土在設(shè)計(jì)配合比時(shí)首先要考慮合理的水泥用量，水泥用量過多將引起混凝土在施工期間由于溫升過大而引起有害裂縫。由此，本工程筏基混凝土選擇水化熱較低、強(qiáng)度等級(jí)較高的P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。其次，設(shè)計(jì)配合比時(shí)，骨料級(jí)配良好，細(xì)骨料應(yīng)選擇中砂，在滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，此項(xiàng)選擇合理地減小了水泥用量，降低了水化熱引起混凝土的溫升效果。第三，選擇適宜的混凝土坍落度，在滿足混凝土的可泵性的前提下盡量減小坍落度的大??；較大坍落度的混凝土在澆筑時(shí)在筏基表面會(huì)引起較厚的浮漿層，在表面混凝土固化過程中，過大的混凝土干縮變形將形成有害裂縫，本工程根此設(shè)計(jì)混凝土的坍落度在130±20 mm區(qū)間，既滿足了輸送要求，又控制了一定的收縮變形量，減小了引起裂縫的拉應(yīng)力，起到了控制裂縫的效果。

有了幾個(gè)比較熟悉的領(lǐng)域，備課、上課的時(shí)候才會(huì)有他山之石，才會(huì)有意外的靈感，既增加課堂的容量，又增強(qiáng)課堂的吸引力，使課堂穩(wěn)重中有靈動(dòng)之氣。

3.2 施工階段的裂縫控制技術(shù)

3.2.1 攪拌與運(yùn)輸控制裂縫技術(shù)

在夏季大體積混凝土現(xiàn)場施工時(shí)，混凝土的入模溫度不宜超過30 ℃[1]，但根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，本筏基施工時(shí)混凝土的入模溫度達(dá)到32.3 ℃，超過了規(guī)范要求。因此，應(yīng)采取相應(yīng)的措施來降低混凝土的入模溫度。一種方法是對拌合物降溫，在攪拌水中添加適量冰屑，降低出機(jī)溫度，從而滿足澆筑溫度小于30 ℃的要求；另一種方法是也選擇溫度相對較低時(shí)間區(qū)段施工，在傍晚和夜間施工時(shí)氣溫較低，而且沒有太陽光的輻射，混凝土出料至澆筑施工受外界氣候條件影響很小，可以滿足入模溫度小于30 ℃的要求。

3.2.2 澆筑與振搗控制裂縫技術(shù)

筏基混凝土具有體積大、截面厚的特點(diǎn)，混凝土內(nèi)部水化熱很難散發(fā)而表面散發(fā)相對較快，引起了較大的內(nèi)外溫差而引起溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫。為避免此種裂縫的產(chǎn)生，可以用跳倉法施工，也可以用整體連續(xù)施工[1]。本工程項(xiàng)目中筏基屬于核電站反應(yīng)堆廠房的重要組成部分，規(guī)范[4]中要求嚴(yán)格不許出現(xiàn)裂縫，跳倉法可能留下施工縫處出現(xiàn)通裂縫的安全隱患，故本筏基混凝土選擇連續(xù)澆筑不留施工縫的整體分層連續(xù)澆筑的方法來進(jìn)行施工。

3.2.3 二次抹壓控制裂縫技術(shù)

本項(xiàng)目筏基混凝土具有厚度厚、坍落度大的特征，在混凝土初凝與終凝過程中會(huì)出現(xiàn)較大的沉陷與收縮變形，若不采取技術(shù)措施，混凝土表面會(huì)因此而出現(xiàn)大量的表面裂縫。為盡量避免此類表面裂縫的出現(xiàn)，可采取二次抹壓工藝來完成[1]。在混凝土初凝前與終凝前兩個(gè)不同時(shí)期采取的對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件面層混凝土進(jìn)行壓實(shí)、抹平，二次抹壓工藝的前后二次抹壓要隔1～2 h施工。但是，在工程實(shí)踐中二次抹壓工藝并不能完全消除大體積混凝土的表面裂縫，要滿足核電建筑嚴(yán)格不允許出現(xiàn)裂縫的要求，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際增設(shè)防裂縫鋼筋網(wǎng)。

3.3 合理養(yǎng)護(hù)控制裂縫技術(shù)

筏基混凝土的合理養(yǎng)護(hù)是一個(gè)非常重要的施工步驟，它在確保強(qiáng)度的后期合理增長、控制裂縫等方面起著重要的作用。在控制混凝土裂縫時(shí)，養(yǎng)護(hù)過程的優(yōu)劣主要從三個(gè)方面考慮：(1)防止混凝土表面水分蒸發(fā)過快而引起混凝土表面干裂。工程中筏基側(cè)表面應(yīng)由木模板包裹，上表面應(yīng)由薄膜及保溫材料等材料充分覆蓋，當(dāng)由于工藝要求需要提前拆除側(cè)向模板時(shí)，應(yīng)及時(shí)回填土體保護(hù)筏基。(2)防止在養(yǎng)護(hù)后期混凝土溫度下降得過快。規(guī)范要求不宜超過2 ℃/d，夏季施工時(shí)室外氣溫與混凝土表面的溫度差較小，混凝土表面有模板或保溫材料包裹，散熱速度較慢，筏基施工時(shí)溫度下降的速度通常不會(huì)超過規(guī)范。(3)防止筏基混凝土養(yǎng)護(hù)的時(shí)間太短，避免由于不利養(yǎng)護(hù)而使得混凝土的后期強(qiáng)度有效增長而受到影響。規(guī)范[1]要求大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d，有抗?jié)B性能的混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于15 d[3]，本工程筏基混凝土選擇的是PS40A,屬于有抗?jié)B性能的大體積混凝土，因此混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于15 d。

3.4 增設(shè)鋼筋網(wǎng)控制裂縫技術(shù)

筏基混凝土在理想的施工和養(yǎng)護(hù)條件下通常不會(huì)出現(xiàn)裂縫，但是工程實(shí)際情況與理想狀態(tài)有較大的差異，當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)過程中同時(shí)出現(xiàn)較大的溫差、較大的干縮變形的情形時(shí)，兩種不利因素對混凝土表面同時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力，疊加后的拉應(yīng)力效果超過混凝土本身的的抗拉強(qiáng)度，筏基表面出現(xiàn)裂縫。為避免核電建筑筏基中出現(xiàn)表面裂縫，應(yīng)考慮這種最不利的情形，采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施進(jìn)行“抗裂”，最優(yōu)的做法為在筏基表面增設(shè)抗裂鋼筋。

3.4.1 增設(shè)筏基上表面抗裂鋼筋技術(shù)

筏基混凝土在養(yǎng)護(hù)初期，內(nèi)部溫度高，表面溫度低，表里混凝土間的溫度差使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。對于筏基上表面混凝土而言，內(nèi)部混凝土中心區(qū)域溫度較高，但梯度較小[5-6]，溫差引起的表面混凝土拉應(yīng)力效果也較均勻(圖2)；而邊緣溫度較低，但梯度較大，溫差引起的拉應(yīng)力效果不均勻，邊緣區(qū)域的大小一般為筏基半徑R的1/5～1/4，偏于安全考慮本文取R/4。另外筏基表層混凝土是粗骨料含量很少的浮漿層，養(yǎng)護(hù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的收縮變形值，收縮變形引起的拉應(yīng)力效果同溫差引起的在方向是一致的。由于兩種拉應(yīng)力作用的一致性，兩者疊加后可能會(huì)超過混凝土抗拉強(qiáng)度，因此在表層混凝土內(nèi)應(yīng)設(shè)置抗裂鋼筋[7]。根據(jù)拉應(yīng)力分布情況，在中心區(qū)域設(shè)置沿X與Y方向設(shè)置水平抗裂鋼筋，而在筏基上表面邊緣區(qū)域設(shè)置環(huán)向抗裂鋼筋，徑向設(shè)置構(gòu)造鋼筋；規(guī)范[8]規(guī)定，當(dāng)筏板厚度超過2 m時(shí)，宜沿板厚方向間設(shè)置與板面平行的構(gòu)造鋼筋網(wǎng)片，直徑不小于12 mm，間距不宜大于200 mm，本項(xiàng)目偏于安全考慮抗裂設(shè)置φ12@150，鋼筋網(wǎng)設(shè)置如圖3所示。

圖2 上表面混凝土溫差應(yīng)力分布

圖3 筏基上表面抗裂鋼筋網(wǎng)

3.4.2 增設(shè)筏基側(cè)面抗裂鋼筋技術(shù)

在筏基混凝土澆筑完成后3～5 d時(shí)間內(nèi)，由于蓄水養(yǎng)護(hù)混凝土的工藝要求，需要拆除筏基側(cè)向模板回填土方，這就使得筏基側(cè)向混凝土表面暴露在空氣中，溫度下降速度加快，內(nèi)外溫差加大，引起了較大的環(huán)向拉應(yīng)力(圖4)；同時(shí)筏基側(cè)表面混凝土暴露在空氣中引起了較大的干縮變形，也引起了較大的環(huán)向拉應(yīng)力。為避免此類拉應(yīng)力引起的筏基側(cè)表面裂縫，應(yīng)在筏基中設(shè)置環(huán)向的防裂鋼筋，幫助混凝土抵抗拉應(yīng)力。在實(shí)際工程施工中，為使得設(shè)置抗裂鋼筋后筏基有理想的防裂效果，側(cè)表面除設(shè)置水平向的環(huán)向抗裂鋼筋外，還設(shè)置豎直方向的分布鋼筋，形成了抗裂鋼筋網(wǎng)(圖5)，鋼筋網(wǎng)的設(shè)置要求同筏基上表面邊緣區(qū)抗裂鋼筋網(wǎng)。按此要求設(shè)置抗裂鋼筋網(wǎng)后發(fā)現(xiàn)，筏基側(cè)表面混凝土完全消除了裂縫。

圖4 側(cè)表面混凝土膨脹應(yīng)力

圖5 筏基側(cè)表面抗裂鋼筋網(wǎng)

4 結(jié)論

(1)對筏基混凝土進(jìn)行裂縫控制時(shí)，應(yīng)先在施工階段應(yīng)進(jìn)行裂縫控制的理論分析，然后在滿足理論要求的前提下再選擇恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施進(jìn)行施工處理，這樣筏基混凝土在施工時(shí)才能避免出現(xiàn)裂縫。

(2)筏基混凝土裂縫控制技術(shù)宜采取“防”與“抗”相結(jié)合的原則進(jìn)行施工，在優(yōu)化混凝土施工配合比、選擇低水化熱水泥、主動(dòng)降低混凝土內(nèi)外溫差等方面采取主動(dòng)控制的方法進(jìn)行“防”。對于養(yǎng)護(hù)初期的混凝土收縮應(yīng)力和溫差應(yīng)力采取增設(shè)抗裂鋼筋網(wǎng)的做法進(jìn)行“抗”，這樣才能達(dá)到理想的施工效果。

(3)在控制筏基混凝土表面由于干縮和溫差引起裂縫的措施中，可以采取減小水灰比、增加二次抹壓、增設(shè)抗裂鋼筋等立法，但設(shè)置抗裂鋼筋最為有效。

(4)在養(yǎng)護(hù)過程中，用回填土體和養(yǎng)護(hù)水作為筏基混凝土的“保護(hù)體”，將混凝土進(jìn)行包裹后蓄水養(yǎng)護(hù)，可以避免過快的水分蒸發(fā)和混凝土溫度變化速度過快，養(yǎng)護(hù)效果比較理想。

[1] 中國冶金建設(shè)協(xié)會(huì).GB 50496-2012大體積混凝土工程施工規(guī)范[S]. 北京:中國計(jì)劃出版社，2012.

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