大體積混凝土施工中的裂縫控制探討

姚云鵬

（重慶建工第二建設(shè)有限公司，重慶 400000）

0 引言

在建筑工程項目施工過程中，混凝土作為重要的施工材料，其施工質(zhì)量關(guān)系著整個工程的質(zhì)量。目前隨著建筑規(guī)模的不斷擴大，混凝土結(jié)構(gòu)也不斷增大，且為了考慮到建筑物整體的受力安全，需要增大基礎(chǔ)混凝土的尺寸，以此保證混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。但是在大體積混凝土施工過程中，由于受到許多因素的影響，使得裂縫問題較為突出，一旦發(fā)生裂縫問題，很容易帶來許多安全隱患。因此，在具體的施工過程中，必須要對大體積混凝土施工中的裂縫問題進行關(guān)注，綜合考慮施工裂縫的特點、成因等相關(guān)要素，然后在此基礎(chǔ)上采取有效的措施加以控制，保證混凝土施工的質(zhì)量，從而優(yōu)化工程項目的施工質(zhì)量。

1 大體積混凝土施工中常見的裂縫類型及成因

1.1 裂縫類型

在大體積混凝土施工過程中，裂縫問題較為突出，如果按照裂縫的程度大小來區(qū)分，大致分為三種類型，分別為以下：

（1）表層裂縫。通常情況下這種裂縫問題帶來的危害不是很大，主要的由于溫度因素而導(dǎo)致，且表層裂縫并不會對混凝土結(jié)構(gòu)的受力安全造成影響。但是表層裂縫會對混凝土結(jié)構(gòu)的外觀造成影響，給人一種不安全的觀感。

（2）深度裂縫。顧名思義，深度裂縫的深度相對比較深，可能會導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)面被切斷，這樣就會對混凝土結(jié)構(gòu)的受力安全造成影響，而且也會對混凝土的耐久性造成不良的影響。

（3）貫通裂縫。這種裂縫類型較為較為嚴重，一旦發(fā)生貫通裂縫，就會徹底將整體混凝土結(jié)構(gòu)切斷，所帶來的后果則非常嚴重，必須要采取有效的加固措施進行防治。

1.2 裂縫原因

導(dǎo)致大體積混凝土施工中出現(xiàn)裂縫問題的原因有許多，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）受到混凝土原材料的影響。在大體積混凝土施工過程中，混凝土的構(gòu)成要素包括水泥、砂、石、水等原材料，這些原材料需要根據(jù)一定的比例配比并充分攪拌從而凝結(jié)成為一個整體。但是在這一期間水泥在接觸到水分之后會產(chǎn)生水化作用，并釋放出較高的熱量，而部分熱量并未完全釋放，反而是聚集在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，這樣就會產(chǎn)生混凝土內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的溫度偏差過大，使得溫度應(yīng)力產(chǎn)生，進而使得混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表層裂縫。簡而言之，導(dǎo)致大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的因素主要體現(xiàn)在水泥的種類、強度、用量、尺寸大小等因素。

（2）收縮變形。在大體積混凝土施工過程中，混凝土結(jié)構(gòu)收縮變形也是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的主要原因之一。通常情況下，在混凝土拌合過程中會因為水泥水化作用將大部分的水分蒸發(fā)掉，僅保留不足25%的水分。但是在混凝土澆筑養(yǎng)護期間，在長時間的作用下，養(yǎng)護水分會逐漸蒸發(fā)流失，這樣就會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)干縮變形的現(xiàn)象，進而產(chǎn)生裂縫。

（3）受到結(jié)構(gòu)特性的影響?；炷两Y(jié)構(gòu)具有壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的特點，雖然能夠承受一定的壓應(yīng)力，但是在混凝土水泥水化作用影響下，拉應(yīng)力會急劇增大，一旦超過混凝土承受的拉應(yīng)力極限，勢必會產(chǎn)生混凝土表層裂縫。

（4）受到溫度影響。在大體積混凝土施工過程中，混凝土養(yǎng)護工作尤其重要，一般情況需要在20℃的溫度環(huán)境下進行養(yǎng)護。但是隨著環(huán)境溫度的變化，一旦超出這個范圍就會對混凝土的強度造成不良的影響，尤其是在溫度下降的情況選，就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力變化，進而使得裂縫產(chǎn)生。

2 工程概況

某工程由于工程的特殊性，所以對其支撐結(jié)構(gòu)的抗裂要求較高。從平面圖紙來看，該項目工程的底板筏基為中間正六變形呈下沉臺階的對稱圓形，見圖1，底部標(biāo)高為-12.500m，中間正六邊形下沉臺階的厚度為2.55m，邊緣厚度則在4.55m，總的混凝土方量在7300m3左右。在底板施工過程中，主要采用的分層一次性不間斷連續(xù)的澆筑法進行施工，將整個筏板連成以各整體，且沒有伸縮縫。

圖1 筏基礎(chǔ)平面

由于混凝土方量較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且抗裂要求較高，加之該項目環(huán)境的影響，存在較大的晝夜溫差，因此使得混凝土養(yǎng)護工作難度增大。另外，在大體積混凝土施工過程中，降低或者延緩水化熱釋放始終是重點關(guān)注的問題，需要對混凝土的原材料配合比進行優(yōu)化，從而保證混凝土強度的同時，能夠降低水泥用量和增加粉煤灰的比例，進而達到降低或延緩水化熱釋放的目的。該項目的底板混凝土原材料構(gòu)成為：水泥型號為P·Ⅱ42.5，粉煤灰等級為F類Ⅰ級，主要使用了河砂和中砂，碎石的直徑有兩種類型，分別是5～25mm和16～31.5mm，水則是淡水，并添加了ZWL-A-2型高效緩凝泵送劑。具體的配比參數(shù)及混凝土熱性能參數(shù)可見表1和表2。

表1 混凝土相關(guān)參數(shù)

表2 混凝土熱性能參數(shù)

3 混凝土溫度和應(yīng)力模擬分析及控制措施

3.1 溫度分析

在對混凝土溫度分析過程中，主要是針對水泥水化熱反應(yīng)全過程，包括水化熱的產(chǎn)生、傳導(dǎo)及流失，主要采用的是有限元模擬計算方法，利用熱源函數(shù)、彈性模量函數(shù)、溫度變化函數(shù)等來反映混凝土動態(tài)養(yǎng)護工況下的水化熱全過程?？紤]到工程特殊性及混凝土筏基的約束條件，在采用有限元模型計算時需要對混凝土筏基、墊層和基巖進行建模，同時在計算過程中需要考慮到基巖對混凝土筏基的影響，厚度方向上取5m，邊緣寬出筏基4m的距離。

筏基混凝土為雙軸對稱，計算時則選取1/4模型，并采用空間八節(jié)點等單元劃分網(wǎng)絡(luò)，見圖2。溫度取值按照當(dāng)?shù)亟晖谄骄鶜鉁剡M行模擬，根據(jù)混凝土材料配合比及水化熱參數(shù)計算可得熱源函數(shù)，見圖3。對水化熱、環(huán)境及邊界約束工況下的筏基不同齡期溫度變化計算，具體可見圖4。根據(jù)圖4分析得知，在水泥產(chǎn)生水化反應(yīng)時，溫度加速升溫，并在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中聚集熱量，在達到峰值65.8℃后進入到了降溫階段，且降溫速率逐漸降低。

圖2 底板基礎(chǔ)有限元模型

圖3 混凝土熱源函數(shù)

圖4 筏基不同齡期溫度變化

3.2 應(yīng)力分析

考慮到溫度變化使得混凝土應(yīng)力發(fā)生變化，進而使得混凝土開裂，通過利用彈性模量函數(shù)來反映各溫度階段反映混凝土拉力情況，見圖5和圖6。

根據(jù)上圖分析得知，72h前應(yīng)力發(fā)揮主導(dǎo)作用，由于邊緣位置較早進入降溫階段，所以首先在角部和策略出現(xiàn)應(yīng)力。隨著這些部位溫度快速降低，拉應(yīng)力也逐漸增大，很容易產(chǎn)生混凝土表面開裂的情況，因此需要加強這一階段的保溫養(yǎng)護，將里表溫差降低。待7d后，由于溫度速率降低使得拉應(yīng)力趨緩，各部位溫度梯度也逐漸減小，屬于整體可控的狀態(tài)，但是仍然需要對快速降溫階段加以重視，需要提前采取有效的預(yù)防措施進行控制。這便需要加強施工監(jiān)測，對混凝土不同部位的溫度變化進行實時監(jiān)測，可以通過在閥基混凝土中可觀的部位安裝3層傳感器進行監(jiān)測。

圖5 彈性模量函數(shù)

圖6 正應(yīng)力分布

4 結(jié)論與建議

本文先是分析了大體積混凝土常見的裂縫類型及成因，然后結(jié)合具體工程項目驗證了大體積混凝土施工中裂縫的原因，并通過有限元模擬計算獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，以此了解混凝土溫度和應(yīng)力變化，以此為控制裂縫提供數(shù)據(jù)支撐。具體獲得以下結(jié)論：

（1）在混凝土澆筑過程中，快速降溫階段是混凝土開裂的危險階段，因此需要在這一階段采取有效的溫度控制措施和應(yīng)急方案，確保應(yīng)力趨于緩解。

（2）混凝土原材料的配合比對其溫度變化和應(yīng)力變化影響較明顯，因此需要降低或延緩水化熱的釋放，以此控制裂縫問題產(chǎn)生。

（3）在混凝土養(yǎng)護過程中，由于空氣中流散熱度較強，使得表面收縮較強烈，加之存在空間復(fù)雜性的約束，很有可能發(fā)生開裂問題，因此在養(yǎng)護時也要重點關(guān)注一問題，采取有效措施解決。另外需要提前對極端天氣進行預(yù)警，制定應(yīng)急方案，避免出現(xiàn)開裂風(fēng)險。