大體積混凝土足尺模型試件早期裂縫原因分析

徐 可 楊 靜 趙 娟 紀(jì)憲坤

1. 武漢三源特種建材有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430083；2. 武漢源錦建材科技有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430083

近年來，隨著混凝土工程規(guī)模及體量的不斷擴(kuò)大，混凝土裂縫問題也越來越突出。大體積混凝土結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)尺寸大、一次施工量大、混凝土水化溫升高等因素，其出現(xiàn)開裂的概率要比其他類型的混凝土結(jié)構(gòu)更高[1]。同時(shí)，由于影響混凝土結(jié)構(gòu)開裂的因素涵蓋設(shè)計(jì)、施工、材料等多個(gè)方面[2]，且裂縫出現(xiàn)后，大多只能收集裂縫的長度及走向等信息，對(duì)于裂縫的深度、內(nèi)部擴(kuò)展情況，若不經(jīng)過鉆芯取樣通常很難收集[3]，也因此很難準(zhǔn)確地判定某一種裂縫出現(xiàn)的具體原因，給工程技術(shù)人員控制混凝土裂縫帶來了極大的困難[4-7]。

本文基于某質(zhì)子腫瘤醫(yī)院實(shí)體混凝土澆筑前期的足尺模型試件的具體開裂情況，結(jié)合裂縫出現(xiàn)的時(shí)間、裂縫分布情況以及鉆芯取樣的裂縫內(nèi)部擴(kuò)展情況，分析了該足尺模型試件出現(xiàn)裂縫的具體原因，并給出了針對(duì)該類大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的措施建議，以期為同類混凝土工程提供參考。

1 模型信息

1.1 模型尺寸

本項(xiàng)目占地面積約為46 214 m2，總建筑面積約33 687 m2，其中主樓建筑面積約33 687 m2，系框架-剪力墻體系，地下1層，地上3層，建筑高度為23.2 m，是一所質(zhì)子放射治療惡性腫瘤的醫(yī)院。其中，質(zhì)子裝置區(qū)建成后將放置包括回旋加速器、3個(gè)旋轉(zhuǎn)治療艙、1個(gè)固定束治療艙、1個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

該項(xiàng)目足尺模型試驗(yàn)開展于主體工程施工之前，參考項(xiàng)目質(zhì)子區(qū)防輻射混凝土側(cè)墻最大厚度及配筋情況，確定模型尺寸為4.4 m×4.4 m×4.4 m。通過該模擬試驗(yàn)，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行驗(yàn)證并優(yōu)化，為混凝土供應(yīng)和施工方案編制提供依據(jù)。模型試塊鋼筋布置如圖1所示。

圖1 模型試塊鋼筋布置

1.2 混凝土配合比

1）水泥為P·O 42.5，細(xì)度為325 m2/kg，28 d膠砂抗壓強(qiáng)度49.8 MPa。

2）粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為17.8%，需水量比98%，燒失量2.1%。

3）粗骨料為粒徑5～16 mm與16～31.5 mm按照質(zhì)量比2∶8配制的二級(jí)配碎石。

4）細(xì)骨料為二級(jí)配中砂，細(xì)度模數(shù)為3.3，表觀密度為2 590 kg/m3，堆積密度為1 650 kg/m3，含泥量0.5%。

5）減水劑選用固含量為17.9%，減水率為21.5%高性能聚羧酸減水劑。

實(shí)際工程為大體積混凝土，因此混凝土配合比設(shè)計(jì)采用大摻量礦物摻合料的設(shè)計(jì)思路，以60 d齡期混凝土強(qiáng)度作為驗(yàn)收強(qiáng)度，混凝土配合比為：水泥∶粉煤灰∶礦粉∶砂∶碎石∶水∶膨脹劑∶外加劑＝220∶81∶66∶729∶1 046∶169∶29∶6.24，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，實(shí)測(cè)混凝土坍落度180 mm±20 mm，和易性良好。

1.3 混凝土性能檢測(cè)

1.3.1 限制膨脹率

澆筑時(shí)留置了2組限制膨脹率的試塊，一組放在現(xiàn)場同條件養(yǎng)護(hù)，另一組放在20 ℃室溫水養(yǎng)，測(cè)試28 d內(nèi)的混凝土限制膨脹率如表1所示。

表1 混凝土限制膨脹率測(cè)試結(jié)果

由2種養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹率可知，該項(xiàng)目混凝土均能產(chǎn)生持續(xù)的補(bǔ)償收縮作用。

1.3.2 混凝土力學(xué)性能

混凝土的力學(xué)性能具體檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 混凝土28d齡期力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果單位：MPa

2 模型試件澆筑及養(yǎng)護(hù)

2.1 澆筑

在標(biāo)準(zhǔn)及同條件情況下，28 d齡期混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)C35強(qiáng)度等級(jí)要求。采用分層澆筑的方法，每層厚約500 mm，要求保證在第1層混凝土初凝前，進(jìn)行第2層混凝土澆筑，同時(shí)控制混凝土入模溫度≤30 ℃，但實(shí)際各車混凝土的澆筑時(shí)間如表3所示。

表3 混凝土澆筑記錄

從表3可知：混凝土入模溫度除第1車停留時(shí)間過長造成出機(jī)溫度＞30 ℃以外，其他均滿足控制要求。但每車混凝土澆筑完成后的間隔時(shí)間超過了10 min，甚至個(gè)別超過了25 min。

對(duì)于夏季施工的大體積混凝土澆筑而言，過長的間隔極易形成施工冷縫，同時(shí)上層混凝土澆筑時(shí)極易對(duì)下層混凝土產(chǎn)生擾動(dòng)，造成混凝土開裂。

2.2 振搗

2.3 收光

模板內(nèi)混凝土澆筑平整后，要用長刮尺將混凝土刮平，用塑料木抹打磨（將混凝土中石子壓下去），用鐵板第1次收光。等混凝土初凝時(shí)（人踩上去有10 mm左右腳印），用塑料木抹打磨吊漿，再次用長刮尺將混凝土刮平，木抹打磨，鐵板收光。視混凝土強(qiáng)度情況，第3次以鐵板收光。

2.4 養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑面二次抹壓完成后，混凝土養(yǎng)護(hù)主要是保溫保濕養(yǎng)護(hù)，保溫養(yǎng)護(hù)能減少混凝土表面的熱擴(kuò)散，減少混凝土表面的溫差，防止產(chǎn)生表面裂縫。保溫養(yǎng)護(hù)還能控制混凝土內(nèi)外溫差，防止產(chǎn)生貫穿裂縫。保濕養(yǎng)護(hù)能防止混凝土表面脫水而產(chǎn)生表面干縮裂縫，還能使水泥水化順利進(jìn)行，提高混凝土的極限拉伸強(qiáng)度。

帶模養(yǎng)護(hù)7 d后拆除側(cè)模，然后覆蓋厚5 mm毛氈土工織物，如遇高溫可采用溫水養(yǎng)護(hù)。毛氈土工織物幅邊之間搭接寬度不少于10 cm，防止覆蓋不到位。

3 裂縫統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 裂縫統(tǒng)計(jì)

澆筑完成后的第8天拆模完成，拆模后未出現(xiàn)貫穿性收縮裂縫，但構(gòu)件下半部分（距離底面1.7 m以內(nèi)）出現(xiàn)較多水平向的短裂縫，在試件的4個(gè)側(cè)面距離地面1.7 m范圍內(nèi)均出現(xiàn)了一定數(shù)量的水平短裂縫，采用裂縫測(cè)寬儀進(jìn)行裂縫具體信息測(cè)量，測(cè)得各面混凝土裂縫信息如表4所示。

表4 混凝土裂縫信息

由表4可知：該模型試件早期產(chǎn)生的水平向裂縫均不屬于連通性裂縫，裂縫的長度及深度相對(duì)于整個(gè)模型試件的長度及厚度均較小，且都是在拆模前出現(xiàn)的，說明這類裂縫并非材料的收縮產(chǎn)生，且沒有出現(xiàn)貫穿性的溫度裂縫，可以判定與澆筑施工時(shí)的影響較大。

各混凝土面的裂縫分布如圖2所示：大部分的裂縫以橫向?yàn)橹鳎也贿B續(xù)，裂縫均是位于螺桿下方或與螺桿相連接，說明裂縫的產(chǎn)生與螺桿有著一定的聯(lián)系。螺桿一方面可能造成對(duì)模板和混凝土的擾動(dòng)，另一方面對(duì)混凝土的沉降造成阻隔作用，特別是這種端頭型的螺桿。

圖2 混凝土各面裂縫分布

3.2 裂縫分類

根據(jù)裂縫出現(xiàn)的位置及特點(diǎn)，本實(shí)體構(gòu)件出現(xiàn)的局部裂縫主要分為3類，具體如下：

1）位于對(duì)拉螺桿橡膠墊下側(cè)月牙形裂縫。裂縫位于對(duì)拉螺桿橡膠墊下方5～10 cm，長度10～18 cm不等，裂縫寬度在0.2～1.0 mm之間，深度在10～30 mm之間，此種裂縫數(shù)量最多，占總數(shù)的一半左右。

食管癌患者放療期間，發(fā)生白細(xì)胞下降、放射性皮膚反應(yīng)、放射性食管炎及放射性肺炎等毒性反應(yīng)的幾率較高[2]。為了能夠有效提升患者放療耐受性，需加強(qiáng)臨床護(hù)理干預(yù)，通過心理護(hù)理干預(yù)，改善患者的心理狀態(tài)，通過健康宣教，提升患者對(duì)于疾病及放療的認(rèn)知水平，通過飲食護(hù)理，保證機(jī)體營養(yǎng)供應(yīng)，同時(shí)，針對(duì)患者毒性反應(yīng)的發(fā)生情況，實(shí)施對(duì)癥護(hù)理干預(yù)，緩解不適癥狀，提升生理舒適度。此外，國內(nèi)有學(xué)者表示，優(yōu)質(zhì)護(hù)理干預(yù)方案的實(shí)施，能夠改善食管癌放射治療患者的效果，降低毒性反應(yīng)發(fā)生率；此次得出了與之較為相似的研究成果。

2）對(duì)拉螺桿橡膠墊處延伸型及連接型裂縫。裂縫位于對(duì)拉螺桿橡膠墊處，一種是從橡膠墊處橫向延伸發(fā)展，長度在5～10 cm之間，如圖2北側(cè)面中編號(hào)6、8、9、10的類型，裂縫長度在3～17 cm之間，寬度在0.3～0.8 mm之間，深度在15～30 mm之間；另一種是從一個(gè)橡膠墊處延伸至另一個(gè)橡膠墊處的連接型裂縫，如圖2西側(cè)面編號(hào)為3、4、6、7的裂縫，長度在15～30 cm之間，寬度在0.20～0.45 mm之間，深度在14～30 mm之間。

3）墻角邊緣斜向30°裂縫。圖3為試塊西北角，北面、西面2條裂縫是連通的，距離地面高度在88～95 mm。此種裂縫只出現(xiàn)在西北角和東北角大概90 cm處，數(shù)量最少，寬度在0.5～2.0 mm之間，較寬，深度20～35 mm不等，典型形式如圖2東側(cè)面編號(hào)9的裂縫。

圖3 墻角處裂縫

3.3 裂縫原因分析

為探究各類裂縫的具體開裂原因，試件澆筑齡期28 d后選取3類典型裂縫處進(jìn)行了鉆芯取樣，以更直觀地了解內(nèi)部裂縫的發(fā)展情況。

第1類裂縫鉆芯選擇為南側(cè)混凝土表面編號(hào)為2的裂縫，鉆芯前及鉆芯后裂縫情況如圖4所示。

圖4 第1類裂縫鉆芯前后裂縫

該部分混凝土受到上部螺桿橡膠墊阻隔，造成下部骨料少、漿料多。由于該部分混凝土位于保護(hù)層位置，不易振搗，在橫向鋼筋及螺桿橡膠墊的阻隔下，隨著上部澆筑不斷增加，下部骨料沉降過大，產(chǎn)生骨料沉降裂縫。

第2類裂縫鉆芯選擇為西側(cè)混凝土表面編號(hào)為7的裂縫，鉆芯前及鉆芯后裂縫情況如圖5所示。

圖5 第2類裂縫鉆芯后裂縫

從鉆芯后的結(jié)果可知：該類裂縫主要發(fā)生在保護(hù)層厚度位置，裂縫深度只到最外側(cè)鋼筋處，且裂縫均繞著骨料的漿體層開裂，說明裂縫主要是在早期混凝土終凝前已出現(xiàn)。主要原因在于：該部分混凝土振搗較困難，鋼筋與混凝土或粗大骨料與漿體界面處形成的骨料沉降不均，以及施工澆筑上下層時(shí)間隔時(shí)間過長，上層混凝土的振搗對(duì)下層已接近終凝的混凝土產(chǎn)生了一定的擾動(dòng)，這種擾動(dòng)包括對(duì)鋼筋和混凝土本身的擾動(dòng)，從而引起連接螺桿以及沿最外層水平鋼筋的裂縫。

第3類裂縫鉆芯選擇為東側(cè)混凝土表面編號(hào)為9的裂縫，鉆芯前及鉆芯后裂縫情況如圖6所示。

圖6 第3類裂縫鉆芯后內(nèi)裂縫及芯樣裂縫

該類裂縫情況與第2類裂縫產(chǎn)生的原因類似，主要原因?yàn)椋涸摬糠至芽p位于試件下部，夜間施工，振搗困難，且存在振搗盲區(qū)，在鋼筋與混凝土界面位置存在無法振搗或振搗不充分的情況，在受到鋼筋阻隔及上層澆搗對(duì)鋼筋、拉桿及模板擾動(dòng)的情況下，骨料不均勻沉降，繼而產(chǎn)生裂縫。

3.4 施工建議

為避免類似的早期非收縮以及溫度裂縫，施工過程中建議關(guān)注以下幾方面：

1）對(duì)于該類型大體積混凝土，混凝土和易性應(yīng)保持良好，建議按照180～220 mm進(jìn)行配制，根據(jù)運(yùn)距保證混凝土到現(xiàn)場的坍落度損失≤10 mm。

2）施工振搗存在盲區(qū)，特別是大體積混凝土下半部分，下部1.0～1.5 m范圍內(nèi)振搗時(shí)需要加強(qiáng)處理，晚上施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)下部施工過程中的照明，能直接目測(cè)到下部振搗狀態(tài)。

3）振搗需分層進(jìn)行，但施工應(yīng)連續(xù)澆筑。根據(jù)大體積混凝土的整體厚度，每層分層振搗的厚度應(yīng)≤1 m，各層的澆筑間隔時(shí)間不應(yīng)≥15 min，以防止上層澆筑時(shí)對(duì)于下層混凝土的擾動(dòng)。

4）大體積混凝土的帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間宜≥7 d，一方面可避免內(nèi)外溫差過大，另一方面避免過早拆模造成對(duì)混凝土的擾動(dòng)破壞。

4 結(jié)語

1）通過混凝土配合比調(diào)整、施工過程控制以及膨脹劑材料應(yīng)用，可以避免貫穿性的溫度裂縫及收縮性裂縫產(chǎn)生，但在施工過程中易產(chǎn)生在穿墻螺桿處及下部橫向的早期裂縫。

2）通過裂縫統(tǒng)計(jì)及鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)，橫向裂縫均是漿體層開裂且繞開骨料，均為早期開裂，裂縫一般深度與鋼筋保護(hù)層的厚度接近。

3）早期混凝土的澆筑間歇過長、混凝土和易性波動(dòng)大及欠振等因素造成骨料沉降不均，是引起早期大體積混凝土橫向裂縫的主要原因。同時(shí)，對(duì)拉螺桿的抗擾動(dòng)性對(duì)螺桿處的裂縫影響較大，在大體積混凝土澆筑過程中應(yīng)避免振搗棒對(duì)螺桿的擾動(dòng)。