膨脹混凝土加強(qiáng)帶施工技術(shù)與溫度場(chǎng)研究

王冠

摘要：為解決建筑工程地下室混凝土結(jié)構(gòu)的無(wú)縫施工問(wèn)題，提高地下室混凝土板塊的抗裂性能和防水特性，以鄭州市某安置房項(xiàng)目地下室膨脹混凝土加強(qiáng)帶施工為研究對(duì)象，結(jié)合膨脹混凝土加強(qiáng)帶施工技術(shù)，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段，研究膨脹混凝土加強(qiáng)帶的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，達(dá)到控制溫度應(yīng)力和溫度裂縫的目的。研究結(jié)果表明：隨著板厚度的增加，膨脹混凝土加強(qiáng)帶的峰值溫度呈現(xiàn)明顯的對(duì)數(shù)增長(zhǎng)特征；隨著時(shí)間的增加，不同厚度處膨脹混凝土加強(qiáng)帶的變化呈現(xiàn)3個(gè)不同的變化階段，分別是快速增加階段、快速降低階段和穩(wěn)定變化階段；板的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力在5d內(nèi)均呈現(xiàn)先非線性迅速增加，達(dá)到峰值后，則呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，減小的速率明顯小于增加的速率；減小膨脹混凝土加強(qiáng)帶的間隔，可以有效減小板的最大和最小應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：膨脹混凝土；加強(qiáng)帶；溫度場(chǎng)；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；仿真分析

0? ?引言

地下空間建設(shè)與地上建筑建設(shè)存在明顯不同，對(duì)建筑的拉裂縫和防水性能控制嚴(yán)格，為此以往的地下室建筑多采用后澆帶的形式進(jìn)行施工。這種施工方法不僅破壞了地下結(jié)構(gòu)的完整性，而且在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，后澆帶部分在溫度荷載作用下不斷膨脹收縮，極易產(chǎn)生溫度裂縫，給建筑工程地下室的防水性能帶來(lái)不良影響[1-2]。

隨著膨脹劑的廣泛應(yīng)用，基于膨脹混凝土加強(qiáng)帶的施工技術(shù)能夠有效地保持地下結(jié)構(gòu)的完整性，施工采用“放抗結(jié)合”的原則，避免了后澆帶施工中溫度伸縮裂縫的產(chǎn)生，有效補(bǔ)償了溫度變化產(chǎn)生的早期收縮應(yīng)力。本文嘗試結(jié)合實(shí)際工程，研究膨脹混凝土加強(qiáng)帶的施工技術(shù)，并對(duì)膨脹混凝土的溫度進(jìn)行研究，以限制混凝土的自應(yīng)力發(fā)展和膨脹率[3-5]。

1? ?工程概況

鄭州市某安置房項(xiàng)目為重大民生工程，用地范圍內(nèi)提供高層民用住宅和商業(yè)零售辦公用房的一體化城市生活、零售解決方案，總建筑面積達(dá)到248281m2，其中高層民用住宅一共7棟，單棟34層，層高2.9m，住宅建筑面積達(dá)到191318m2；幼兒園1棟，樓層層高3.8m，建筑面積3244m2；商用零售辦公用房2棟，建筑面積15505m2，其他為配套服務(wù)用房面積。高層住宅樓的結(jié)構(gòu)形式均為剪力墻結(jié)構(gòu)。地下室底板采用C35混凝土，地下室底板形狀大致呈矩形，長(zhǎng)度800m，寬度300m，厚度1400mm。

2? ?膨脹混凝土加強(qiáng)帶施工技術(shù)

膨脹混凝土在發(fā)生水化硬化過(guò)程中，由于兩側(cè)已經(jīng)澆筑的普通混凝土和鋼筋對(duì)其具有明顯的邊界約束作用，因此硬化膨脹會(huì)產(chǎn)生大致0.2～0.7MPa的膨脹自應(yīng)力[6-8]。為了保證膨脹混凝土加強(qiáng)帶能有效展開(kāi)膨脹，釋放體積膨脹，填補(bǔ)周邊混凝土體積收縮導(dǎo)致的裂縫，在膨脹混凝土加強(qiáng)帶施工前，應(yīng)對(duì)建筑地下結(jié)構(gòu)的混凝土膨脹帶間隔進(jìn)行設(shè)置[9]。

綜合考慮本研究項(xiàng)目的地下室尺寸，在長(zhǎng)度方向上，按照50m一個(gè)間隔設(shè)置一道膨脹混凝土加強(qiáng)帶，加強(qiáng)帶的預(yù)留寬度為2.0m[10]。C35膨脹混凝土的膠凝材料用量為390～430kg/m³，粉煤灰摻量為15%～25%，礦粉摻量為10%～20%，砂率為38%～43%。確定C35膨脹混凝土的配合比為水泥310kg/m³、水160kg/m³、骨料1700kg/m³、粉煤灰70kg/m³、礦粉36kg/m³、WPA膨脹劑42kg/m³[11]。

建筑工程膨脹混凝土加強(qiáng)帶構(gòu)造如圖1所示。在施工膨脹混凝土加強(qiáng)帶時(shí)，為提高膨脹混凝土加強(qiáng)帶與非加強(qiáng)帶的過(guò)度連續(xù)性和防水等級(jí)，在兩側(cè)先行澆筑的混凝土中各預(yù)埋1道鋼板止水帶，并在非加強(qiáng)帶區(qū)域兩側(cè)設(shè)置鋼板拉網(wǎng)，防止兩側(cè)低標(biāo)號(hào)的混凝土侵入非澆筑區(qū)域[12]。

隨后對(duì)膨脹混凝土加強(qiáng)帶的鋼筋進(jìn)行綁扎。為了更好地分析膨脹混凝土加強(qiáng)帶施工時(shí)的溫度變化和應(yīng)力變化，在綁扎鋼筋時(shí)可同時(shí)預(yù)埋敷設(shè)測(cè)溫元件。鋼筋綁扎完成后，對(duì)加強(qiáng)帶兩側(cè)支模板，澆筑各個(gè)區(qū)塊的非加強(qiáng)帶混凝土，2d后進(jìn)行膨脹加強(qiáng)帶的澆筑施工。

澆筑前對(duì)混凝土的塌落度進(jìn)行控制，保證塌落度的范圍在（140±20）mm。確保預(yù)留的膨脹混凝土加強(qiáng)帶內(nèi)干凈無(wú)雜質(zhì)，對(duì)其中的泥土、鋸末等進(jìn)行清理，并提前放好保護(hù)層墊塊。加強(qiáng)帶混凝土的澆筑原則，遵循“薄層澆筑、一次完成”的連續(xù)作業(yè)方式。隨后采用插入式振搗泵，對(duì)混凝土進(jìn)行振搗作業(yè)，振搗時(shí)振動(dòng)點(diǎn)離兩側(cè)鋼絲網(wǎng)應(yīng)保持30cm以上的距離。膨脹混凝土加強(qiáng)帶在澆筑完成后，采取恰當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施使其充分水化，保證混凝土表面在充分濕潤(rùn)的條件下養(yǎng)護(hù)28d方可進(jìn)行模板拆除。

3? ?膨脹混凝土加強(qiáng)帶施工溫度場(chǎng)控制

為了研究膨脹混凝土加強(qiáng)帶的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，本文借助有限元分析程序ABAQUS軟件建立數(shù)值仿真分析模型，計(jì)算時(shí)考慮硬化過(guò)程混凝土彈性模量變化的影響。加強(qiáng)帶膨脹混凝土采用C35膨脹混凝土，各齡期的彈性模量如表1所示。

圖2為膨脹混凝土加強(qiáng)帶不同厚度處的峰值溫度仿真計(jì)算結(jié)果。從圖2中可以看出，隨著板厚度的增加，膨脹混凝土加強(qiáng)帶的峰值溫度呈現(xiàn)明顯的對(duì)數(shù)增長(zhǎng)特征，其擬合系數(shù)為0.9393，擬合關(guān)系式如公式（1）所示。

t=10.264ln（h）-7.487（1）

式中：t為膨脹混凝土加強(qiáng)帶的峰值溫度，單位為℃；h為膨脹混凝土加強(qiáng)帶板厚度，單位為mm。

圖3為膨脹混凝土加強(qiáng)帶不同厚度處溫度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果。從圖3中可以看出，隨著時(shí)間的增加，不同厚度處膨脹混凝土加強(qiáng)帶的變化呈現(xiàn)3個(gè)不同的變化階段，分別是快速增加階段（階段Ⅰ）、快速降低階段（階段Ⅱ）和穩(wěn)定變化階段（階段Ⅲ）。

在膨脹混凝土加強(qiáng)帶溫度的快速增加階段，溫度的曲線表現(xiàn)為非線性增加。這個(gè)階段的混凝土內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)放熱，因此其溫度升高較快，并在第7d達(dá)到溫度的峰值。而后快速降低階段，膨脹混凝土加強(qiáng)帶的溫度也呈現(xiàn)非線性降低，表現(xiàn)為混凝土內(nèi)部熱量不斷向周圍環(huán)境釋放。在達(dá)到一定的時(shí)間后（24d后），膨脹混凝土加強(qiáng)帶的溫度趨于穩(wěn)定和收斂，混凝土內(nèi)外溫度與環(huán)境溫度一致。

從圖1還可以看出，膨脹混凝土加強(qiáng)帶的溫度峰值在板厚300mm、600mm和1200mm處依次增大，而在穩(wěn)定變化階段（階段Ⅲ），不同板厚位置處的溫度一致。由此表明，膨脹混凝土加強(qiáng)帶的溫度場(chǎng)變化有明顯的時(shí)空變化性，在空間上表現(xiàn)為梯度降低特性，在時(shí)間上表現(xiàn)為溫度趨同性特征。

4? ?加強(qiáng)帶設(shè)置間距對(duì)溫度應(yīng)力的影響

為了研究膨脹混凝土加強(qiáng)帶設(shè)置間距對(duì)溫度應(yīng)力的影響，分別設(shè)置5種不同計(jì)算工況，間隔分別為25m、50m、100m、200m，得到地下室底板的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖4和圖5所示。

從圖4中可以看出，隨著時(shí)間的增加，不同膨脹混凝土加強(qiáng)帶設(shè)置間距的板溫度最大應(yīng)力呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，即在5d內(nèi)呈現(xiàn)先非線性增加，達(dá)到峰值后，則呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，最大應(yīng)力減小速率明顯小于增加的速率。膨脹混凝土加強(qiáng)帶設(shè)置間距為200m、100m、50m和25m的最大應(yīng)力峰值，分別為1.1MPa、0.8MPa、0.5MPa和0.3MPa。在相同的時(shí)間內(nèi)，板的最大應(yīng)力，按膨脹混凝土加強(qiáng)帶設(shè)置間距為200m、100m、50m和25m的順序依次減小。由此表明，減小膨脹混凝土加強(qiáng)帶的間隔，可以有效減小最大應(yīng)力。

從圖5中可以看出，隨著時(shí)間的增加，不同膨脹混凝土加強(qiáng)帶設(shè)置間距的板溫度最小應(yīng)力呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，即在5d內(nèi)呈現(xiàn)先非線性增加，達(dá)到峰值后，則呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，最小應(yīng)力減小的速率明顯小于增加的速率。膨脹混凝土加強(qiáng)帶設(shè)置間距為200m、100m、50m和25m的最小應(yīng)力峰值，分別為0.55MPa、0.40MPa、0.22MPa和0.10MPa。在相同的時(shí)間內(nèi)，板的最小應(yīng)力，按膨脹混凝土加強(qiáng)帶設(shè)置間距為200m、100m、50m和25m的順序依次減小。由此表明，減小膨脹混凝土加強(qiáng)帶的間隔，可以有效減小最小應(yīng)力。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文以鄭州市某安置房項(xiàng)目地下室膨脹混凝土加強(qiáng)帶施工為研究對(duì)象，結(jié)合膨脹混凝土加強(qiáng)帶施工技術(shù)，運(yùn)用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)手段，研究膨脹混凝土加強(qiáng)帶的溫度場(chǎng)變化規(guī)律，達(dá)到溫度應(yīng)力和溫度裂縫控制目的，得到以下結(jié)論：

仿真結(jié)果表明，隨著板厚度的增加，膨脹混凝土加強(qiáng)帶的峰值溫度呈現(xiàn)明顯的對(duì)數(shù)增長(zhǎng)特征，其擬合系數(shù)達(dá)到0.9393。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，隨著時(shí)間的增加，不同厚度處膨脹混凝土加強(qiáng)帶的變化呈現(xiàn)3個(gè)不同的變化階段，分別是快速增加階段（階段Ⅰ）、快速降低階段（階段Ⅱ）和穩(wěn)定變化階段（階段Ⅲ）。板的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力在5d內(nèi)均呈現(xiàn)先非線性迅速增加，達(dá)到峰值后，則呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，減小的速率明顯小于增加的速率；減小膨脹混凝土加強(qiáng)帶的間隔，可以有效減小板的最大和最小應(yīng)力。

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