基础大体积混凝土裂缝控制技术应用分析
时间：2022-12-09 16:35:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
袁 奇 殷 凯 吴仲震 傅书山
大体积混凝土是指混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m，或预计浇筑后因温度变化和收缩可能导致有害裂缝产生的混凝土[1]。在工程基础部位，由于混凝土工程量大，需要一次浇筑完成，且后期养护作业难度大，因此混凝土结构很容易出现裂缝。为了进一步提高施工质量，达到规范和设计要求，现场施工中必须采取科学的裂缝控制技术，以下结合实践进行探讨。
1.1 温度裂缝
混凝土在凝结过程中，水泥会产生水化热，导致混凝土结构内部温度升高，内外温差作用下结构表面出现拉应力，一旦拉应力超过混凝土自身抗裂能力，即出现裂缝。此外，混凝土内部湿度变化小，表面湿度变化大，也会引起温度裂缝。
1.2 收缩裂缝
收缩裂缝的形成主要有以下3 种情况。一是干燥收缩。混凝土在硬化过程中，由于水分蒸发以及水泥产生水化热，自身体积会不断缩小，产生自应力致使裂缝形成。二是塑性收缩。混凝土浇筑完成后，处于塑性状态时发生收缩，表面水分蒸发，局部应力增大，当蒸发速度超过泌水速度，就会形成塑性收缩开裂。三是碳化收缩。在碳化作用下，混凝土中的游离态水会蒸发，引起浆体收缩而产生裂缝。
1.3 沉降裂缝
沉降裂缝多是不良地基、回填不密实、不均匀沉降引起的。例如，在冬季施工时，模板支撑在冻土层上，随着外界温度升高，冻土解冻后会出现不均匀沉降，导致混凝土产生裂缝。
2.1 优选材料
水泥水化热引起的温度应力是造成混凝土裂缝的一个重要原因。在混凝土拌制过程中，选择合适的外加剂或掺合料可减少水泥用量，从而降低水化热，防止混凝土出现收缩裂缝，掺量一般控制在水泥用量的2%～5%[2]。本文选用粉煤灰、矿渣对比了不同掺量对水化热的影响，结果显示随着掺量增加，水化热随之减小。外加剂掺量对水泥水化热的影响如表1 所示。
表1 外加剂掺量对水泥水化热的影响
2.2 合理配筋
实际上，钢筋的导热性高于混凝土，在水化热相同的条件下，钢筋温度升高的速度比混凝土要快，因此在钢筋与混凝土接触部位易出现温度裂缝。可采取以下措施：一是在满足混凝土结构强度的前提下适当减小配筋率，提高混凝土的整体密实性；
二是在预留孔洞、阴阳角等部位设置构造筋，使构造筋与混凝土共同承担拉应力，有效防止裂缝出现，且钢筋绑扎质量必须满足规范要求。钢筋绑扎质量控制项目如表2 所示。
表2 钢筋绑扎质量控制项目
2.3 提升混凝土性能
混凝土本身的性能，不仅决定了基础结构的承载力，而且与裂缝的发生密切相关。大量实践证实，混凝土性能越差，出现裂缝、变形、蜂窝等病害缺陷的概率越高，因此提升混凝土性能有助于控制结构裂缝。结合大体积混凝土的施工特点，可以从以下几个方面提升混凝土性能。第一，根据浇筑施工需求配置混凝土，优化运输路线，防止长时间放置造成混凝土分层、离析、泌水。第二，控制好混凝土的出仓温度，尤其冬季寒冷天气中，施工温度应不低于30 ℃，既能保证混凝土的流动性，又能减小内外温差。第三，混凝土制备过程中，优化原来的工艺。例如，一次投料改变为二次投料，第一次投加水泥、砂、水和外加剂，拌匀后第二次投加碎石，能提高混凝土的密实度，减小内外温差[3]。
2.4 表面设置保温层
为了控制大体积混凝土的温度，可在结构表面设置保温层，同时敷设内置式冷水管，外表保温和内部降温同步进行，可显著减小混凝土结构的内外温差，理想状态下温差控制在10 ℃以内，避免出现温度裂缝[4]。目前，市场上的保温层材料多样，总热阻Rs的计算公式如下：
式中，hi代表第i层保温材料的厚度，mm；
λi代表第i层保温材料的导热系数，W/（m·K）；
β"μ代表混凝土在空气中的放热系数，J/（m3·h·K）。以最终计算结果为准，结合现场天气、环境温度合理选择保温材料，保证混凝土结构质量。
2.5 做好养护工作
养护是混凝土施工作业的最后一个环节，科学规范的养护工作也能控制混凝土结构的内外温差，最大程度降低裂缝发生的概率。以昼夜温差较大的季节为例，混凝土养护工作要点如下。第一，在混凝土表面覆盖薄膜，定时洒水保持湿润，既能起到保温效果，又能避免水分蒸发引起的干缩裂缝。第二，条件允许可使用温控装置，合理设置温控监测点，动态监测不同部位的温度变化。一旦内外温差超过阈值，装置会发出警报，提示养护人员进行温度调控。第三，为保证混凝土结构的质量，养护时间一般为14 d；
如果连续多天阴雨天气，还要适当延长养护时间[5]。
3.1 工程概况
某综合商务楼项目位于市中心，主要由1 栋办公楼和裙房组成，总占地面积为1.2 万m2，总建筑面积为7.4 万m2。其中，办公楼地上11 层，地下2 层，主体采用框剪结构，基础为筏板基础。根据设计要求，底板厚度为2.2 m，混凝土强度等级为C35，抗渗等级为P6，工程量约为2 700 m3，属于大体积混凝土工程。现场施工时，混凝土由商混站提供，一次性浇筑完成。
本项目施工中，混凝土结构裂缝的控制难度大，主要体现在以下3 个方面。第一，平面尺寸大。在变截面处易产生应力集中，难以进行温度控制。第二，混凝土浇筑量大。在有限时间内调配人机料，存在较多的风险因素，不利于裂缝控制。第三，混凝土外约束力大。底板下方是混凝土垫层，垫层下的防水层有摩擦力要求，混凝土收缩时的约束力较大，加大了裂缝发生风险。
3.2 裂缝控制设计措施
第一，增加温度钢筋。钢筋与混凝土的热膨胀系数接近，但前者的弹性模量更高，可在底板上表面、侧面设置双向温度钢筋网片，在应力集中、外形突变处设置构造筋。钢筋网片和构造筋的使用能够抑制底板裂缝的出现、扩展。第二，设置缓冲层。在高、低底板交接部位，使用厚30 ～50 mm 的聚苯乙烯泡沫塑料作为缓冲层，用来缓冲混凝土收缩时的侧向压力，从而控制温度裂缝出现。第三，避免应力集中。筏板基础结构的孔洞、转角部位，在温度变形、干缩变形的作用下会产生应力集中，容易出现裂缝。因此，本工程在孔洞周围配置钢筋网片，在转角部位设置抗裂钢筋，从而防止裂缝产生。
3.3 裂缝控制施工措施
第一，二次投料。混凝土制备过程中，采用二次投料净浆裹石新工艺，防止水分向水泥砂浆、碎石的界面集中，显著增强粘结强度，提高混凝土结构的密实度。试验证实，相比于传统混凝土投料工艺，该工艺将混凝土的强度提高10%，不仅增加了抗拉强度，而且减少了水泥用量，从而有效降低水化热。第二，二次振捣。二次振捣能消除塑性沉降引起的内分层，避免泌水留下的通道，改善骨料界面结构。振捣作业时，新浇筑的混凝土覆盖下层混凝土，此时二次振捣，将振捣棒插入下层混凝土50 mm，使新、旧混凝土之间形成一个整体，提高钢筋与混凝土之间的握裹力。第三，二次抹压。混凝土在终凝前进行二次抹压，使用木抹找平，反复搓磨2 ～3 次，提高混凝土表层的密度，防止出现收缩裂缝。辅助使用抹压机并控制好抹压机的运行可提高混凝土的表面强度，有效避免因水分蒸发引起的塑性裂缝。
3.4 混凝土温度监测
本项目施工期间，全程监测混凝土温度。在筏板基础上设置9 个监测点，其中A 点位于基础中心处，B 点为中心对应侧面，C 点为主风向处；
分别将此3点再细分，混凝土表层以下150 mm 处为1，中间为2，距离筏板底部150 mm处为3。在测温线顶部标注埋深信息，连续记录温度变化。温度监测作业中，主要分为2 个阶段：一是在混凝土浇筑时，检测入模温度；
二是在混凝土温度达峰后24 h，间隔6 h 测量一次，直至养护作业完成。统计监测结果并绘制折线图，观察混凝土温度变化特征。
为方便数据展示和分析，统计9 个监测点在第2 d、4 d、6 d、8 d、10 d、12 d、14 d的温度结果，如表3、图1所示。
表3 混凝土筏板基础的温度监测结果（单位：℃）
图1 9 个监测点在不同时间的温度变化情况（来源：网络）
3.5 裂缝控制效果
从图1 可以看出，浇筑后前4 d，混凝土温度持续增高；
浇筑后4 ～14 d，混凝土温度持续降低并趋于稳定。本基础施工完成后，未出现结构裂缝，施工质量达标。
大体积混凝土裂缝的主要类型有温度裂缝、收缩裂缝和沉降裂缝，裂缝形成的原因复杂多样。本文从优选材料、合理配筋、控制约束条件、提升混凝土性能、表面设置保温层以及做好养护工作6个方面，阐述了裂缝控制技术的应用，以期为同类工程提供参考。
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