高层建筑基础中大体积混凝土施工裂缝的预控措施

2011-11-04曹涯

大众科技 2011年4期

关键词：温差水化体积

曹涯

（中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司，广西南宁 530007）

高层建筑基础中大体积混凝土施工裂缝的预控措施

曹涯

（中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司，广西南宁 530007）

对大体积混凝土的概念、特点及施工裂缝原因较为详细的分析，提出了控制和防止裂缝的一些有效措施,为大体积混凝土施工总结经验，对工程技术管理人员有一定的借鉴作用。

高层建筑；大体积混凝土；裂缝；预控措施

随着科学技术的不断进步，物质文明的极大提高及建筑施工技术水平的日臻成熟完善，同时，也因土地资源日渐减少与人口增长之间日益突出的矛盾，高层建筑也越来越多。而高层建筑基础中大体积混凝土施工裂缝的出现对工程结构存在极大的安全隐患，故迫切解决的问题就是如何控制大体积混凝土的施工裂缝。

（一）大体积混凝土的概念、特点及裂缝原因

大体积混凝土是指厚度大于或等于1.5m，长、宽较大，施工时水化热引起混凝土内的最高温度与外界温度之差不低于25℃的混凝土结构。大体积钢筋混凝土结构多为工业建筑中的设备基础及高层建筑中厚大的桩基承台、箱形基础、地下室底板和结构转换层等。

大体积混凝土的特点是混凝土浇筑面和浇筑量大，整体性要求高，往往不允许留施工缝，要求一次连续浇筑完毕。另外，浇筑后水泥的水化热量大且聚集在构件内部，形成较大的内外温差，易造成混凝土表面产生收缩裂缝等。

其特征是结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂，施工技术要求高；水泥水化热使结构产生温度和收缩变形；应采取相应的措施，尽可能减少温度变形引起的开裂。

大体积混凝土施工裂缝在高层建筑底板基础中经常可以见到，经验及检测证实了大体积混凝土和钢筋混凝土结构中存在着肉眼不可见的裂缝。也就是说没有裂缝的混凝土几乎没有。因此，施工中预控方法是相当重要的。常见裂缝主要有以下三种类型：1.粘着裂缝。指钢筋与水泥石粘接面上的裂缝，主要沿钢筋周围出现；2.水泥石裂缝。指水泥浆中的裂缝，主要出现在钢筋与钢筋之间；3.钢筋骨料裂缝。指钢筋或者骨料等本身的裂缝。

这三种裂缝比较，前两种较多，大体积混凝土的裂缝主要指前两种，它们的存在对于大体积混凝土的基本物理力学性质如弹塑性、各种强度、变形、泊松比、结构刚度、化学反应等有着重要的影响。大体积混凝土裂缝产生的原因可按其构造理论加以解释，即把混凝土看做是由钢筋、水泥石、气体、水份等组成的非均质材料，在温度、湿度和其他条件变化下，混凝土逐步硬化，同时产生体积变形，这种变形是不均匀的，水泥石收缩较大，钢筋收缩很小，水泥石热膨胀系数较大，钢筋热膨胀系数较小，他们之间的相互变形引起约束应力。在构造理论中提出了一种简单的计算模型，即假定圆形钢筋不变形且均匀分布于均质弹性水泥石中，当水泥石产生收缩时引起内应力，这种应力可引起粘着微裂缝和水泥石裂缝，混凝土的裂缝肉眼是看不见的，肉眼可见裂缝范围一般以0.05mm为界。大于等于0.05mm的裂缝称为宏观裂缝，它是裂缝扩展的结果，也是对工程结构危害最大的裂缝。

造成大体积混凝土施工裂缝的根本原因是混凝土的内外温差。温度影响有施工期的升温和降温两个过程，从而产生温差内应力的作用。由于水泥砂浆与钢筋热膨胀系数的不同，在升温过程中温度荷载作用下水泥砂浆与钢筋所形成的界面首先产生损伤，并随温度增加而发展。当温度降低时即产生混凝土的收缩而出现施工裂缝。

（二）大体积混凝土裂缝产生的主要影响因素

大体积混凝土温度在凝结硬化过程中，水泥进行水化反应会产生大量的水化热。强度增长初期，属于升温阶段，水化热产生越来越多，蓄积在大体积基础混凝土内部，热量不易散失，致使内部混凝土温度越来越多，由于大体积基础外部散热条件要好一些，其温度上升较内部混凝土而言要缓慢一些，从而在内外混凝土之间形成温差，此温差导致内外混凝土变形程度不一致，内部混凝土受压，外部混凝土受拉，由于混凝土抗压强度远远高于抗拉强度，故当温差超过一定程度后，就易拉裂外表混凝土，即在混凝土表面形成裂缝。

当混凝土内部温升达到最高值后，温度就开始下降，此阶段属于降温阶段。降温阶段，混凝土体积开始收缩，但其收缩又受到基岩或混凝土垫层的约束，从而在混凝土块体内产生拉应力。一旦拉应力超过混凝土的极限抗拉强度，便在基础底部产生裂缝，若温度应力继续增大，裂缝向上延伸，直至贯穿裂缝。就将严重破坏结构的整体性，对于基础的承载能力和安全极为不利，在工程施工中必须避免。

大体积混凝土由于截面大，水泥用量大，水泥水化释放的水化热会产生较大的温度变化，由此形成的温度应力是导致产生裂缝的主要原因。这种裂缝可分为两种：

1.内外温差引起的裂缝

（1）内外温差引起的拉伸裂缝

大体积混凝土浇筑初期，水泥水化产生大量水化热，使大体积混凝土的温度很快上升。但由于大体积混凝土表面散热条件较好，热量可以向大气中散发，因而温度上升较少；而大体积混凝土内部由于散热条件较差，热量散发少，因而温度上升较多，内外形成温度梯度，形成内外约束。

（2）内外温差引起的收缩裂缝

大体积混凝土浇筑后数日，水泥水化热基本上已释放，大体积混凝土从最高温逐渐降温，降温的结果引起大体积混凝土收缩，再加上由于大体积混凝土中多余水份蒸发、碳化等引起的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束（外约束），不能自由变形，导致产生温度应力（拉应力），当该温度应力超过大体积混凝土抗拉强度时，则从约束面开始向上开裂形成温度裂缝。如果该温度应力足够大，严重时可能产生贯穿裂缝。

大体积混凝土施工阶段产生的温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果。一方面是大体积混凝土由于内外温差产生应力和应变，另一方面是结构的外约束和大体积混凝土各质点间的约束（内约束）阻止这种应变。一旦温度应力超过大体积混凝土能承受的抗拉强度，就会产生裂缝。此大体积混凝土温度应力的大小取决于水泥、水化热、拌合浇筑温度、大气温度、收缩变形及当量温度等因素，同时它与大体积混凝土的降温散热条件和升降温速密切相关的，而大体积混凝土抗拉强度的提高与大体积混凝土本身材料性能有关，此外还与施工方案及配筋等因素有关。

2.水泥水化热作用产生的裂缝

水泥在水化过程中要产生一定的热量，是大体积混凝土内部热量的主要来源。由于大体积混凝土截面厚度大，水化热聚集在结构内部不易散失，所以会引起急骤升温。水泥水化热引起的绝热温升，与混凝土单位体积内的水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄期按指数关系增长，一般在10d左右达到最终绝热温升，但由于结构自然散热，实际上混凝土内部的最高温度，大多发生在混凝土浇筑后的3～5d。

外界气温变化。大体积混凝土结构施工期间，外界气温的变化对大体积混凝土开裂有重大影响。大体积混凝土的内部温度是浇筑温度（即大体积混凝土的入模温度，它是大体积混凝工水化热温升的基础，可以预见，大体积混凝土的入模温度越高，它的热峰值也必然越高。工程实践中在高温季节浇筑常采用钢筋预冷，加冰拌和等措施来降低浇筑温度，控制大体积混凝土最高温升，原因在此）。水化热的绝热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和。

（三）大体积混凝土的施工方案

大体积混凝土结构的施工方案，可分为全面分层、分段分层和斜面分层三种方案。

1.全面分层（图1a）。在整个结构内全面分层浇筑混凝土，要做到第一层全部浇筑完毕，在初凝前再回来浇筑第二层，如此逐层进行，直到浇筑完成。采用此方案，结构平面尺寸不宜过大，施工时从短边开始，沿长边进行。必要时亦可从中间向两端或从两端向中间同时进行。

2.分段分层（图1b）。混凝土从底层开始浇筑，进行一定距离后回来浇筑第二层，如此依次向前浇筑以上各层。每段的长度可根据混凝土浇筑到末端后，下层末端的混凝土还未初凝来确定。分段分层浇筑方案适用于厚度不太大而面积或长度较大的结构。

3.斜面分层（图1c）。适用于结构的长度超过厚度3倍的情况，斜面坡度为1：3，施工时混凝土的振捣工作应从浇筑层下端开始，逐渐上移，以保证混凝土施工质量。

图1 大体积混凝土浇筑方案

（四）大体积混凝土裂缝预控措施

1.防治温度的措施

温度应力是产生温度裂缝的根本原因，一般将温差控制在25℃范围内，不会产生温度裂缝。工程施工可采用以下措施来控制内外温差。

（1）选用水化热较低的水泥，如矿渣水泥、火山灰质水泥或粉煤灰水泥；

（2）在保证混凝土强度的条件下，尽量降低每立方米混凝土的用水量和水泥用量；

（3）为了减少水泥用量，提高混凝土的和易性，可在混凝土中掺入适量的矿物掺量，如粉煤灰等，也可采用减水剂；

（4）粗骨料宜选用粒径较大的卵石，应尽量降低砂石的含泥量以减少混凝土的收缩量；

（5）尽量降低混凝土的入模温度，可在砂、石堆场、运输设备上搭设简易遮阳装置或覆盖草包等隔热材料，采用低温水或冰水拌制混凝土；

（6）尽量延长混凝土的浇筑时间，以便在浇筑过程中尽量多地释放出水化热。可在混凝土中掺加缓凝剂，尽量减薄浇筑层厚度等；

（7）对表层混凝土做好保温措施，以减少表层混凝土热量的散失，降低内外温差；

（8）必要时可在混凝土内部埋设冷却水管，利用循环水来降低混凝土温度；

（9）从混凝土表层到内部设置若干个温度观测点，加强观测，一旦出现温差过大的情况，便于及时处理；

此外，改善混凝土的性能，提高抗裂能力，加强养护，防止表面干缩，特别是保证混凝土的质量对防止裂缝十分重要，应特别注意避免产生贯穿裂缝，出现后要恢复其结构的整体性十分困难，因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。

2.施工措施

由于混凝土搅拌运输时间过长、浇筑速度过快、振捣不实、施工缝做法不当、模板走动等原因形成的施工裂缝。加强施工管理，严格按照《混凝土施工规范》施工，把好混凝土拌制、运输、浇筑、振捣、养护等施工过程关，注意成品保护及重视施工技术的应用，而设置施工缝是关键。对已出现这类裂缝的构件处理，可按裂缝所在的部位以及裂缝严重的程度，分别采用一般混凝土裂缝补强措施或采用充填混凝土材料、钢锚栓加固、粘钢板加固、预应力加固等补救措施。

3.施工技术综合措施

通过采取合理研配混凝土配合比、斜面分层一次浇筑施工方法、浇筑混凝土后的收头处理措施、混凝土表面贮水蓄热保温保湿养护等措施以及测温控制。此外，在施工期间设置作为临时伸缩缝的“后浇带”，将结构分成若干段，以有效削减温度收缩应力。待所浇筑的混凝土经一段时间的养护干缩后，再在后浇带中浇筑补偿收缩混凝土，使分块的混凝土连成一个整体。因此，选择表面贮水热保温保湿养护、斜面分层浇筑方案、设置后浇带等综合的施工技术措施，对控制大体积混凝土的施工裂缝也是非常有效的。