大体积混凝土板式结构裂缝控制应用技术研究

2022-10-02刘拼徐智丹张登科郭城瑶王丙垒刘湧

新型建筑材料 2022年9期

刘拼，徐智丹，张登科，郭城瑶，王丙垒，刘湧

（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北武汉 430082；2.武汉源锦商品混凝土有限公司，湖北武汉 430050）

0 引言

在现代工程建设中，基于越来越来多的医疗技术需求，医院项目逐步配套建设有直线加速器、回旋加速器等特殊功能的混凝土结构区域，如深圳市龙岗区平湖医院直线加速器机房[1]、淄博市中心医院西院区一期病房楼和肿瘤中心工程加速器室[2]、合肥离子医学中心直线加速器和质子区、广州泰和肿瘤医院质子机房和直线加速器机房、莆田市妈祖重离子医院等，这些混凝土结构需依靠自身的密度和厚度承担防辐射功能。因此这些功能性区域普遍采用大体积混凝土结构，但大体积混凝土因胶凝材料水化释放的水化热不易散发，混凝土结构整体无法同步升温和同步降温，且由内至外温度变化非线性，导致结构内外温差过大，在约束条件下易产生温度裂缝。

当前，直线加速器、回旋加速器等特殊功能的混凝土结构区域在设计时要求不允许出现贯穿性裂缝以防止辐射对人体的伤害；在施工中，对混凝土原材料情况、胶凝材料（特别是水泥）的水化热程度、浇筑温度、降温方式及速率、养护制度、施工工艺、气候条件等因素进行综合考虑，以制定施工方案和计划；同时，基于补偿收缩混凝土技术采用混凝土膨胀剂配制补偿收缩混凝土，提高混凝土抗裂性能。MgO膨胀剂具有延迟性膨胀特性，且水化产物稳定、膨胀稳定、膨胀过程可调控设计等，已在大体积混凝土结构中应用，并取得了良好的应用效果[3-8]。

在江西省某医院项目直线加速器侧墙建设过程中，采用MgO膨胀剂配制补偿收缩混凝土，结合水平分层间歇法，同时有效把控施工过程，取得了良好的应用效果。基于此，该项目直线加速器顶板施工时借鉴经验，探究了大体积混凝土板式结构在施工过程中的温度应变情况和应用效果。

1 试验

直线加速器位于医院地下一层、内部区域，顶板长35 m、宽11.9 m，厚度0.8、1.2、3.0 m，其中厚度3.0 m区域平面尺寸为12.5 m×4.6 m，如图1、图2所示。顶板采用掺加MgO膨胀剂配制的C35P6补偿收缩混凝土，采用水平分层间歇法沿板厚方向分层施工，第1次施工厚度1.8 m（-2.300～-0.500 m）、第2次施工厚度1.2 m（-0.500～0.700 m），2次浇筑间隔约7 d。

1.1 混凝土原材料及配合比

水泥：南昌海螺P·O42.5，比表面积380 m2/kg；粉煤灰：江西益材F类Ⅱ级，细度（45 μm方孔筛筛余）＜30%；膨胀剂：武汉三源MgO，活性120 s，细度（80 μm方孔筛筛余）＜5%，符合CBMF 19—2017《混凝土用氧化镁膨胀剂》的要求，MgO含量83.94%，CaO含量4.45%，烧失量3.26%；粗骨料：新干碎石厂碎石，5.0～31.5 mm连续粒级和5.0～25 mm连续粒级混合使用（质量比约1∶2），含泥量＜1%；细骨料：赣江中砂，机制砂与河砂混合使用（质量比约1∶1），细度模数2.3～3.0，含泥量＜3%；减水剂：市售聚羧酸系减水剂，减水率约25%、固含量25%；水：自来水，符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》的要求。

在满足设计要求和工作性能的前提下，C35P6混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（MgO膨胀剂）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（减水剂）=325∶80∶36∶778∶940∶168∶13.7，混凝土拌合物坍落度控制在（180±30）mm。

1.2 试验方案

直线加速器顶板具有对称性，仅在一侧布置测点，即顶板短边对称轴线为测试区设置3个测位，分别位于0.8 m厚顶板区域（编号1#）、1.8 m厚顶板区域（编号2#）和3.0 m厚顶板区域（编号3#）；每个测位沿板厚方向设置3个测点，分别为板表层（距离板顶面50 mm）、板厚中心和板底层（距离板底面50 mm），其中应变计测点3个、温度传感器的测点6个，顶板测点布置如图3、图4所示。顶板第1次浇筑时，浇筑后1.0～5.2 d监测1次/h、5.2～8.2 d监测1次/2 h；第2次浇筑时，8.2～9.3 d监测1次/2 h、9.3～16.3 d监测1次/6 h、16.3～33.1 d监测1次/2 h、33.1～46.7 d监测1次/1 d。

1.3 混凝土施工过程控制

直线加速器顶板采用水平分层间歇法施工，水平施工缝留设在顶板标高-0.500 m处，即第1次浇筑厚度1.8 m、第2次浇筑厚度1.2 m。

顶板长35 m、宽11.9 m、厚1.8 m，历时12 h浇筑完毕，环境温度29～37℃；施工机械有1台62 m天泵、1台地泵和2台振捣棒；混凝土入模温度32～39℃，分层浇筑，一次下料厚度约0.5 m；浇筑至计划标高-0.500 m后，抹面覆盖薄膜养护；顶面覆盖薄膜洒水+毛毡保温保湿养护14 d以上，侧面浇筑后次日拆模、未采取有效的保温保湿措施。

（2）顶板第2次施工厚度1.2 m（-0.500～0.700 m）

顶板（2块）长12.5 m、宽4.6 m、高1.2 m，历时5 h浇筑完毕，环境温度26～34℃；施工机械有1台62 m天泵和1台振捣棒；入模温度28～35℃，混凝土分层浇筑，第1层下料厚度0.6～0.7 m，第2层下料厚度0.5～0.6 m；顶板顶面振捣抹平后覆盖薄膜毛毡养护，保温保湿养护28 d以上。顶板侧面带模养护约2.5 d，未采取有效的保温保湿措施。

2 结果与分析

2.1 混凝土温度变化分析

2.1.1 3.0 m厚顶板

3.0 m厚顶板温度变化历程如图5所示。

由图5（a）可知：（1）底层和顶层温度历程基本为升温阶段和降温阶段，底层温峰值67.5℃（混凝土覆盖点位后约50 h出现）、顶层温峰值60.9℃（混凝土覆盖点位后约14 h出现）；3.0 m厚顶板的厚度中心（3#-中）位于水平施工缝下方300 mm，其温度历程与文献[9]中墙体厚度中心处的温度变化历程相似，即可分为4个阶段：升温阶段、降温阶段、二次升温阶段和二次降温阶段，有2个峰值点且第1次峰值67.2℃（混凝土覆盖点位后约16 h出现）、第2次峰值64.6℃（施工缝上方1.2 m厚顶板浇筑后约90 h出现），由于水平分层浇筑间隔约7 d，后浇筑的1.2 m厚顶板混凝土通过热传导至已浇筑的1.8 m厚顶板内的热量相对于3#-中处散失的热量少，故第2次温峰值低于第1次温峰值；3#-中第2次温峰过后，降温速率小于2℃/d，这是由于3#-中位于结构内部，热交换方式为热传导，热量散失相对缓慢；（2）第1次浇筑时，3#-中位于水平施工缝下方300 mm、水平施工缝处平面在浇筑完成后覆盖薄膜和洒水养护措施；3#-底位于板底上表面50 mm处，板底模板且板下方为直线加速器内部空间、热对流相对裸露表面差，因此3#-底温峰略大于3#-顶、单位时间内的降温幅度小于3#-顶；（3）根据3#-中和3#-顶的温度历程可知，距离顶板顶面越近，温度越低，温峰到达的时间越早。

数值模拟方案以大庆油田萨中西区一类油层为研究对象，萨中西区试验区全区总面积为1.08km2，总井数18口，其中水井6口油井18口。平均砂岩厚度20.2m，平均有效厚度16.2m。地层平均有效渗透率 0.706μm2，原始地质储量为 262.41×104t，孔隙体积为 420.96×104m3[8]。

由图5（b）可知，3.0 m厚顶板厚度中心与板底层温差始终＜20℃。1.2 m厚底板未浇筑前，3#-中位于水平施工缝下方300 mm、靠近第1次浇筑板的表层，在温降阶段与环境温度的温差＞20℃；1.2 m厚底板浇筑后，3#-顶与环境温度的温差在3#-中第2次达到温峰之前已＜20℃，并在3#-中第2次达到温峰之后温差持续减小，3#-中达到第2次温峰后与3#-顶的温差＞25℃并持续约2.5 d、后浇筑的1.2 m厚顶板在此期间将受到较大的温度应力作用，这是由于3#-顶为表层测点、通过与外界环境热对流使得结构表层热量散失相对较快并持续散热。

2.1.2 1.8 m厚顶板

1.8 m厚顶板温度变化历程如图6所示。

由图6（a）可知：（1）底层、板厚中心和顶层温度历程基本为升温阶段和降温阶段，厚度中心温度＞底层温度＞顶层温度，底层温峰值69.5℃（混凝土覆盖点位后约24 h出现）、厚度中心温峰值85.4℃（混凝土覆盖点位后约31 h出现）、顶层温峰值51.5℃（混凝土覆盖点位后约14 h出现），板顶层温峰出现的时间早于板厚中心和板底层；（2）1.8 m厚顶板底层和板厚中心降温速率均大于2℃/d，且板厚中心的降温幅度明显大于底层，可能是板底模板且下方为直线加速器内部空间、热对流相对裸露表面差，顶板内部热量优先向热量散失快的顶板传递。

由图6（b）可知，1.8 m厚顶板厚度中心与板底层温差＜厚度中心与板顶层温差，这是由于板顶层和底层所处的外界环境有差异、与外界环境的热对流强度不同，板顶层与外界环境热对流强烈、热量的散失快于板底层；板厚度中心与板底层的温差、板顶层与环境温度的温差均＜20℃，而板厚中心与板顶层的温差（里表温差）在板厚中心温峰附近及温峰过后持续约8.6 d＞25℃且自板厚中心温峰开始持续约2.8 d里表温差在37～41.4℃、在此期间结构内部与顶层存在较大的温度梯度。

2.1.3 0.8 m厚顶板

0.8 m厚顶板温度变化历程如图7所示。

由图7（a）可知：（1）底层、板厚中心和顶层温度历程基本为升温阶段和降温阶段，板表层温度较板厚度中心或板底层低、其温峰值52.5℃（混凝土覆盖点位后约20 h出现），板厚度中心和板底层温峰值均为66.8℃（分别在混凝土覆盖点位后约20 h、约32 h出现）；（2）0.8 m厚顶板底层和板厚中心降温速率均大于2℃/d，且板厚中心的降温幅度明显大于底层，可能原因同1.8 m区域板。

由图7（b）可知，板顶层温峰时刻表环温差为20.9℃、其余均＜17℃；板厚中心与板顶层温差、板厚中心与板底层温差均＜20℃，其中前4 d板厚中心与板顶层温差＞板厚中心与板底层，温差基本不受温度应力影响。

2.1.4 不同厚度顶板厚度中心温度变化情况

对比图5（a）、图6（a）和图7（a）可知，3.0、1.8、0.8 m厚度顶板厚度中心温度峰值情况为：2#-中（1.8 m厚）最高、1#-中（0.8 m厚）略低于3#-中（3.0 m厚）第1次峰值、略高于其第2次峰值，3.0 m厚顶板厚度中心温峰相对较小，这是因为3.0 m厚顶板采用水平间歇法施工且间歇时间7 d，使厚度中心处热量散失、且后浇筑的混凝土通过热传导传至3.0 m板厚中心的热量相对散失的热量少。采用水平分层间歇法施工且间歇7 d，可降低大体积混凝土结构厚度中心的温度。

2.2 混凝土应变变化分析

3.0 m厚顶板板厚中心及顶层应变变化曲线分别见图8、图9，1.8 m厚顶板板厚中心应变变化曲线见图10。

由图8可知，3.0 m厚顶板厚度中心（3#-中）应变变化曲线形状与其对应的温度变化相似，出现2个峰值，历时约27 h达到第1个峰值508 με、历时约271 h达到第2个峰值431 με，第1个峰值大于第2个峰值；结构内部混凝土温度引起的膨胀变形占主导地位，应变变化趋势受水化热影响较大。监测停止时，混凝土的应变为61 με。

由图9可知，3.0 m厚顶板顶层应变变化历程基本为应变增长和应变收缩，其中历时约18 h达到峰值207 με；当表层温度与环境温度相差不大时，板顶层持续收缩。根据文献[10]可知，大体积混凝土控制收缩裂缝的关键是在浇筑后2周～1个月，此期间干燥收缩量约占20年收缩量的34%以上；监测停止时混凝土应变在-44 με处波动。

由图10可知，1.8 m厚顶板板厚中心应变变化历程基本为应变增长和应变收缩，其中历时约33 h达到峰值433 με；当中心温度与环境温度差不多时，板厚中心持续收缩，监测停止时混凝土应变在16 με处波动。

对比图8和图10可知，尽管1.8 m顶板区域板厚中心温度高（85.4℃），但1.8 m厚顶板厚度中心的应变峰值（433 με）小于3.0 m厚顶板厚度中心第1个应变峰值（508 με）、略大于3.0 m厚顶板厚度中心第2个应变峰值（431 με）。3.0 m顶板水平分层浇筑，1.2 m厚顶板未浇筑前3#-中位于水平施工缝下方300 mm处，除了混凝土因热胀冷缩而发生的温度变形和氧化镁材料水化反应产生的膨胀变形外，由于第1次温升阶段3#-中温度相较于已浇筑的1.8 m厚部分混凝土的内部温度低，故相对于1.8 m厚顶板厚度中心还可能有内部膨胀变形对其产生的拉应力。

3 应用效果

第1次施工厚度1.8 m顶板浇筑完成后第2 d立即拆除侧面模板，第3 d侧面出现裂缝；第2次施工厚度1.2 m顶板浇筑完成后带模养护约2.5 d，拆模后侧面出现裂缝。直线加速器顶板浇筑完成后20 d，对其进行裂缝排查，直线加速器顶板裂缝均出现在侧面、共计59条，裂缝分布见图11和图12（图中仅显示裂缝的位置），裂缝均为竖直走向、平均长度为1～1.5 m，裂缝大多数宽度在0.08～0.15 mm。

结合图5（b）和图6（b）可知，板厚中心温峰附近或温峰过后里表温差＞25℃、顶板表层（板顶面以下50 mm处）与环境的温差＜20℃，此时顶板因温度变化具有产生温降收缩的风险。由于顶板浇筑完成后，顶面覆盖薄膜毛毡养护及洒水养护持续14 d以上，MgO膨胀剂水化反应提供有效膨胀能并辅以保温保湿措施可补偿混凝土的温降收缩和干燥收缩等，顶面应用效果良好；但顶板浇筑完后，侧面未采取有效的保温措施且保湿养护措施不到位，在浇筑后的2周内混凝土氧化镁材料仅能抵抗混凝土的部分收缩，忽视了补偿收缩混凝土与养护等其他辅助措施协调的质量管理控制[11-13]。