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        基于主動設(shè)計(jì)的大體積混凝土基礎(chǔ)裂縫控制

        2009-03-12 09:29:38唐于衡張堯龍
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2009年1期
        關(guān)鍵詞:基礎(chǔ)設(shè)計(jì)大體積混凝土裂縫

        唐于衡 張堯龍

        摘 要:軟土地區(qū)的建筑物通常具有較大大體積的混凝土基礎(chǔ),其裂縫控制是人們關(guān)心的一個主要課題。結(jié)合工程實(shí)例,分析了調(diào)整混凝土設(shè)計(jì)與制備、優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和改善約束條件等大體積混凝土裂縫的主動設(shè)計(jì)控制方法。強(qiáng)調(diào)了優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在控制裂縫中的作用。

        關(guān)鍵詞:裂縫;大體積混凝土;主動控制;基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

        1 前 言

        軟土地區(qū)的建筑物基礎(chǔ)多有厚度較大的混凝土底板或承臺,這些都是體積較大的混凝土工程。當(dāng)混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在80㎝ 以上,水化熱引起混凝土內(nèi)部與表面的最高溫差預(yù)計(jì)超過25℃時,也就是通常指的大體積混凝土,其裂縫問題值得進(jìn)一步的關(guān)注。大體積混凝土基礎(chǔ)裂縫通常由以下幾方面引起:(1)澆注時混凝土內(nèi)外表面溫差過大引起較大的溫度應(yīng)力;(2)混凝土凝固降溫收縮受到地基的約束,至此產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力;(3)使用時結(jié)構(gòu)差異沉降過大或由上部結(jié)構(gòu)引起的次應(yīng)力過大。

        大體積混凝土基礎(chǔ)大都位于地下水位以下,其裂縫對建筑物的使用功能和使用壽命都會造成危害。裂縫的發(fā)展主要由外部作用和混凝土自身行為決定,本文結(jié)合工程實(shí)例從主動控制方面詳細(xì)分析減小大體積混凝土裂縫的措施,并對工程中大體積基礎(chǔ)混凝土的裂縫控制提出了建議。

        主動設(shè)計(jì)控制是指在設(shè)計(jì)、施工時,盡可能的主動減少混凝土工程中水泥水化熱的釋放總量、改善混凝土邊界約束條件、減少底板差異沉降等控制措施。

        2 調(diào)整混凝土設(shè)計(jì)與制備

        混凝土原材料及其配合比的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,合理的選用原材料是主動控制的關(guān)鍵之處。混凝土裂縫的一個主要原因是混凝土中水泥的水化熱在基礎(chǔ)中產(chǎn)生較大的溫度梯度,導(dǎo)致溫度應(yīng)力過大。

        首先,優(yōu)先選用水化熱低的水泥品種,可減少水化熱,使混凝土減少升溫。如選用425#礦渣水泥的3d水化熱為180kJ/kg,而425#普通硅酸鹽水泥的3d水化熱為250kJ/kg,水化熱可減少30%左右。其次,在強(qiáng)度滿足的條件下,盡量減少單位體積中的水泥用量。試驗(yàn)表明,單位體積中每減少10kg水泥,水化熱產(chǎn)生的混凝土升溫就會減小1℃左右。在粗骨料中,優(yōu)先采用粒徑較大的石子可以減少攪拌時的用水量,從而在水灰比一定的情況下減少水泥用量。砂宜采用中粗砂,與采用細(xì)砂相比,單位體積可以節(jié)約20kg左右的水,相應(yīng)減少30kg左右的水泥用量。需要指出的是,減小用水量在減小水泥用量的同時,混凝土的收縮和泌水也可隨之減少。最后,合理選用摻和料和外加劑。外加劑有減少拌和水和水泥用量的功能,可以考慮使用木質(zhì)素磺酸鈣等減水劑。在混凝土中摻入一定數(shù)量的粉煤灰,不但可以代替水泥進(jìn)而降低水化熱,而且還可以改善混凝土的粘塑性,增加混凝土的可泵性。

        普通混凝土制備通常采用一次投料法,其投料順序可簡寫成:10%水→砂、石、水泥→80%水→10%水。為了提高混凝土的強(qiáng)度及節(jié)約用水量,有條件的單位常采用二次投料法,水泥裹砂石法便是其中的一種。它是先將砂、石和70%的水倒入攪拌機(jī),攪拌1-20s,將砂石表面濕潤,再倒入水泥作造殼攪拌20s,最后加入剩余水,進(jìn)行糊化攪拌80s。水泥裹砂石法改變投料次序和攪拌次序后,水泥和砂石的接觸面增大,水泥的潛力得到了充分發(fā)揮,混凝土的強(qiáng)度可提高15%,這樣在強(qiáng)度設(shè)計(jì)一定的情況下,水泥用量就可以減少,水化熱也相應(yīng)減少。

        3 優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

        優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要包括利用混凝土的后期強(qiáng)度和優(yōu)化基礎(chǔ)型式設(shè)計(jì)兩個方面。

        在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際受荷情況和計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度,采用相應(yīng)的f45、f60或f90代替混凝土的28d強(qiáng)度f28作為設(shè)計(jì)值,這樣可使混凝土的水泥用量減少40-70kg/m3左右,混凝土的水化熱升溫相應(yīng)減少4-7℃。由于高層建筑施工工期很長,其基礎(chǔ)大體積混凝土結(jié)構(gòu)承受的設(shè)計(jì)荷載要在較長時間后才能施加其上,所以只要能保證混凝土的強(qiáng)度在28 d 之后繼續(xù)增長,且在預(yù)計(jì)的時間能達(dá)到或超過施加其上的荷載及最終設(shè)計(jì)荷載即可。實(shí)際上這一點(diǎn)在工程中是能夠?qū)崿F(xiàn)的,上海某鋼廠曾采用以f60為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的配合比,監(jiān)測資料說明相應(yīng)f60較f28的平均增長率在20%左右。當(dāng)然如果摻入粉煤灰等改善混凝土后期強(qiáng)度的摻和料,效果會更好。

        在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,解決裂縫最有效的辦法就是對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)型式進(jìn)行優(yōu)化,減小基礎(chǔ)厚度,使其不再成為大體積混凝土?;炷了瘯r,隨著其厚度的增大,內(nèi)部越來越接近絕熱溫升,其散熱的速度也越來越慢,減小混凝土基礎(chǔ)厚度可大大減少基礎(chǔ)混凝土的水化熱釋放量,同時減少了其內(nèi)部的溫度升高。怎樣減小厚度呢?混凝基礎(chǔ)的一個主要作用就是承受地基土反力及差異沉降引起的反向彎矩。由于各方面的原因,目前的基礎(chǔ)厚度設(shè)計(jì)非常保守,這在浪費(fèi)材料的同時也增加了裂縫控制的難度。在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中,可以根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的荷載分部情況針對性的通過調(diào)整布樁形式、利用地基土的承載力等措施使基礎(chǔ)剛度與上部荷載相適應(yīng),盡可能的減少差異沉降和上部結(jié)構(gòu)次應(yīng)力。復(fù)合樁基即塑性支撐樁便是一個值得關(guān)注的解決方法。南京某高校7層圖書館,采用復(fù)合樁基減少差異沉降優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì),混凝土底板厚度僅為40cm,即節(jié)省了工程費(fèi)用又很好的解決了混凝土底板裂縫問題,便是成功的例子。

        4改善約束條件

        由于混凝土基礎(chǔ)與地基之間的邊界約束才會產(chǎn)生混凝土溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。如果在邊界的接觸面上全部設(shè)置滑動層,可大大減弱外約束,但設(shè)置全滑動是不現(xiàn)實(shí)甚至難以實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上在外約束的兩端各1/4~1/5 范圍內(nèi)設(shè)置滑動層,應(yīng)力計(jì)算時結(jié)構(gòu)的計(jì)算長度就可以減少一半左右。為此,在周邊一定范圍內(nèi)設(shè)置滑動層就可以顯著的改善約束條件減少溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力,這通??梢酝ㄟ^鋪設(shè)10~20mm 厚瀝青砂或鋪設(shè)50mm厚砂或碎石屑實(shí)現(xiàn)。

        5 工程簡例

        上海某大廈,地上38層,地下4層,基礎(chǔ)采用長35m 鉆孔灌注樁?;A(chǔ)承臺平面尺寸為75m×71m,主樓基礎(chǔ)厚為3.15m,裙房基礎(chǔ)厚為3.10 m,混凝土總量約為17000m3。主樓與裙房基礎(chǔ)縱橫向均不設(shè)結(jié)構(gòu)縫,該工程采用主動控制和被動控制相結(jié)合的方法很好的解決了大體積混凝土裂縫控制問題。

        主動設(shè)計(jì)控制措施:采用425#礦渣水泥,每方混凝土中水泥用量不大于330kg;采用5-40mm級配石子,中粗砂,加入減水劑,盡可能的減小了用水量和水泥用量;采用混凝土的60d 強(qiáng)度f60,原設(shè)計(jì)混凝土f28為C30,實(shí)際采用混凝土f60為C30,即用f28為C25 代替設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

        通過以上措施及其他輔助技術(shù),該基礎(chǔ)17000m3混凝土在64小時內(nèi)連續(xù)澆注完畢,經(jīng)過一個月養(yǎng)護(hù)后,沒有發(fā)現(xiàn)任何裂縫。

        6 結(jié)束語

        大體積混凝土的裂縫控制要主動控制與被動控制相結(jié)合。要盡量減少混凝土中的水泥用量,選用水化熱低的水泥,摻入減水劑、緩凝劑、粉煤灰等摻和料可以有效控制混凝土的開裂。優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、改善邊界約束條件可以在一定程度上減緩混凝土中的收縮應(yīng)力和次應(yīng)力。以上討論的只是控制裂縫的技術(shù)措施,實(shí)際施工中合理的施工組織、現(xiàn)場準(zhǔn)備、信息監(jiān)測等工作是保證技術(shù)措施的關(guān)鍵,必須給予足夠的關(guān)注。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 趙志縉,趙帆.高層建筑施工[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

        [2] 郭正興,李金根.建筑施工[M].南京:東南大學(xué)出版社,1996.

        [3] 陳志明,管大慶.17000m3混凝土底板連續(xù)澆注技術(shù)[J].施工技術(shù),1994,(11):7-10.

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