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，其裂縫控制是人們關心的一個主要課題。結(jié)合工程實例，分析了調(diào)整混凝土設計與制備、優(yōu)化基礎設計和改善約束條件等大體積混凝土裂縫的主動設計控制方法。強調(diào)了優(yōu)化基礎設計在控制裂縫中的作用。

關鍵詞：裂縫；大體積混凝土；主動控制；基礎設計

1 前 言

軟土地區(qū)的建筑物基礎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。當混凝土基礎結(jié)構斷面最小尺寸在80㎝ 以上，水化熱引起混凝土內(nèi)部與表面的最高溫差預計超過25℃時，也就是通常指的大體積混凝土，其裂縫問題值得進一步的關注。大體積混凝土基礎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)生較大的拉應力；（3）使用時結(jié)構差異沉降過大或由上部結(jié)構引起的次應力過大。

大體積混凝土基礎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)合工程實例從主動控制方面詳細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混凝土的裂縫控制提出了建議。

主動設計控制是指在設計、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)整混凝土設計與制備

混凝土原材料及其配合比的設計至關重要，合理的選用原材料是主動控制的關鍵之處。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中產(chǎn)生較大的溫度梯度，導致溫度應力過大。

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，在強度滿足的條件下，盡量減少單位體積中的水泥用量。試驗表明，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，與采用細砂相比，單位體積可以節(jié)約20kg左右的水，相應減少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，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，混凝土的強度可提高15％，這樣在強度設計一定的情況下，水泥用量就可以減少，水化熱也相應減少。

3 優(yōu)化基礎設計

優(yōu)化基礎設計主要包括利用混凝土的后期強度和優(yōu)化基礎型式設計兩個方面。

在基礎設計中，可以根據(jù)結(jié)構實際受荷情況和計算結(jié)構的強度及剛度，采用相應的f45、f60或f90代替混凝土的28d強度f28作為設計值，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減少4-7℃。由于高層建筑施工工期很長，其基礎大體積混凝土結(jié)構承受的設計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度在28 d 之后繼續(xù)增長，且在預計的時間能達到或超過施加其上的荷載及最終設計荷載即可。實際上這一點在工程中是能夠?qū)崿F(xiàn)的，上海某鋼廠曾采用以f60為標準強度的配合比，監(jiān)測資料說明相應f60較f28的平均增長率在20％左右。當然如果摻入粉煤灰等改善混凝土后期強度的摻和料，效果會更好。

在基礎設計中，解決裂縫最有效的辦法就是對基礎設計型式進行優(yōu)化，減小基礎厚度，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，減小混凝土基礎厚度可大大減少基礎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，目前的基礎厚度設計非常保守，這在浪費材料的同時也增加了裂縫控制的難度。在基礎設計中，可以根據(jù)上部結(jié)構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剛度與上部荷載相適應，盡可能的減少差異沉降和上部結(jié)構次應力。復合樁基即塑性支撐樁便是一個值得關注的解決方法。南京某高校7層圖書館，采用復合樁基減少差異沉降優(yōu)化基礎設計，混凝土底板厚度僅為40cm，即節(jié)省了工程費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

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

5 工程簡例

上海某大廈，地上38層，地下4層，基礎采用長35m 鉆孔灌注樁。基礎承臺平面尺寸為75m×71m，主樓基礎厚為3.15m，裙房基礎厚為3.10 m，混凝土總量約為17000m3。主樓與裙房基礎縱橫向均不設結(jié)構縫，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。

主動設計控制措施：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 強度f60，原設計混凝土f28為C30，實際采用混凝土f60為C30，即用f28為C25 代替設計強度。

通過以上措施及其他輔助技術，該基礎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)化基礎設計、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力和次應力。以上討論的只是控制裂縫的技術措施，實際施工中合理的施工組織、現(xiàn)場準備、信息監(jiān)測等工作是保證技術措施的關鍵，必須給予足夠的關注。

參考文獻

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