張 兵

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,許多大型建筑也越來(lái)越多,超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)也是越來(lái)越普遍,而且大家對(duì)控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的要求也越來(lái)越高;尤其對(duì)超長(zhǎng)地下室結(jié)構(gòu),由于混凝土在硬化過(guò)程中不可控制的收縮特性,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)溫度收縮裂縫,所以控制地下室外圍混凝土構(gòu)件裂縫是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。針對(duì)普通混凝土硬化過(guò)程中的收縮特性,為了補(bǔ)償這種收縮,在1990年,北京市建筑設(shè)計(jì)研究院就提出了利用補(bǔ)償收縮混凝土的補(bǔ)償收縮作用,在超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)中可否少設(shè)或不設(shè)縫的設(shè)想,經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展,現(xiàn)在補(bǔ)償收縮膨脹混凝土在超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛,技術(shù)越來(lái)越成熟,在這里針對(duì)補(bǔ)償收縮膨脹混凝土在超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用作個(gè)系統(tǒng)的總結(jié),供大家參考。

1 超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫的原因及裂縫分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫原因很復(fù)雜,就材料而言,混凝土干縮和溫差收縮是主要原因,尤其對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)收縮裂縫,超長(zhǎng)地下室底板和側(cè)板的裂縫形成也主要是由各種因素帶來(lái)的收縮應(yīng)力所導(dǎo)致的?，F(xiàn)以地下室底板裂縫開展為對(duì)象作個(gè)簡(jiǎn)單的分析,從已建的地下室混凝土結(jié)構(gòu)看,超長(zhǎng)地下室底板收縮裂縫分布的基本規(guī)律:裂縫垂直于底板的長(zhǎng)向,并且沿長(zhǎng)向按一定的間距分布。下面從收縮應(yīng)力的角度分析超長(zhǎng)地下室底板裂縫的成因,超長(zhǎng)地下室底板在溫度收縮變形作用下,混凝土?xí)a(chǎn)生由兩端向中心收縮運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),這一趨勢(shì)必然受到地基土的約束,因此底板混凝土的全截面將出現(xiàn)拉應(yīng)力,即水平法向應(yīng)力σx。從工程實(shí)踐可知,σx是設(shè)計(jì)主要控制應(yīng)力,是引起混凝土板內(nèi)垂直裂縫的主要應(yīng)力。此外地基土對(duì)地下室底板約束為沿底板長(zhǎng)向的連續(xù)式約束,因此從端部向中心,混凝土截面上的水平法向應(yīng)力σx將由于這種約束的不斷積累而越來(lái)越大,因此,水平法向應(yīng)力的最大值σmax出現(xiàn)在板截面的中點(diǎn)處,具體如圖1所示。當(dāng)σmax超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度(ft),板中部將出現(xiàn)第一條垂直裂縫;混凝土板開裂后,每塊板的水平裂縫將重新分布,最大應(yīng)力σx′將出現(xiàn)在每塊板的中部,當(dāng) σx′＞ft時(shí),又形成第二批裂縫,如此繼續(xù),直到σx′＜ft,如圖2所示。

2 摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土的作用機(jī)理

普通混凝土摻入膨脹劑后,混凝土適度膨脹,混凝土中的鋼筋對(duì)它的膨脹產(chǎn)生限制作用,鋼筋本身也因?yàn)榕c混凝土一起膨脹而產(chǎn)生拉應(yīng)力,同時(shí)混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力。根據(jù)國(guó)內(nèi)常用的補(bǔ)償收縮混凝土的技術(shù)要求,混凝土在濕養(yǎng)期間,在配筋率μ=0.8%試驗(yàn)條件下,它產(chǎn)生的限制膨脹率為0.02%～0.03%,在混凝土中形成的預(yù)壓應(yīng)力為0.2 MPa～0.7 MPa,這一預(yù)壓應(yīng)力能夠抵消導(dǎo)致混凝土開裂的全部或大部分應(yīng)力,與此同時(shí),推遲了混凝土收縮的產(chǎn)生過(guò)程,抗拉強(qiáng)度在此期間能獲得較大幅度的增長(zhǎng),當(dāng)混凝土收縮開始時(shí),其抗拉應(yīng)力已經(jīng)增長(zhǎng)到足以抵抗收縮應(yīng)力,從而防止或減少混凝土收縮開裂,并使混凝土致密化,提高了結(jié)構(gòu)的防滲能力,達(dá)到結(jié)構(gòu)自防水的效果,這就是摻膨脹劑補(bǔ)償收縮混凝土的作用機(jī)理,我們就是依靠這種“補(bǔ)償收縮”來(lái)控制混凝土收縮裂縫的。

3 地下室混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)限制膨脹率及膨脹劑摻量的要求

既然補(bǔ)償收縮膨脹混凝土有如此的功效,那么在實(shí)際中我們?nèi)绾蝸?lái)配比“補(bǔ)償收縮膨脹混凝土”這種材料。補(bǔ)償收縮膨脹混凝土實(shí)際就是普通混凝土中摻入適量的膨脹劑,通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)是否符合以下三項(xiàng)設(shè)計(jì)要求:1)膨脹劑產(chǎn)品是否合格;2)膨脹劑摻量是否符合設(shè)計(jì)要求;3)各結(jié)構(gòu)部位混凝土的限制膨脹率是否符合設(shè)計(jì)要求。

目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的膨脹劑的品種很多,質(zhì)量參差不齊,甚至還存在不合格產(chǎn)品。在合格的膨脹劑中,產(chǎn)品的性能也不盡相同,有的膨脹率雖然高,但干燥的收縮率很大,存在膨脹與收縮“落差”太大的現(xiàn)象。根據(jù)JC 476混凝土膨脹劑標(biāo)準(zhǔn)的確定,應(yīng)檢查其三項(xiàng)指標(biāo):1)堿含量不大于0.75%;2)水中7 d限制膨脹率不小于0.025%;3)最大摻量(替代水泥率)不大于12%。凡是經(jīng)檢驗(yàn)不符合此三項(xiàng)的產(chǎn)品均屬不合格產(chǎn)品,不得使用。

此外,對(duì)膨脹劑的摻量規(guī)范也有相應(yīng)的要求,膨脹劑主要功能是補(bǔ)償混凝土硬化過(guò)程中的干縮拉應(yīng)力和部分水化熱引起的溫差應(yīng)力,從而能使混凝土中的孔隙減少,毛細(xì)孔徑減小,提高混凝土的密實(shí)性,防止或減少結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害裂縫。所以要真正發(fā)揮混凝土補(bǔ)償收縮的作用,膨脹劑的選用及摻量是關(guān)鍵。國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB 50119-2003混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范規(guī)定,補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹劑摻量不宜大于12%,不宜小于6%;填充用膨脹混凝土的膨脹劑摻量不宜大于15%,不宜小于10%。

根據(jù)國(guó)家新發(fā)布的GB 50119-2003混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范,摻膨脹劑補(bǔ)償收縮混凝土及填充用膨脹混凝土的特性指標(biāo)見表1,表2。

表1 補(bǔ)償收縮混凝土的性能要求

表2 填充用膨脹混凝土的性能要求

在設(shè)計(jì)時(shí)我們一般注明:補(bǔ)償收縮混凝土在水中養(yǎng)護(hù)14 d的混凝土限制膨脹率不小于0.025%,填充用膨脹混凝土在水中養(yǎng)護(hù)14 d的混凝土限制膨脹率不小于0.035%;同時(shí)在不同結(jié)構(gòu)部位要滿足表3要求。

表3 不同結(jié)構(gòu)部位混凝土限制膨脹率

4 在設(shè)計(jì)上針對(duì)超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu)裂縫所采取的方法

1)設(shè)置后澆帶、采用摻膨脹劑補(bǔ)償收縮混凝土控制混凝土裂縫。按規(guī)范,對(duì)超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu),每隔20 m～40 m需設(shè)置一條后澆帶;后澆帶應(yīng)從基礎(chǔ)至頂板頂,即從基礎(chǔ)梁、地下室底板、頂板、內(nèi)外墻、各層樓蓋及頂板的梁板水平及垂直貫通留設(shè),帶寬800 mm～1 000 mm,鋼筋在此處貫通不斷,并增設(shè)相應(yīng)各構(gòu)件的附加鋼筋(地下室后澆帶詳細(xì)做法見國(guó)標(biāo)04FG02 P138頁(yè));同時(shí)采用摻膨脹劑補(bǔ)償收縮混凝土來(lái)限制裂縫的開展。現(xiàn)階段大部分的地下室均是采用此種方法來(lái)設(shè)計(jì)施工的。實(shí)踐證明,此種方法是合理的,可以解決大部分的混凝土收縮裂縫;但也存在一些缺點(diǎn),每隔20 m～40 m設(shè)置一條后澆帶,會(huì)延長(zhǎng)工期,而且后澆帶的清理、灌縫非常麻煩,處理不好會(huì)成為滲漏的隱患;此外,后澆帶一般要等到一兩個(gè)月才能澆筑,不施工完,降水就不能停止,這會(huì)增加大量的降水費(fèi)用。

2)設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶、采用摻膨脹劑補(bǔ)償收縮混凝土控制混凝土裂縫。設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶實(shí)際是一種無(wú)縫設(shè)計(jì)思想,所謂“無(wú)縫設(shè)計(jì)”是個(gè)相對(duì)概念,根據(jù)結(jié)構(gòu)情況,可無(wú)縫或少縫,是專指釋放收縮應(yīng)力的伸縮或后澆縫,不是指也不包括沉降縫。根據(jù)前面補(bǔ)償收縮混凝土工作機(jī)理分析,超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力集中于跨中,所以膨脹加強(qiáng)帶一般設(shè)在跨中部,每隔30 m左右設(shè)置一道,根據(jù)板的厚度,帶寬為2 m～3 m,帶兩側(cè)設(shè)密孔鐵絲網(wǎng),并用立筋φ 16@300～φ 18@300加固,目的是防止兩側(cè)混凝土流入帶內(nèi)。這樣就可實(shí)現(xiàn)混凝土連續(xù)澆筑或稱無(wú)縫施工。施工時(shí),帶外用小膨脹的補(bǔ)償收縮混凝土,澆筑到加強(qiáng)帶時(shí),改用大膨脹混凝土,其強(qiáng)度等級(jí)比兩側(cè)混凝土高一個(gè)等級(jí)。澆筑到另一側(cè)時(shí),又改為澆筑小膨脹混凝土。如此循環(huán),可連續(xù)澆筑100 m～200 m的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

在施工組織中,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定采取整體連續(xù)澆筑或局部為連續(xù)澆筑式膨脹加強(qiáng)帶,這可以通過(guò)不同形式的膨脹加強(qiáng)帶來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體分以下幾種類型:圖3為連續(xù)施工膨脹加強(qiáng)帶,圖4為間歇式膨脹加強(qiáng)帶,圖5為后澆式膨脹加強(qiáng)帶(在主裙樓交接處也按此設(shè)計(jì),此時(shí)該加強(qiáng)帶的設(shè)置除控制收縮裂縫外,還能緩解主樓與裙房之間的差異沉降,澆筑時(shí)間同主裙樓之間設(shè)置的后澆帶)。另外,對(duì)于超長(zhǎng)地下室側(cè)墻,考慮養(yǎng)護(hù)困難,環(huán)境溫度、濕度變化大,易收縮開裂,宜用后澆式加強(qiáng)帶,分段澆筑14 d后,再用大膨脹混凝土澆筑回填,見圖6。

根據(jù)以上幾種節(jié)點(diǎn)大樣,結(jié)合實(shí)際工程所需的補(bǔ)償收縮混凝土連續(xù)澆筑的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度和厚度,按表4可確定所設(shè)膨脹加強(qiáng)帶的條數(shù)、構(gòu)造形式、澆筑方式。

表4 膨脹加強(qiáng)帶分布表

5 結(jié)語(yǔ)

補(bǔ)償收縮混凝土結(jié)構(gòu)與普通混凝土結(jié)構(gòu)的標(biāo)志區(qū)別是混凝土必須提供初期的有效膨脹,抵制混凝土本身在硬化過(guò)程中的收縮。在實(shí)際工程應(yīng)用上,還有很多要注意的地方,因?yàn)橐鸹炷潦湛s裂縫的因素是多方面的。

針對(duì)補(bǔ)償收縮膨脹混凝土這方面的應(yīng)用,只要我們?cè)趯?shí)際施工時(shí)認(rèn)真應(yīng)用合格的膨脹劑,按設(shè)計(jì)要求配比出合格的補(bǔ)償收縮混凝土,并進(jìn)行合理的澆筑、養(yǎng)護(hù),合理控制超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的收縮裂縫是有很大效果的。本文通過(guò)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范,對(duì)如何合理采用補(bǔ)償收縮膨脹混凝土來(lái)控制超長(zhǎng)地下室混凝土結(jié)構(gòu)收縮裂縫作個(gè)系統(tǒng)的總結(jié),希望能給設(shè)計(jì)人員一點(diǎn)有益的參考。

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