鄧金云, 呂興建(中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司, 四川成都 610000)

地下室超長(zhǎng)鋼筋混凝土擋墻裂縫控制技術(shù)研究與應(yīng)用

鄧金云, 呂興建
(中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司, 四川成都 610000)

文章結(jié)合工程實(shí)例分析地下室超長(zhǎng)混凝土擋墻裂縫產(chǎn)生的機(jī)理和設(shè)計(jì)、施工控制措施

混凝土；地下室超長(zhǎng)擋墻；裂縫控制

近年來(lái)，隨著建筑市場(chǎng)的發(fā)展，高大群體建筑越來(lái)越多，地下室結(jié)構(gòu)也日趨大型化、復(fù)雜化，地下室超長(zhǎng)混凝土墻產(chǎn)生溫度、濕度裂縫的情況較為普遍。本文對(duì)超長(zhǎng)混凝土墻裂縫控制進(jìn)行分析、研究，并結(jié)合實(shí)例說(shuō)明應(yīng)采取的防治措施。

1 混凝土裂縫控制的關(guān)鍵

根據(jù)鋼筋混凝土連續(xù)結(jié)構(gòu)的伸縮縫間距計(jì)算公式：

(1)

式中：EC為混凝土的彈性模量；h為構(gòu)件的計(jì)算高度；CX為地基和底板對(duì)結(jié)構(gòu)約束系數(shù)；T為結(jié)構(gòu)相對(duì)地基的綜合溫差；α為鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)；ξp為鋼筋混凝土的極限拉伸值。

由于先行澆筑的混凝土抗水板對(duì)后澆的地下室混凝土擋墻有很大的約束，CX=1.0-1.5 N/mm3，則ECH/CX的值很小，可推導(dǎo)出降低結(jié)構(gòu)計(jì)算綜合溫差|αT|和提高鋼筋混凝土的極限拉伸ξp值，是延長(zhǎng)鋼筋混凝土超長(zhǎng)墻一次整澆長(zhǎng)度，控制鋼筋混凝土墻裂縫的關(guān)鍵措施。

2 ξp值的提高措施

(1)考慮配筋對(duì)ξp影響時(shí)，ξp的計(jì)算為：

ξp=2×0.5fu(1+p/d)×10-4

(2)

式中：fu為第t天混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度值(N/mm2)；p為配筋率；d為鋼筋直徑(cm)。

從式(2)中可以看出，提高ξp的途徑有提高fu和(1+p/d)等措施。

(2)提高fu值。由于早強(qiáng)型(R型)水泥大多比表面大、C3S、C3A含量高、早期水化快(早期水化熱發(fā)展快)，對(duì)減少αT不利，故不宜采用，僅能靠加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)及其他施工工藝措施來(lái)提高fu值。

(3)提高(1+p/d)值。這是經(jīng)常采用的措施，可與設(shè)計(jì)協(xié)商采取細(xì)筋密布的方法，在保持p值基本不變的情況下，適當(dāng)降低d值，一般水平筋的間距宜不大于150 mm。實(shí)踐證明這個(gè)措施可提高墻體混凝土的抗裂能力，尤其可抑制早期裂縫的擴(kuò)展，減小裂縫的寬度。

(4)根據(jù)王鐵夢(mèng)教授在《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》一書中的有關(guān)論述，慢速荷載條件下的極限拉伸與粗骨料的種類有明顯關(guān)系，考慮徐變特性時(shí)，采用卵石混凝土的ξp為1.3×10-4，而采用碎石混凝土的ξp為1.8×10-4。在條件允許時(shí)應(yīng)盡量采用碎石作為混凝土的粗骨料，采用碎石混凝土比采用卵石混凝土的ξp至少提高1.38倍。

(5)理論和實(shí)踐均證明，合理采用混凝土二次振搗施工工藝可提高混凝土的密實(shí)性，從而提高混凝土的ξp值。

(6)ξp值與材質(zhì)及養(yǎng)護(hù)條件有很大的關(guān)系，當(dāng)材質(zhì)不佳、養(yǎng)護(hù)不良時(shí)為0.5×10-4～0.8×10-4；當(dāng)材質(zhì)優(yōu)良、養(yǎng)護(hù)優(yōu)良緩慢降溫時(shí)為2×10-4；中間狀況時(shí)為1.0×10-4～1.5×10-4。故混凝土配制應(yīng)優(yōu)選原材料，混凝土澆筑后應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，并且確保澆筑后的混凝土能夠緩慢降溫。

3 |αT|降低措施

3.1 T的含義

溫差T包括水化熱溫差、氣溫差和收縮當(dāng)量。

3.2 降低水化熱

(1)選用低熱水泥，如礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥，但由于商業(yè)因素，往往只能采用普通硅酸鹽水泥，但不應(yīng)采用帶R的早強(qiáng)型水泥；

(2)用15 %～20 %I級(jí)或II級(jí)粉煤灰代替部分水泥，以減少水泥用量，降低混凝土水化熱值；

(3)使用適量減水劑可減少單位用水量，這樣在確保混凝土滿足施工操作和設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的條件下(即水灰比不變)，也相應(yīng)減少了水泥用量，降低混凝土的水化熱。

以往我們有這樣的觀點(diǎn)：即地下室墻較薄，散熱降溫快，水化熱影響甚微。但實(shí)際上在表面系數(shù)大的構(gòu)件中，雖中心溫度不是很高，可表面層的溫度梯度可以很大，這往往成為早期開(kāi)裂的一個(gè)因素。此外，由于趕工和節(jié)省模板投入等經(jīng)濟(jì)因素，地下室墻體的模板往往在澆筑混凝土的第2～3 d內(nèi)被拆除，這時(shí)正好是水泥水化熱的高峰期，若未采取保溫、保濕養(yǎng)護(hù)措施，可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的溫度梯度急劇增加而引起墻體開(kāi)裂。故在地下室超長(zhǎng)混凝土擋墻施工中，降低其水化熱的措施是必要的。

3.3 注意氣溫差

地下室墻體施工期間暴露在大氣中，外界氣溫的變化影響較大。因此，要控制澆筑溫度與大氣中最低的平均溫度之差。對(duì)于四川南充地區(qū)年平均溫度在20 ℃左右，夏天混凝土入模的溫度較高，必要時(shí)應(yīng)在攪拌混凝土?xí)r采取溫控措施，并避免骨料被太陽(yáng)曝曬，對(duì)混凝土輸送管進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼谏w等措施，降低混凝土入模溫度。在冬季，當(dāng)氣溫較低(低于5 ℃)時(shí)混凝土表面或外部應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋卮胧?/p>

3.4 減少收縮當(dāng)量差

減少收縮當(dāng)量差，即減少混凝土收縮量，針對(duì)不同的混凝土收縮種類分別闡述如下：

3.4.1 減少自身收縮

自身收縮也稱硬化收縮，是混凝土硬化過(guò)程中由于化學(xué)反應(yīng)引起的收縮。這種收縮的大小與水泥品種和用量有關(guān)，所以正確選擇水泥品種和適當(dāng)減少水泥用量可降低混凝土的自身收縮。此外，有的減水劑對(duì)自身收縮是有影響的，應(yīng)當(dāng)對(duì)外加劑提出控制收縮要求。

3.4.2 減少塑性收縮

混凝土澆筑后4～15 h左右，水泥水化反應(yīng)劇烈，混凝土初凝階段，骨料與膠合料之間產(chǎn)生的不均勻變形，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)現(xiàn)象，引起失水收縮。

塑性收縮的量級(jí)很大，可達(dá)1 %左右，所以在商品混凝土澆筑4～15 h內(nèi)，在表面可能出現(xiàn)不規(guī)則的龜裂(特別是養(yǎng)護(hù)不良的部位)，既寬又密，多屬表面裂縫。

水灰比過(guò)大、水泥用量大、外加劑保水性差、粗骨料少、用水量大、振搗不密實(shí)、環(huán)境溫度高、表面失水快等都能導(dǎo)致塑性收縮引起表面裂縫。

對(duì)于地下室擋墻，由于厚度小，必須采取保溫、保濕措施，否則塑性收縮對(duì)于薄墻來(lái)說(shuō)引起裂縫的可能性更大。

總之，混凝土結(jié)構(gòu)的收縮是非常復(fù)雜的變形過(guò)程，影響混凝土收縮的因素很多，應(yīng)考慮徐變形影響。根據(jù)混凝土的時(shí)間收縮計(jì)算公式：

ξy(t)=3.24×10-4(1-e-0.01t)M1M2…M10

式中：M1M2…M10為考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)。

以下分述各種非標(biāo)準(zhǔn)添加的影響：

3.4.2.1 M1為水泥品牌修正系數(shù)

普通水泥為1.00，礦渣水泥為1.25，快硬水泥為1.12，低熱水泥為1.00。從這個(gè)因素來(lái)看，采用低熱水泥或普通水泥較好。

3.4.2.2 M2為水泥細(xì)度修正系數(shù)

從目前四川南充供應(yīng)的水泥來(lái)看，水泥細(xì)度基本都接近5 000，此時(shí)M2=1.35，這個(gè)因素對(duì)減少混凝土收縮不利。

3.4.2.3 M3為骨料修正系數(shù)

常用的為礫砂，在常用情況下M3=1.0，影響不大。

3.4.2.4 M4為水灰比修正系數(shù)

當(dāng)水/灰=0.3時(shí)，M4=0.85；水/灰=0.4時(shí)，M4=1.00；水/灰=0.5時(shí)，M4=1.42。顯然從這個(gè)因素考慮水灰比越小越好。

3.4.2.5 M5為水泥漿量修正系數(shù)

水泥漿量修正系數(shù)見(jiàn)表1。

3.4.2.6 M6為初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間修正系數(shù)

此系數(shù)與混凝土澆筑后初期養(yǎng)護(hù)時(shí)間有關(guān)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間逾長(zhǎng)M6愈小。如養(yǎng)護(hù)7 d，M6=1.00；養(yǎng)護(hù)10 d，M6=0.96。由于使用摻粉煤灰的混凝土，故我們?cè)谡Ｇ闆r下就規(guī)定養(yǎng)護(hù)期不小于14 d。

表1 水泥漿量修正系數(shù)

3.4.2.7 M7為環(huán)境相對(duì)濕度修正系數(shù)

環(huán)境相對(duì)濕度修正系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 環(huán)境相對(duì)濕度修正系數(shù)

顯然環(huán)境濕度相對(duì)濕度愈大對(duì)減少混凝土收縮有利。

3.4.2.8 M8為水力半徑的例數(shù)修正系數(shù)

此系數(shù)與構(gòu)件截面尺寸有關(guān)，由設(shè)計(jì)定型定值，地下室擋墻截面對(duì)抗裂不利。

3.4.2.9 M9為不同操作條件的修正系數(shù)

一般采用機(jī)械振搗，M9=1.00。

3.4.2.10 M10為不同配筋率(模量比)的修正系數(shù)

不同配筋率(模量比)的修正系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同配筋率(模量比)的修正系數(shù)

表3說(shuō)明鋼筋混凝土的配筋率越高，混凝土的收縮量減少。

3.4.3 膨脹劑的作用

普通硅酸鹽水泥的混凝土，由于C3S、C3A含量高，這兩種礦物成分收縮值大，加入膨脹劑后，不但可增加混凝土的密實(shí)性，而且可補(bǔ)償混凝土的收縮，達(dá)到減少整體混凝土的收縮，防止裂縫的效果。但由于各種膨脹劑性能有差異，使用膨脹劑時(shí)，應(yīng)根據(jù)混凝土環(huán)境、結(jié)構(gòu)物大小和季節(jié)適當(dāng)選用膨脹劑種類和摻量，否則會(huì)產(chǎn)生不利的效果。

3.4.4 環(huán)境的影響

日溫差變化大小和風(fēng)速大小直接影響混凝土表面的水分蒸發(fā)速度，特別對(duì)新澆筑的混凝土內(nèi)外濕度梯度的影響極大，施工技術(shù)措施及裂縫分析中應(yīng)根據(jù)具體條件加以考慮。

4 工程實(shí)例應(yīng)用

4.1 實(shí)例工程概況

南充藍(lán)光·COCO香江B-1地塊地下室結(jié)構(gòu)二層，層高(4.5+4.5) m，單層建筑面積15 000 m2，單層地下室外墻周長(zhǎng)820 m，墻厚300 mm，外墻設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35 P8，配筋I(lǐng)I級(jí)鋼，外墻后澆帶設(shè)置和底板的分割基本上控制在30 m左右的長(zhǎng)度。

4.2 工程中采取的相應(yīng)措施

(1)提高ξp值的措施。因?yàn)樘岣擀蝡值的途徑為提高 fu(1+p/d)最有效，采用非早強(qiáng)型的普通硅酸鹽水泥，并在墻混凝土澆筑后加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)工作。地下室外墻原施工圖配筋為HRB40016@200，經(jīng)與設(shè)計(jì)人員商議，改為主筋保持原設(shè)計(jì)不變，水平鋼筋改為HRB40014@150，使得p值不變而d值有所降低，粗骨料原擬采用破碎卵石代替碎石以節(jié)約成本，后與商品混凝土攪拌站協(xié)商采用碎石，使ξp值的提高得到保證。

(2)降低|αT|的措施。為了降低水化熱除了采用非早強(qiáng)型水泥，可采用添加II級(jí)粉煤灰和減水劑CSP-2來(lái)減少水泥用量。此外，地下室外墻模板拆除時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)，防止模板拆除過(guò)早而影響墻體的保溫、保濕。

在膨脹劑的使用上選用性能穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

4.3 實(shí)施情況及結(jié)果

綜合考慮上述各種因素，我們?cè)谀铣渌{(lán)光·COCO香江工程地下室外墻施工中采用了表4所示混凝土配合比，混凝土等級(jí)為C35 P8。

表4 混凝土配合比

此配合比水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，砂MX=2.3，砂率38 %，碎石粒徑5～30 mm，砂石含泥量在0.2 %以下，粉煤灰為II級(jí)粉煤灰，減水劑采用CSP-2膨脹劑。由于混凝土料采用泵送，塌落度為140～160 mm。該地下室墻體施工歷時(shí)3個(gè)多月，澆筑時(shí)多為晴天，保證3 d后才拆除模板，拆除模板后立即人工澆水養(yǎng)護(hù)14 d?，F(xiàn)地下室外墻混凝土已澆筑完成近1年，經(jīng)仔細(xì)檢查，各段均未發(fā)現(xiàn)裂縫，所留置的標(biāo)養(yǎng)、同養(yǎng)試塊足齡試壓均達(dá)到設(shè)計(jì)的抗壓、抗?jié)B等級(jí)。

TU755.7

B

[定稿日期]2016-06-17