曾 亮

(重慶四方新材股份有限公司， 重慶 400010)

大體積混凝土底板的裂縫控制研究

曾 亮

(重慶四方新材股份有限公司， 重慶 400010)

本文首先分析了當(dāng)前大體積混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)有的控制措施及其存在的不足之后，然后根據(jù)實(shí)際工程需要，綜合利用滑動(dòng)層減阻效應(yīng)、鈣鎂復(fù)合膨脹劑聯(lián)合補(bǔ)償效應(yīng)、以及分階段全過程的養(yǎng)護(hù)方式，探討了一種超長、超大體積混凝土底板的裂縫控制方法，為同行在相近的實(shí)際工程裂縫控制時(shí)提供參考。

大體積混凝土；超長結(jié)構(gòu)；裂縫控制

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建筑工程向超大化和多功能化發(fā)展，一些超大體積建構(gòu)筑物不斷出現(xiàn)，大體積混凝土在工程中的應(yīng)用越來越多，超長、超大體積的混凝土底板基礎(chǔ)日益增多[1]。超長、超大（即長度超過 60mm，面積超過3600m2）的基礎(chǔ)底板作為一種大體積混凝土，具有體積大、工程條件復(fù)雜等特點(diǎn)，受溫度應(yīng)力與收縮應(yīng)力的疊加作用容易產(chǎn)生開裂。由于底板基礎(chǔ)超長、超厚，又因基礎(chǔ)地質(zhì)受力情況不同，混凝土裂縫控制技術(shù)難度增大，底板混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題是一個(gè)相當(dāng)普遍的質(zhì)量問題。如何抑制大體積底板混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)，是目前廣大工程技術(shù)人員努力探討的課題。

1 大體積混凝土的結(jié)構(gòu)特征

大體積混凝土的幾何形體、內(nèi)部受力和約束不同于普通混凝土，因此大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有不同于一般混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[2]：一、混凝土是抗拉強(qiáng)度較小的脆性材料，其抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/8-1/18，混凝土拉伸變形能力也很小，短期加載時(shí)的極限拉伸變形只有(0.6-1.0)×10-4，約相當(dāng)于混凝土溫度降低6-10℃的變形，長期加載時(shí)的拉伸變形也只有(1.2-2.0)×10-4；二、大體積混凝土澆筑初期，其彈性模量較小、徐變較大，混凝土內(nèi)部水化溫升導(dǎo)致形成的壓應(yīng)力并不大，但在日后混凝土達(dá)到最高溫度并開始降溫時(shí)，混凝土彈性模量較大、徐變較小，在一定的約束條件下回產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力；三、大體積混凝土通常是全部或大部分暴露在外，直接與空氣接觸，混凝土表面水分的蒸發(fā)和周圍環(huán)境溫度隨季節(jié)的變化均會(huì)引起大體積混凝土產(chǎn)生較大溫度收縮應(yīng)力和失水收縮應(yīng)力。在降溫過程中同時(shí)伴隨混凝土體積收縮，當(dāng)混凝土受到基礎(chǔ)約束時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，冷卻到穩(wěn)定的溫度時(shí)，溫度應(yīng)力達(dá)最大值。如果混凝土表面發(fā)生溫降，同時(shí)再伴隨著混凝土的干燥收縮，自干燥收縮均可在混凝土外部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，如果此時(shí)在混凝土內(nèi)部也有較大的收縮拉應(yīng)力，就可能引起貫穿性裂縫。

2 大體積混凝土的裂縫控制方法及存在問題

目前大體積混凝土工程中，為了抑制混凝土開裂，采取的主要措施有[3]：一、在大體積混凝土內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管的方式，通過循環(huán)冷卻水的流動(dòng)帶走結(jié)構(gòu)核心部位的集中熱量，以降低結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度應(yīng)力的控制；二、利用相變儲(chǔ)能材料能夠在相變過程中吸收大量的熱量，并保持溫度相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，提出了制備相變控溫儲(chǔ)能機(jī)敏混凝土來控制大體積混凝土溫度裂縫的技術(shù)途徑；三、利用張拉鋼筋預(yù)先導(dǎo)入一部分預(yù)應(yīng)力，以便抵抗收縮過程產(chǎn)生的收縮應(yīng)力。

然而，目前的大體積混凝土施工依然存在這樣或那樣的問題，因?yàn)闆]有準(zhǔn)確地與材料本身的特性相結(jié)合，往往并不能代表真實(shí)的施工情況；由于目前各單位施工隊(duì)伍質(zhì)量的參差不齊，對(duì)于冷卻水通水降溫的時(shí)機(jī)及水溫的掌控時(shí)常達(dá)不到控制要求，經(jīng)常發(fā)生局部降溫過快而引發(fā)開裂的狀況產(chǎn)生；對(duì)于相變蓄熱大體積混凝土材料的研究目前還處于起步階段，實(shí)際應(yīng)用過程中還存在材料造價(jià)高、制備工藝復(fù)雜以及施工不易控制的特點(diǎn)，尚無法大規(guī)模進(jìn)行工程應(yīng)用；預(yù)應(yīng)力技術(shù)施工過程復(fù)雜，張拉設(shè)備要求高，好多工地現(xiàn)場難以實(shí)現(xiàn)，且張拉預(yù)應(yīng)力不可根據(jù)實(shí)際工程混凝土的收縮歷程進(jìn)行有效調(diào)控，導(dǎo)致其抗裂效果較弱。

3 工程概況

某地下空間開發(fā)工程為地下兩層結(jié)構(gòu)，負(fù)二層底板直接與地基基礎(chǔ)相連，主要采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積 18683m2，其中地下二層建筑面積 9296m2（含人防），地下一層建筑面積9177 m2?；A(chǔ)底板長183m，寬51m，厚1.5m，屬超長超大體積混凝土結(jié)構(gòu)?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C35，抗?jié)B等級(jí)為P8。由于工期緊張，且受大截面、大體量、超長結(jié)構(gòu)形式及施工工藝等因素影響，構(gòu)筑物容易在施工階段就出現(xiàn)因溫度、收縮以及約束等原因而產(chǎn)生的危害性裂縫。鑒于現(xiàn)階段我國建設(shè)工程的特點(diǎn)，眾多施工單位的設(shè)備裝備水平以及施工人員的技術(shù)水平有限，復(fù)雜施工工藝的并不適合在此工程中使用，若要在確保施工工期的條件下提升此大體積混凝土底板的抗裂性，確為一項(xiàng)很具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

4 裂縫控制技術(shù)措施

現(xiàn)澆大體積混凝土底板的開裂，有些是由單一因素引起的，如環(huán)境溫度、濕度變化等，但更多的是由多種因素的綜合作用形成。諸如，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：滑動(dòng)層設(shè)計(jì)不合理，滑動(dòng)能力弱、基礎(chǔ)約束大，導(dǎo)致底板混凝土約束開裂風(fēng)險(xiǎn)增大；原材料及配合比方面：混凝土配合比不合理，水化溫升高、內(nèi)外溫差大、收縮變形顯著，導(dǎo)致混凝土收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)加劇；施工過程方面：澆筑時(shí)混凝土的工作性能、養(yǎng)護(hù)方案不合理等，導(dǎo)致底板混凝土表層開裂風(fēng)險(xiǎn)增大。針對(duì)本工程的復(fù)雜性和工期緊迫性，我們從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，科學(xué)利用滑動(dòng)層減緩大體積混凝土與基礎(chǔ)的約束應(yīng)力，利用膨脹歷程可調(diào)控的鈣鎂復(fù)合膨脹劑分階段全過程補(bǔ)償大體積混凝土的失水收縮和溫降收縮，利用減蒸劑與養(yǎng)護(hù)劑相結(jié)合的養(yǎng)護(hù)方式，使保濕養(yǎng)護(hù)與保溫養(yǎng)護(hù)有機(jī)統(tǒng)一，既能減緩失水收縮應(yīng)力和溫降收縮應(yīng)力集中現(xiàn)象，又能促進(jìn)鈣鎂復(fù)合膨脹劑的水化進(jìn)程，在確保施工工期的同時(shí)，提高混凝土抗裂性。

4.1 鋪設(shè)滑動(dòng)層減緩基礎(chǔ)約束應(yīng)力

先將開挖后的基礎(chǔ)土方平整后，澆筑一層厚度為40mm、強(qiáng)度等級(jí)為C15的素混凝土作為基礎(chǔ)墊層。待基礎(chǔ)墊層硬化后，將墊層表面清掃干凈，并在基礎(chǔ)墊層上先鋪設(shè)一層厚度為0.25mm的聚乙烯塑料薄膜，然后將粉煤灰、滑石粉和水按質(zhì)量比3:7:3在工廠集中拌和均勻，用泵車送至施工現(xiàn)場后直接噴涂在塑料薄膜上，噴涂厚度為 10mm左右，在保證滑動(dòng)層厚度的同時(shí)確保粉煤灰滑石粉漿體噴涂的均勻性。在噴涂好的粉煤灰滑石粉漿體上及時(shí)覆蓋一層厚度為0.25mm的聚乙烯塑料薄膜，聚乙烯塑料薄膜鋪設(shè)要平整，薄膜接縫處要使用熱熔焊接，確保鋪設(shè)的聚乙烯塑料薄膜是一完整體。由此在基礎(chǔ)墊層上表面形成一層滑動(dòng)層。通過引入粉煤灰與滑石粉的優(yōu)化組合，利用粉煤灰和滑石粉的球形顆粒的滾珠潤滑效應(yīng)，提高了滑動(dòng)層的滑動(dòng)效果，解決了現(xiàn)有滑動(dòng)層材料選材控制要求高、顆粒多棱角、滑動(dòng)效果弱的難題，通過將滑動(dòng)層細(xì)粉料粉煤灰和滑石粉與一部分水混合預(yù)先混合均勻在鋪設(shè)施工的方式，解決了現(xiàn)有滑動(dòng)層技術(shù)中干拌混合料難以鋪設(shè)均勻的難題，并進(jìn)一步提高潤滑效果，從而進(jìn)一步提升滑動(dòng)層滑動(dòng)效果。此滑動(dòng)層的應(yīng)用大大減緩了底板混凝土與基礎(chǔ)之間的約束應(yīng)力，提高了底板混凝土抗裂性。

4.2 摻用鈣鎂復(fù)合膨脹劑補(bǔ)償溫降收縮和自收縮

采用優(yōu)質(zhì)的混凝土膨脹劑并保證摻量，能夠產(chǎn)生足夠的有效膨脹，可以部分補(bǔ)償混凝土降溫階段的溫度收縮以及膠凝材料水化過程中的自收縮。膨脹劑通過與水反應(yīng)水化產(chǎn)生有效膨脹，但對(duì)于本工程而言，混凝土強(qiáng)度等級(jí)較高，用水量較低，混凝土結(jié)構(gòu)致密，外界水分很難滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部，勢(shì)必造成內(nèi)部相對(duì)濕度較低，無法為傳統(tǒng)的需水量較高的硫鋁酸鹽類膨脹劑水化提供足夠的水分。因此，對(duì)于本工程的大體積混凝土底板結(jié)構(gòu)，我們采用水化需水量小的氧化鈣類膨脹劑和氧化鎂類膨脹劑。根據(jù)氧化鈣類膨脹劑具有早期膨脹大、膨脹速率快的特點(diǎn)，而氧化鎂類膨脹劑早期膨脹小、膨脹速率慢，具有中后期持續(xù)膨脹特性的特點(diǎn)，通過一定比例的氧化鈣膨脹劑與氧化鎂膨脹劑優(yōu)化復(fù)合組成膨脹發(fā)展歷程可調(diào)控的復(fù)合膨脹劑，使其膨脹發(fā)展速率與混凝土收縮過程相匹配，一方面膨脹劑水化產(chǎn)生的體積膨脹填充到混凝土各種級(jí)別的孔隙中，起到補(bǔ)償大面板混凝土收縮的目的，另一方面使膨脹劑水化產(chǎn)生的膨脹在填充混凝土孔隙之余，通過膨脹產(chǎn)生的化學(xué)預(yù)應(yīng)力張拉鋼筋，提高混凝土自身抗裂性能。

4.3 分階段全過程養(yǎng)護(hù)確保施工質(zhì)量

按照混凝土的水化過程將養(yǎng)護(hù)劃分為塑性階段的減蒸養(yǎng)護(hù)和硬化階段的保濕保溫硬化，通過養(yǎng)護(hù)階段的劃分，更有針對(duì)性和科學(xué)性地養(yǎng)護(hù)抗裂混凝土，通過精心養(yǎng)護(hù)，降低底板混凝土表面水分蒸發(fā)速率和溫降速率，使底板混凝土由于失水過快導(dǎo)致的干燥收縮應(yīng)力集中和由于溫度下降過快導(dǎo)致的溫降收縮應(yīng)力集中的現(xiàn)象得到有效緩解，為混凝土自身抗拉強(qiáng)度的發(fā)展提供時(shí)間，并有利于抗裂混凝土的水化發(fā)展，顯著提升了底板混凝土的抗拉性。具體而言，在混凝土澆筑后立即噴灑水份蒸發(fā)抑制劑，混凝土表面收干后開始一次抹面施工，一次抹面后再次噴灑水份蒸發(fā)抑制劑以減少混凝土表層水份蒸發(fā)，降低塑性開裂風(fēng)險(xiǎn)，終凝前2h進(jìn)行二次抹面拋光處理；混凝土終凝硬化后立即噴灑養(yǎng)護(hù)劑，防止混凝土表層干燥失水而產(chǎn)生干燥收縮裂縫，每次噴灑養(yǎng)護(hù)劑的量為250g/m2抗裂混凝土，先后噴灑三次；待養(yǎng)護(hù)劑噴灑完畢后，在混凝土表層覆蓋一層10cm厚的聚苯板進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期為14天，減緩混凝土散熱速率，防止混凝土溫降幅度過大而產(chǎn)生溫度收縮裂縫。通過在混凝土硬化前的塑性階段噴灑水分蒸發(fā)抑制劑，使混凝土在凝結(jié)硬化前的塑性狀態(tài)下形成單分子膜的保護(hù)層，有效減少混凝土表面水分的蒸發(fā)速率，降低混凝土塑性開裂的風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)混凝土硬化后再利用噴灑養(yǎng)護(hù)劑+覆蓋聚苯板保溫的方法，一方面進(jìn)一步降低混凝土在硬化階段的水分蒸發(fā)損失，并為混凝土的水化提供自由水，另一方面通過聚苯板保溫養(yǎng)護(hù)，有效減少了大面板混凝土從溫升最高點(diǎn)向環(huán)境同化過程中的溫降幅度，減少了由于溫降速度過快導(dǎo)致的溫度應(yīng)力收縮開裂。由此可知，分階段全過程的養(yǎng)護(hù)方式有效調(diào)控了底板混凝土表面水分蒸發(fā)速率和溫降速率，并通過保濕保溫的養(yǎng)護(hù)過程有效促進(jìn)混凝土的水化，有利于混凝土抗裂性的整體提升。

5 應(yīng)用效果

本工程用超長、超大體積混凝土底板于2014年5月15日澆筑完畢，于2014年6月10日養(yǎng)護(hù)結(jié)束后拆除保溫板，未發(fā)現(xiàn)任何肉眼可見裂縫。目前經(jīng)過三年多的使用運(yùn)行，也沒有發(fā)現(xiàn)任何滲漏性裂縫。

6 結(jié)語

隨著國內(nèi)大型重點(diǎn)工程的高速發(fā)展，大體積混凝土結(jié)構(gòu)因?yàn)榱芽p控制不力，在施工過程中產(chǎn)生的一系列問題逐漸引起大家重視。如何抑制大體積底板混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)，是目前廣大工程技術(shù)人員努力的方向。本文在分析當(dāng)前大體積混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和現(xiàn)有的控制措施及其存在的不足之后，根據(jù)實(shí)際工程需要，利用特定組成的滑動(dòng)層減緩大體積混凝土與基礎(chǔ)的約束應(yīng)力，利用膨脹歷程分階段全過程調(diào)控補(bǔ)償大體積混凝土的失水收縮和溫降收縮，利用減蒸劑與養(yǎng)護(hù)劑相結(jié)合的養(yǎng)護(hù)方式，使保濕養(yǎng)護(hù)與保溫養(yǎng)護(hù)有機(jī)統(tǒng)一，既能減緩失水收縮應(yīng)力和溫降收縮應(yīng)力集中現(xiàn)象，又能促進(jìn)抗裂混凝土的水化進(jìn)程，在確保施工工期的同時(shí)，提高混凝土抗裂性。

[1] 王晗. 筏板基礎(chǔ)大體積混凝土施工裂縫控制研究[D]. 大連：大連理工大學(xué),2013.

[2] 龔劍，李宏偉. 大體積混凝土施工中的裂縫控制[J]. 施工技術(shù),2012,41(361):28～32.

[3] 侯雁南. 大體積混凝土裂縫控制及處理措施研究D]. 濟(jì)南：山東大學(xué), 2007.

TU528

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1007-6344（2017）10-0297-02