盧曉峰

(揚州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇揚州 225127)

[定稿日期]2017-08-31

1 工程背景

該核電站位于江蘇某沿海城市，核反應堆廠房基礎為筏形混凝土基礎，筏基以下設置柔性防水層，保護層厚度為50 mm(圖1)。筏基平面形狀為直徑39.5 m的圓形，基礎厚度3.8 m，混凝土設計強度為PS40A(相當于國標C50)，基礎混凝土施工擬在2016年8月上旬，最高溫度35 ℃，最低溫度25 ℃，日平均氣溫29.5 ℃。

由于筏基混凝土的平面尺寸大，厚度超過1m，因此筏基混凝土施工屬于大體積混凝土施工技術[1]。針對大體積混凝土在施工時容易出現有害裂縫的施工技術通病，本項目在施工之前對裂縫控制進行了理論分析，在施工過程中進行技術處理，確保筏基施工完成后不出現裂縫，達到滿意的施工效果。

圖1 筏基三維立面

2 混凝土裂縫控制理論分析

筏基的大體積混凝土在施工中出現的裂縫一般有兩種類型：貫穿裂縫和表面裂縫[2]。筏基混凝土內貫穿性裂縫一般發(fā)生在混凝土降溫初期階段，其原因主要是由于混凝土降溫產生的收縮和混凝土自身收縮受到地基很強的約束作用，地基對筏基混凝土截面產生較大的拉應力，當此拉應力超過混凝土的抗拉強度時便會產生貫穿裂縫。本工程中，由于筏基以下設置了一層柔性防水層，因此地基對筏基混凝土的約束作用較弱，可以不考慮本筏基出現貫通裂縫的情形。

筏基混凝土的表面裂縫產生的原因是多方面的，常見的有兩個方面：(1)水泥水化熱有效的熱量值不同而引起的溫差裂縫，表面混凝土受氣溫影響大而溫度較低，但內部混凝土受氣溫影響小而溫度較高，規(guī)范[1]指出，當大體積混凝土內外溫差大于25 ℃時混凝土表面可能有裂縫出現；(2)氣溫與混凝土表面的溫差大而引起的溫差裂縫，當筏基上表面和側面的混凝土表層部分與外界空氣溫度的溫差大于20 ℃時[1]，溫度應力會超過混凝土的抗拉強度而出現明顯的表面裂縫。對于表面混凝土與氣溫溫差過大的情形，在施工中可以通過覆蓋保濕材料等措施來有效避免；但是，對于水泥水化熱引起的溫差是否超過規(guī)范[1]允許值，需要通過詳細的理論分析與計算才能得出相應的結果。

(1)

T0=[0.92(mceTce+msaTsa+mgTg)+4.2Tw(mw-

wsamsa-wgmg)+c1(wsemseTse+wgmgTg)-

c2(wsamsa+wgmg)]÷[4.2mw+0.9(mce+msa+mg)]

(2)

根據規(guī)范[3]所述，本文筏基混凝土的中心溫度T1(t)可以通過式(3)來計算得出，其中Th(t)表示混凝土的絕熱溫升值，其值按式(4)來計算得出，ξt為降溫系數，按規(guī)范取值；筏基混凝土的表面溫度T2(t)可以通過式(5)來計算得出，其中Tq表示大氣平均溫度。

T1(t)=Tj+Th(t)·ξt

(3)

(4)

(5)

混凝土的內外溫差為內部溫度與表面溫度的差值，其結果如表1所示。從表1中的結果可以看出，筏基混凝土的內外溫差的理論最大值為12.5 ℃，沒有超過規(guī)范不大于25 ℃的要求。

表1 不同齡期階段筏基混凝土里表溫度差匯總

3 混凝土裂縫控制施工技術

在工程實際中，筏基混凝土由原材料到固結硬化成水泥石的過程，將要經歷攪拌、運輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護等許多環(huán)節(jié)，因而引起筏基大體積混凝土產生裂縫的原因除本文第2項的幾種情形外，還存在其它諸多方面。為研究筏基混凝土裂縫控制技術，本文從整個筏基混凝土施工工藝流程上人為分解出施工準備階段、施工階段、養(yǎng)護階段等三個時間區(qū)段，研究在三個區(qū)段內各個環(huán)節(jié)可能出現的各種不利因素，對此應采取地相應技術措施，從而有效地避免了筏基混凝土在施工中產生裂縫。

3.1 施工準備階段的裂縫控制技術

該筏基混凝土在施工準備階段最重要的工作是設計好混凝土的配合比。文獻[1]指出大體積混凝土在設計配合比時首先要考慮合理的水泥用量，水泥用量過多將引起混凝土在施工期間由于溫升過大而引起有害裂縫。由此，本工程筏基混凝土選擇水化熱較低、強度等級較高的P.O42.5級普通硅酸鹽水泥。其次，設計配合比時，骨料級配良好，細骨料應選擇中砂，在滿足混凝土設計強度要求的前提下，此項選擇合理地減小了水泥用量，降低了水化熱引起混凝土的溫升效果。第三，選擇適宜的混凝土坍落度，在滿足混凝土的可泵性的前提下盡量減小坍落度的大小；較大坍落度的混凝土在澆筑時在筏基表面會引起較厚的浮漿層，在表面混凝土固化過程中，過大的混凝土干縮變形將形成有害裂縫，本工程根此設計混凝土的坍落度在130±20 mm區(qū)間，既滿足了輸送要求，又控制了一定的收縮變形量，減小了引起裂縫的拉應力，起到了控制裂縫的效果。

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3.2 施工階段的裂縫控制技術

3.2.1 攪拌與運輸控制裂縫技術

在夏季大體積混凝土現場施工時，混凝土的入模溫度不宜超過30 ℃[1]，但根據理論計算的結果，本筏基施工時混凝土的入模溫度達到32.3 ℃，超過了規(guī)范要求。因此，應采取相應的措施來降低混凝土的入模溫度。一種方法是對拌合物降溫，在攪拌水中添加適量冰屑，降低出機溫度，從而滿足澆筑溫度小于30 ℃的要求；另一種方法是也選擇溫度相對較低時間區(qū)段施工，在傍晚和夜間施工時氣溫較低，而且沒有太陽光的輻射，混凝土出料至澆筑施工受外界氣候條件影響很小，可以滿足入模溫度小于30 ℃的要求。

3.2.2 澆筑與振搗控制裂縫技術

筏基混凝土具有體積大、截面厚的特點，混凝土內部水化熱很難散發(fā)而表面散發(fā)相對較快，引起了較大的內外溫差而引起溫度應力產生裂縫。為避免此種裂縫的產生，可以用跳倉法施工，也可以用整體連續(xù)施工[1]。本工程項目中筏基屬于核電站反應堆廠房的重要組成部分，規(guī)范[4]中要求嚴格不許出現裂縫，跳倉法可能留下施工縫處出現通裂縫的安全隱患，故本筏基混凝土選擇連續(xù)澆筑不留施工縫的整體分層連續(xù)澆筑的方法來進行施工。

3.2.3 二次抹壓控制裂縫技術

本項目筏基混凝土具有厚度厚、坍落度大的特征，在混凝土初凝與終凝過程中會出現較大的沉陷與收縮變形，若不采取技術措施，混凝土表面會因此而出現大量的表面裂縫。為盡量避免此類表面裂縫的出現，可采取二次抹壓工藝來完成[1]。在混凝土初凝前與終凝前兩個不同時期采取的對結構或構件面層混凝土進行壓實、抹平，二次抹壓工藝的前后二次抹壓要隔1～2 h施工。但是，在工程實踐中二次抹壓工藝并不能完全消除大體積混凝土的表面裂縫，要滿足核電建筑嚴格不允許出現裂縫的要求，應根據工程實際增設防裂縫鋼筋網。

3.3 合理養(yǎng)護控制裂縫技術

筏基混凝土的合理養(yǎng)護是一個非常重要的施工步驟，它在確保強度的后期合理增長、控制裂縫等方面起著重要的作用。在控制混凝土裂縫時，養(yǎng)護過程的優(yōu)劣主要從三個方面考慮：(1)防止混凝土表面水分蒸發(fā)過快而引起混凝土表面干裂。工程中筏基側表面應由木模板包裹，上表面應由薄膜及保溫材料等材料充分覆蓋，當由于工藝要求需要提前拆除側向模板時，應及時回填土體保護筏基。(2)防止在養(yǎng)護后期混凝土溫度下降得過快。規(guī)范要求不宜超過2 ℃/d，夏季施工時室外氣溫與混凝土表面的溫度差較小，混凝土表面有模板或保溫材料包裹，散熱速度較慢，筏基施工時溫度下降的速度通常不會超過規(guī)范。(3)防止筏基混凝土養(yǎng)護的時間太短，避免由于不利養(yǎng)護而使得混凝土的后期強度有效增長而受到影響。規(guī)范[1]要求大體積混凝土的養(yǎng)護時間不少于14 d，有抗?jié)B性能的混凝土的養(yǎng)護時間不少于15 d[3]，本工程筏基混凝土選擇的是PS40A,屬于有抗?jié)B性能的大體積混凝土，因此混凝土的養(yǎng)護時間不少于15 d。

3.4 增設鋼筋網控制裂縫技術

筏基混凝土在理想的施工和養(yǎng)護條件下通常不會出現裂縫，但是工程實際情況與理想狀態(tài)有較大的差異，當混凝土養(yǎng)護過程中同時出現較大的溫差、較大的干縮變形的情形時，兩種不利因素對混凝土表面同時產生拉應力，疊加后的拉應力效果超過混凝土本身的的抗拉強度，筏基表面出現裂縫。為避免核電建筑筏基中出現表面裂縫，應考慮這種最不利的情形，采取適當的技術措施進行“抗裂”，最優(yōu)的做法為在筏基表面增設抗裂鋼筋。

3.4.1 增設筏基上表面抗裂鋼筋技術

筏基混凝土在養(yǎng)護初期，內部溫度高，表面溫度低，表里混凝土間的溫度差使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力。對于筏基上表面混凝土而言，內部混凝土中心區(qū)域溫度較高，但梯度較小[5-6]，溫差引起的表面混凝土拉應力效果也較均勻(圖2)；而邊緣溫度較低，但梯度較大，溫差引起的拉應力效果不均勻，邊緣區(qū)域的大小一般為筏基半徑R的1/5～1/4，偏于安全考慮本文取R/4。另外筏基表層混凝土是粗骨料含量很少的浮漿層，養(yǎng)護時會產生很大的收縮變形值，收縮變形引起的拉應力效果同溫差引起的在方向是一致的。由于兩種拉應力作用的一致性，兩者疊加后可能會超過混凝土抗拉強度，因此在表層混凝土內應設置抗裂鋼筋[7]。根據拉應力分布情況，在中心區(qū)域設置沿X與Y方向設置水平抗裂鋼筋，而在筏基上表面邊緣區(qū)域設置環(huán)向抗裂鋼筋，徑向設置構造鋼筋；規(guī)范[8]規(guī)定，當筏板厚度超過2 m時，宜沿板厚方向間設置與板面平行的構造鋼筋網片，直徑不小于12 mm，間距不宜大于200 mm，本項目偏于安全考慮抗裂設置φ12@150，鋼筋網設置如圖3所示。

圖2 上表面混凝土溫差應力分布

圖3 筏基上表面抗裂鋼筋網

3.4.2 增設筏基側面抗裂鋼筋技術

在筏基混凝土澆筑完成后3～5 d時間內，由于蓄水養(yǎng)護混凝土的工藝要求，需要拆除筏基側向模板回填土方，這就使得筏基側向混凝土表面暴露在空氣中，溫度下降速度加快，內外溫差加大，引起了較大的環(huán)向拉應力(圖4)；同時筏基側表面混凝土暴露在空氣中引起了較大的干縮變形，也引起了較大的環(huán)向拉應力。為避免此類拉應力引起的筏基側表面裂縫，應在筏基中設置環(huán)向的防裂鋼筋，幫助混凝土抵抗拉應力。在實際工程施工中，為使得設置抗裂鋼筋后筏基有理想的防裂效果，側表面除設置水平向的環(huán)向抗裂鋼筋外，還設置豎直方向的分布鋼筋，形成了抗裂鋼筋網(圖5)，鋼筋網的設置要求同筏基上表面邊緣區(qū)抗裂鋼筋網。按此要求設置抗裂鋼筋網后發(fā)現，筏基側表面混凝土完全消除了裂縫。

圖4 側表面混凝土膨脹應力

圖5 筏基側表面抗裂鋼筋網

4 結論

(1)對筏基混凝土進行裂縫控制時，應先在施工階段應進行裂縫控制的理論分析，然后在滿足理論要求的前提下再選擇恰當的技術措施進行施工處理，這樣筏基混凝土在施工時才能避免出現裂縫。

(2)筏基混凝土裂縫控制技術宜采取“防”與“抗”相結合的原則進行施工，在優(yōu)化混凝土施工配合比、選擇低水化熱水泥、主動降低混凝土內外溫差等方面采取主動控制的方法進行“防”。對于養(yǎng)護初期的混凝土收縮應力和溫差應力采取增設抗裂鋼筋網的做法進行“抗”，這樣才能達到理想的施工效果。

(3)在控制筏基混凝土表面由于干縮和溫差引起裂縫的措施中，可以采取減小水灰比、增加二次抹壓、增設抗裂鋼筋等立法，但設置抗裂鋼筋最為有效。

(4)在養(yǎng)護過程中，用回填土體和養(yǎng)護水作為筏基混凝土的“保護體”，將混凝土進行包裹后蓄水養(yǎng)護，可以避免過快的水分蒸發(fā)和混凝土溫度變化速度過快，養(yǎng)護效果比較理想。

[1] 中國冶金建設協會.GB 50496-2012大體積混凝土工程施工規(guī)范[S]. 北京:中國計劃出版社，2012.

[2] 陳瑋寧.大體積混凝土的裂縫控制及溫度應力計算[J]. 福建建筑, 2009，136(10)：65-67.

[3] 《建筑施工手冊》編委會.建筑施工手冊[M]. 5版. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[4] 國家能源局.NB/T 20021-2010壓水堆核電廠核島筏形基礎混凝土施工技術規(guī)程[S]. 北京：原子能出版社，2010.

[5] 余祖國,何春茂. 筏板基礎大體積混凝土裂縫的數值模擬及施工質量控制[J]. 沈陽建筑大學學報：自然科學版，2010，26(5):913-919.

[6] 王健.筏板基礎大體積混凝土溫度場及應力場分析[D]. 合肥: 安徽建筑大學，2015.

[7] 楊忠勇，魏建國，冀林斌.紅沿河核電站反應堆廠房筏基A、B層整澆施工技術[J].施工技術, 2009，38(8):90-93.

[8] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB 50010-2010混凝土結構設計規(guī)范(2015版)[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.