论文部分内容阅读
摘要：温度裂缝时筏板大体积混凝土典型的质量通病，对混凝土结构的可靠性、安全性和稳定性有着较大的影响。本文结合工程应用实例，重点分析了筏板基础大体积混凝土施工温度裂缝产生的原因，并针对裂缝控制工作提出了一些切实有效的技术措施，以供实践参考。
关键词：筏板基础；大体积混凝土；温度裂缝；技术措施
随着我国社会经济建设的快速发展，城市建设规模得到进一步的扩大，各种类型的建筑工程数量日益增加，这对建筑物的质量安全提出了更高的要求。大体积混凝土作为一种新型的建筑材料，具有结构厚实、耐久性好和强度高等特点，目前在城市筏板基础、施工建筑等方面有着广泛的应用。但由于大体积混凝土在浇筑过程中容易受到温度变化、水泥水化热、施工技术和人员操作等因素的影响，致使混凝土结构出现温度裂缝的现象，若施工人员不及时进行有效的措施，不仅会影响到大体积混凝土结构的耐久性、稳定性和安全性，而且也会给建筑物的运作带来严重的安全隐患，甚至造成不可换回的损失。因此，建设单位必须重视筏板基础大体积混凝土温度裂缝的控制工作，采取有效措施，以确保建筑物的质量安全。
1 工程概况
某商业建筑，地下1层，地上3层（局部4层），主体为框架剪力墙结构。主体楼总建筑面积36631.81m2，其中地下13720.32m2，地上22911.49m2。主体楼建筑基底面积8780.04m2，梁板式筏形基础，厚度为500～900mm，地梁厚1.5m，部分达到1.9m。混凝土设计强度C35，抗渗强度P6，筏基部分混凝土总浇筑量9800m3。±0.000以下大体积混凝土浇筑施工都在冬季进行。
2 大体积混凝土裂缝产生机理及原因分析
2.1 筏板基础界定为大体积混凝土的理由
JGJ55—2000《普通混凝土配合比设计规程》中对大体积混凝土进行了解释，描述为：混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。枢纽主体楼的筏板基础厚度虽不均匀（500～1900mm），但笔者认为，术语中的“大”给我们很多混凝土工程的裂缝控制造成了误解，是否界定为“大体积混凝土”，主要应该从水泥水化热引起的内外温差变化和体积变化致使混凝土出现有害裂缝来界定，该枢纽工程基础混凝土浇筑处在冬季施工，混凝土内外温差较大，故应界定为大体积混凝土。
2.2 裂缝产生的原因分析
大体积混凝土产生的裂缝，绝大部分都是温度裂缝，即混凝土在硬化期间水泥水化过程中释放的水化热所产生的温度变化和混凝土收缩，以及外界约束条件的共同作用产生温度应力和收缩应力，而引起混凝土结构出现裂缝。
在冬季进行大体积混凝土的施工，环境温度较低，而混凝土在经搅拌后温度通常较高，外界气温变化大，极易因内外温差过大出现温度裂缝。3种裂缝产生原因：①水化热产生的裂缝；②内外温差产生裂缝；③约束条件产生裂缝。
枢纽主楼大体积混凝土筏板基础在冬季施工中主要从以上3个方面对裂缝产生的原因进行了控制。
3 控制裂缝的技术措施
3.1 减少外部约束条件
枢纽主体楼地基土为粉质黏土，约束很小，实际施工过程中，我们对垫层混凝土采用分块（8m×8m）浇筑的方法，块与块中间设置聚苯板分隔条，进一步降低地基对基础的约束。避免基础混凝土下部因为约束过大而产生不易察觉的裂缝。
3.2 控制原材料及配比
为满足大体积混凝土控制水泥水化热和冬季施工的双重要求，在保证强度的前提下尽量减少水泥用量。混凝土组成材料的种类及掺量选择如下：
1）理论上应优先选用低水化热的矿渣水泥，但考虑到抗冻性要求，该工程选用了P.O42.5水泥。
2）控制粗细骨料质量：选用5～25连续级配的碎石，含泥量不超过1%；选用细度模数在2.5左右的中砂，含泥量不超过1%。
3）掺用2种外加剂和2种掺合料：掺用AN4000聚羧酸系高效减水剂（防冻型），减水率达到32%；掺用膨胀剂UEA，补偿混凝土收缩；掺用Ⅱ级粉煤灰，降低水泥用量、降低水化热；掺用S95矿渣粉，降低水化热。通过掺用外加剂和掺合料，有效地减少了水泥用量，与基准相比，可延缓凝结时间8～10h。
4）优化混凝土配合比：经试验室多组试配比较，确定该基础混凝土配合比。
5）混凝土抗裂验算
以最不利的第4段为验算对象，根据以往冬季施工经验，入模温度要求控制在15℃左右，相关数据查阅《简明施工计算手册》，计算过程如下：
①混凝土水化热绝热升温计算：
T（t）=WQ（1-e-mt）/cρ，（4）
式中：T（t）为混凝土浇筑后某一时间t的绝热温升值，℃；W为每1m3混凝土的水泥用量，kg/m3，该工程为275kg/m3；Q为每1kg水泥的水化热，kJ/kg，该工程为335kJ/kg；c为混凝土的比热，取0.96kJ/（kg℃）；ρ为混凝土的质量密度，取2400kg/m3；m为与水泥品种、温度有关的振捣时水化热速度系数，取0.42。
②混凝土内部中心温度计算
Tmax（t）=Tj+T（t）ξ，（5）
式中：Tmax（t）为不同龄期时混凝土内部中心最高温度；Tj为混凝土入模温度，该工程为15℃；T（t）为混凝土浇筑后某一时间的绝热温升值，℃；ξ为混凝土不同龄期的升温系数，第10d为0.18，第11d为0.15。
③温度应力验算：
以4段为例，该计算段H/L=1900/38000=0.05<0.2，符合计算假定要求。由收缩引起的最大温度拉应力计算公式为：
σmax=EαT[1-1/cosh（β×L/2）]S，（6）
式中：σmax为收缩引起的最大温度拉应力，N/mm2；E为混凝土一定龄期时的弹性模量，N/mm2；计算得19748。α为混凝土的线膨胀系数，1.0×10-5℃；T为结构计算温度，℃；S为应力松弛系数，按第11d取S=0.46；L为结构长度，该计算段為38000mm；β为与底板厚度及地基水平阻力有关的系数，β=（CX/HE）-2，其中，CX为阻力系数，该工程地基土为C10混凝土，取值0.8N/mm3；H为结构厚度，该计算段为1900mm，β=[0.8/（7454×1900）]-2=2.38×10-4。
关键词：筏板基础；大体积混凝土；温度裂缝；技术措施
随着我国社会经济建设的快速发展，城市建设规模得到进一步的扩大，各种类型的建筑工程数量日益增加，这对建筑物的质量安全提出了更高的要求。大体积混凝土作为一种新型的建筑材料，具有结构厚实、耐久性好和强度高等特点，目前在城市筏板基础、施工建筑等方面有着广泛的应用。但由于大体积混凝土在浇筑过程中容易受到温度变化、水泥水化热、施工技术和人员操作等因素的影响，致使混凝土结构出现温度裂缝的现象，若施工人员不及时进行有效的措施，不仅会影响到大体积混凝土结构的耐久性、稳定性和安全性，而且也会给建筑物的运作带来严重的安全隐患，甚至造成不可换回的损失。因此，建设单位必须重视筏板基础大体积混凝土温度裂缝的控制工作，采取有效措施，以确保建筑物的质量安全。
1 工程概况
某商业建筑，地下1层，地上3层（局部4层），主体为框架剪力墙结构。主体楼总建筑面积36631.81m2，其中地下13720.32m2，地上22911.49m2。主体楼建筑基底面积8780.04m2，梁板式筏形基础，厚度为500～900mm，地梁厚1.5m，部分达到1.9m。混凝土设计强度C35，抗渗强度P6，筏基部分混凝土总浇筑量9800m3。±0.000以下大体积混凝土浇筑施工都在冬季进行。
2 大体积混凝土裂缝产生机理及原因分析
2.1 筏板基础界定为大体积混凝土的理由
JGJ55—2000《普通混凝土配合比设计规程》中对大体积混凝土进行了解释，描述为：混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。枢纽主体楼的筏板基础厚度虽不均匀（500～1900mm），但笔者认为，术语中的“大”给我们很多混凝土工程的裂缝控制造成了误解，是否界定为“大体积混凝土”，主要应该从水泥水化热引起的内外温差变化和体积变化致使混凝土出现有害裂缝来界定，该枢纽工程基础混凝土浇筑处在冬季施工，混凝土内外温差较大，故应界定为大体积混凝土。
2.2 裂缝产生的原因分析
大体积混凝土产生的裂缝，绝大部分都是温度裂缝，即混凝土在硬化期间水泥水化过程中释放的水化热所产生的温度变化和混凝土收缩，以及外界约束条件的共同作用产生温度应力和收缩应力，而引起混凝土结构出现裂缝。
在冬季进行大体积混凝土的施工，环境温度较低，而混凝土在经搅拌后温度通常较高，外界气温变化大，极易因内外温差过大出现温度裂缝。3种裂缝产生原因：①水化热产生的裂缝；②内外温差产生裂缝；③约束条件产生裂缝。
枢纽主楼大体积混凝土筏板基础在冬季施工中主要从以上3个方面对裂缝产生的原因进行了控制。
3 控制裂缝的技术措施
3.1 减少外部约束条件
枢纽主体楼地基土为粉质黏土，约束很小，实际施工过程中，我们对垫层混凝土采用分块（8m×8m）浇筑的方法，块与块中间设置聚苯板分隔条，进一步降低地基对基础的约束。避免基础混凝土下部因为约束过大而产生不易察觉的裂缝。
3.2 控制原材料及配比
为满足大体积混凝土控制水泥水化热和冬季施工的双重要求，在保证强度的前提下尽量减少水泥用量。混凝土组成材料的种类及掺量选择如下：
1）理论上应优先选用低水化热的矿渣水泥，但考虑到抗冻性要求，该工程选用了P.O42.5水泥。
2）控制粗细骨料质量：选用5～25连续级配的碎石，含泥量不超过1%；选用细度模数在2.5左右的中砂，含泥量不超过1%。
3）掺用2种外加剂和2种掺合料：掺用AN4000聚羧酸系高效减水剂（防冻型），减水率达到32%；掺用膨胀剂UEA，补偿混凝土收缩；掺用Ⅱ级粉煤灰，降低水泥用量、降低水化热；掺用S95矿渣粉，降低水化热。通过掺用外加剂和掺合料，有效地减少了水泥用量，与基准相比，可延缓凝结时间8～10h。
4）优化混凝土配合比：经试验室多组试配比较，确定该基础混凝土配合比。
5）混凝土抗裂验算
以最不利的第4段为验算对象，根据以往冬季施工经验，入模温度要求控制在15℃左右，相关数据查阅《简明施工计算手册》，计算过程如下：
①混凝土水化热绝热升温计算：
T（t）=WQ（1-e-mt）/cρ，（4）
式中：T（t）为混凝土浇筑后某一时间t的绝热温升值，℃；W为每1m3混凝土的水泥用量，kg/m3，该工程为275kg/m3；Q为每1kg水泥的水化热，kJ/kg，该工程为335kJ/kg；c为混凝土的比热，取0.96kJ/（kg℃）；ρ为混凝土的质量密度，取2400kg/m3；m为与水泥品种、温度有关的振捣时水化热速度系数，取0.42。
②混凝土内部中心温度计算
Tmax（t）=Tj+T（t）ξ，（5）
式中：Tmax（t）为不同龄期时混凝土内部中心最高温度；Tj为混凝土入模温度，该工程为15℃；T（t）为混凝土浇筑后某一时间的绝热温升值，℃；ξ为混凝土不同龄期的升温系数，第10d为0.18，第11d为0.15。
③温度应力验算：
以4段为例，该计算段H/L=1900/38000=0.05<0.2，符合计算假定要求。由收缩引起的最大温度拉应力计算公式为：
σmax=EαT[1-1/cosh（β×L/2）]S，（6）
式中：σmax为收缩引起的最大温度拉应力，N/mm2；E为混凝土一定龄期时的弹性模量，N/mm2；计算得19748。α为混凝土的线膨胀系数，1.0×10-5℃；T为结构计算温度，℃；S为应力松弛系数，按第11d取S=0.46；L为结构长度，该计算段為38000mm；β为与底板厚度及地基水平阻力有关的系数，β=（CX/HE）-2，其中，CX为阻力系数，该工程地基土为C10混凝土，取值0.8N/mm3；H为结构厚度，该计算段为1900mm，β=[0.8/（7454×1900）]-2=2.38×10-4。