常玉東 饒 斌

摘要:大體積砼結(jié)構(gòu)在施工中容易產(chǎn)生裂縫,已為眾多的工程實踐所證實。文章在前人研究的基礎(chǔ)上,分析了大體積砼溫度裂縫產(chǎn)生的機理與危害,同時提出了選擇中低熱的的水泥品種、降低砼的澆筑溫度、盡量減少單位體積的水泥用量、合理配筋等控制措施。

關(guān)鍵詞:大體積砼施工;溫度裂縫;澆筑溫度;水泥用量

中圖分類號:TU528文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)20-0145-02

隨著我國改革開放政策的不斷深化,國民經(jīng)濟得到迅速發(fā)展,綜合國力不斷增強,城市建設(shè)也發(fā)生了日新月異的變化。最引人注目的就是一座座高樓大廈拔地而起,聳入云天,鱗次櫛比,構(gòu)成了現(xiàn)代城市的新景觀。但也出現(xiàn)了許多嶄新的技術(shù)課題亟待解決,大體積砼的溫度裂縫控制就是其中之一。

一、大體積砼與溫度裂縫

(一)大體積砼的涵義

所謂大體積砼,是指任何就地澆筑的大體積混凝土,其尺寸之大,必須要求采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題,以最大限度減少開裂。。由此可見,大體積砼所具備的條件和重要問題可以歸納如下:(1)結(jié)構(gòu)尺寸比較大,具體而言,斷面最小尺寸在80厘米以上;(2)水化熱引起的內(nèi)部最高溫度比較大。具體而言,與外界氣溫之差預(yù)計超過250℃;(3)必須采取溫度控制措施,盡可能減少溫度變形及其引起的開裂。在高層建筑中出現(xiàn)大體積砼結(jié)構(gòu)的部位主要是基礎(chǔ)。特別是沿海地區(qū)在軟土地基上建造的高層建筑,很多采用片筏基礎(chǔ)或樁與筏板復(fù)合基礎(chǔ),其筏板又兼作地下室的底板。一般地,這種底板的面積較大(1000m2以上),厚度也在80厘米以上,大多數(shù)在2.0米左右,厚的可達到5米。砼底板澆筑后,其內(nèi)部最高溫度一般在50℃～80℃,與外界氣溫明顯相差25℃以上。如果不采取一定的措施,砼將很容易開裂,影響結(jié)構(gòu)的整體性并造成地下水滲漏,為整個工程帶來極其嚴重的危害。

(二)大體積砼溫度裂縫的危害

大體積砼結(jié)構(gòu)在施工中容易產(chǎn)生裂縫,這已為眾多的工程實踐所證實。據(jù)初步統(tǒng)計,廈門和福州兩個城市就有10多座高層建筑在施工中遇到地下室砼底板有害裂縫問題,有的工程因此被迫停工處理,有的工程還不得不修改設(shè)計、降低層數(shù),造成極大的損失。因而近年來,大體積砼的裂縫問題越來越引起各方面重視。長期的工程實踐表明,造成大體積砼出現(xiàn)裂縫的因素極其復(fù)雜而且是多方面的。其中:(1)砼配合比設(shè)計上的問題:水泥用量大,水泥發(fā)熱量大,造成砼水化熱溫升過高,溫度變化急劇;水灰比大,灰漿量大,造成砼收縮量過大;原材料性能不良,造成砼本身抗裂能力低。(2)砼施工質(zhì)量上的問題:下料不均勻,振搗不密實;澆筑安排不善,砼內(nèi)部形成冷縫。(3)砼養(yǎng)護土的問題:砼表面裸露干燥,風吹日曬,同部與表面溫差過大;外界氣溫驟降時砼表面無保溫措施。(4)結(jié)構(gòu)型式及構(gòu)造上的問題:幾何尺寸大,超長超厚;形狀突變處未妥善處理;配筋不合理。大體積砼由于溫度變化而產(chǎn)生的裂縫稱為溫度裂縫。眾所周知,混凝土在凝結(jié)硬化過程中,其水泥會釋放出大量的水化熱,使砼的溫度顯著上升。根據(jù)美國墾務(wù)局提出的公式,混凝土內(nèi)部最高溫升與混凝土的絕熱溫升有關(guān),計算公式如下:

Tmax=(W×Qo)/(C×T)(1)

式中:Tmax——混凝土的最高絕熱溫升,℃ ;

W——每立方米混凝土的水泥用量,kg/m3;

Qo——單位水泥28 d積累水化熱;

C——混凝土比熱,取993.7 J/(kg·K);

T——混凝土的密度,取2400 kg/m3。

根據(jù)混凝土最高絕熱溫升Tmax可求出混凝土內(nèi)部的實際最高溫升 Tt。

混凝土的硬化過程是水化熱不斷積蓄與散發(fā)的過程。試驗表明,一般在3d左右齡期混凝土內(nèi)部溫升將達到最大值,之后則呈降溫態(tài)勢。這是因為3d內(nèi)水泥水化快,水化熱釋放速度大于熱量散發(fā)速度而導致混凝土升溫;3d左右后水化熱趨于緩慢,水化熱釋放量不足以抵消熱量的散發(fā),使混凝土降溫。對于不同的混凝土澆筑厚度H和澆筑后不同齡期的溫度變化,通過大量的實測,根據(jù)此可求出各種齡期時混凝土內(nèi)部的實際最高溫升Tt。計算公式如下:

Th=Tt+To(2)

式中:Th——混凝土澆筑后內(nèi)部最高溫度,℃ ;

Tt——混凝土澆筑后內(nèi)部實際最高溫升,℃ ;

To——混凝土澆筑時成型的溫度,℃ 。

一般地,425#普通砼酸鹽水泥每公斤發(fā)熱量達375kJ,如果每立方米砼采用350公斤水泥,則在絕熱狀態(tài)下,砼的溫度將凈升高約580℃。同樣的水泥用量在2米厚的砼底板工程中,其內(nèi)部凈溫升也將達37℃~40℃。如果是夏季施工,砼的澆筑溫度往往超過300℃,則砼內(nèi)部和最高溫度將超出700℃。由于水泥的水化熱釋放主要集中在早期,使混凝土在澆筑后短短幾天其內(nèi)部溫升就很快上升到最高峰,隨后開始降溫。混凝土溫度的這種變化可能造成兩種后果:首先,在混凝土升溫期,砼表面散熱條件好,熱量向大氣散發(fā),溫度上升較少,而內(nèi)部則散熱少,溫度持續(xù)上升,這樣形成的內(nèi)表溫差(溫度梯度)會在砼表層產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。當該拉應(yīng)力超過砼的抗拉強度時,砼表面將產(chǎn)生裂縫。其次,在砼后期降溫過程,由于溫度下降引起砼體積收縮變形,這種變形受到地基及結(jié)構(gòu)邊界約束時也會產(chǎn)生大的拉應(yīng)力。當該拉應(yīng)力超出砼的抗拉強度時,砼將在約束面開裂,嚴重時形成貫穿裂縫,這就是溫度裂縫。因此,應(yīng)當針對工民建大體積砼自身的特點,對其溫度及溫度應(yīng)力的變化規(guī)律、溫度裂縫的控制技術(shù)等方面開展一系列的研究。這對推動當前大體積砼施工技術(shù)的進步,保證工程質(zhì)量,更好地為我國城市的現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)具有極大的現(xiàn)實意義。

二、大體積砼與溫度裂縫的主要控制措施

大體積砼之所以開裂,主要是砼所承受的拉應(yīng)力與砼本身抗拉強度之間矛盾發(fā)展的直接結(jié)果。因而為了控制大體積砼溫度裂縫的開展,就必須從降低砼溫度收縮應(yīng)力和提高砼本身抗拉性能這兩方面綜合考慮,采取各種有力的措施。

(一)選擇中低熱的的水泥品種

造成砼溫度上升的唯一熱源就是水泥的水化熱,它取決于水泥的品種和水泥的用量。資料表明,不同品種與標號的水泥,其水化熱有著顯著的差異。在水泥用量相同的條件下,盡可能地選用中低熱水泥,要以顯著減少水化熱含量,從而有效地減少砼的溫升。比如425號普通砼酸鹽水泥的發(fā)熱量相當于525號普通砼鹽水泥發(fā)熱量的90%,425號礦渣水泥的發(fā)熱量只相當于525普通砼酸鹽水泥發(fā)熱量的80%。

(二)盡量減少單位體積的水泥用量

盡量減少單位體積砼的水泥用量,目的也就是為了減少水泥的總發(fā)熱量,削減砼的溫升值。在實際的大體積砼工程中,根據(jù)電算分析和實測結(jié)果,每立方米砼的水泥用量每增減10kg,對1.0米厚結(jié)構(gòu)的砼溫度升降為10℃,對2.0m厚結(jié)構(gòu)的砼溫度升降為1.3℃。減少水泥用量對削減砼溫升的效果是顯著的,因而成為溫度控制中最有效的措施之一。

(三)降低砼的澆筑溫度

混凝土經(jīng)過出機、運翰、澆筑、振搗、平倉等一系列工序后的溫度稱澆筑溫度。由于砼是在澆筑溫度的基礎(chǔ)上繼續(xù)升溫,因而澆筑溫度的高低對砼整體溫度的影響是明顯的。比如福建地區(qū)一般冬季施工的砼筑溫度在10℃～15℃,夏季施工的砼澆筑溫度可達32℃～36℃,季節(jié)性相差20℃。因而在夏季澆筑砼,對控制砼的最高溫度是極為不利的。為了降低砼的澆筑溫度,首先要控制骨料與拌和水的溫度,必要時可加冰拌加;其次盡量縮短運輸時間,并在運輸、泵送過程中采取一定的遮陽措施,盡量減少砼的冷量損失。根據(jù)工程經(jīng)驗,建議最高澆筑溫度控制在30℃以下為宜。

(四)合理配筋

根據(jù)實踐經(jīng)驗,在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中適當配置構(gòu)造鋼筋,能夠提高結(jié)構(gòu)抵抗溫度應(yīng)力和收縮力的性能。當然,如果配筋率較高,可能造成不但不能抵抗收縮應(yīng)力反而增加自約束應(yīng)力的不利后果。一般來說,在大體積砼中配置溫度筋,宜細宜密,可選用Φ8鋼筋,間距5m,雙向布筋。進行適當配筋后,在局部應(yīng)力集中區(qū)域,由于鋼筋的存在使一定范圍內(nèi)的應(yīng)力重新分布,緩解應(yīng)力集中狀態(tài),這樣就可以推遲砼裂的出現(xiàn),提高了砼的抗裂性能。

(五)內(nèi)部埋冷卻水管

在砼澆筑前預(yù)埋設(shè)好冷卻水管網(wǎng),待到砼初凝后即開始連續(xù)通冷水循環(huán),讓流動的低溫水帶走一部分水化熱,從而達到削減砼溫升的目的。水管冷卻是一種在大壩施工普遍采用的溫控措施,但在建筑工程大體積砼施工中較少采用。這主要因為一方面水管冷卻方案要耗費一定量的管材及布置專門的供水系統(tǒng),給工程施工帶來一定的困難;另一方面建筑工程大體積砼色厚度一般較薄,其它溫控措施基本能夠達到控制目的。但對于個別的工程,如果砼厚度較大或結(jié)構(gòu)比較特殊,在其它措施不能有效地控制砼溫升的情況下,應(yīng)當考慮采取水管冷卻方案。

(六)加強砼表面蓄熱保溫

前述措施的直接結(jié)果都是減少水泥水化熱削減砼內(nèi)部溫升。但往往砼內(nèi)部溫度仍然較高,而表面溫度較低,造成內(nèi)表溫差太大。為了控制砼的內(nèi)表溫差和延緩砼的降溫速率,一個非常重要和必要的措施就是必須對砼表面進行妥當?shù)男顭岜?。即使在炎熱的夏?砼表面的保溫仍然是必要的。當外界是氣溫較低或在施工養(yǎng)護期遇到寒潮襲擊時,更應(yīng)切實做好保溫工作。我們認為,由于草袋在國內(nèi)大部分地區(qū)都容易取得,價格便宜,而且根據(jù)實踐經(jīng)驗,草袋的保溫效果要比油布、帆布等都好,容易滿足溫控要求,所以工程上普遍利用草袋作砼保溫層,應(yīng)用很廣。通常的做法是:先在砼表面鋪一層塑料薄膜,然后在上面鋪一層或兩層草袋,最后在草袋上面再鋪一層薄膜,形成薄膜包草袋型式。實踐表明,這種保溫型式可以達到極佳的保溫效果。比如廈門某國際廣場地下室二層,由塔樓地下室及車庫兩部分組成。塔樓CT5承臺厚2.8m,底板面設(shè)計標高-8.0m,共有三個電梯井,電梯井底板面-8.70m。其中,1-L軸線以北底板面由中往東西做15cm結(jié)構(gòu)找坡。軸線部位有一條2m寬的加強帶承臺為矩形。平面尺寸72.0m×29.6m,屬于大體積混凝土?；炷量偡搅考s為5900m3。承臺側(cè)壁均已砌筑磚胎膜。吳榮昌采用先覆蓋兩層塑料薄膜,再蓋2～3層麻袋,且遮蓋嚴密,以保濕保溫。薄膜的搭接不得小于150mm,麻袋的搭接不得小于100mm,且上、下層麻袋搭接位置必須錯開。墻柱插筋之間狹小空間必須特別注重保溫措施。麻袋的濕潤以噴霧代替灑水,以免混凝土內(nèi)外產(chǎn)生過大溫差造成的副作用。因施工期間平均氣溫為12℃左右。混凝土澆筑后晚間氣溫較低時,用鋼管架搭設(shè)50cm高懸空架,按50m2盞碘鎢燈照射混凝土表面,進行加熱。在實施過程中,保溫層的實際厚度應(yīng)根據(jù)實時溫度監(jiān)測的結(jié)果視溫差大小而調(diào)整。最終混凝土內(nèi)部與表面溫度差最大為23℃,小于25℃滿足規(guī)范要求。養(yǎng)護14天結(jié)束后,經(jīng)過對底板混凝土表面檢查,無明顯的溫度裂縫,達到了預(yù)期結(jié)果。

參考文獻

[1]楊秋玲,馬可栓.大體積混凝土水化熱溫度場三維有限元分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2004,36(2).

[2]張相寶.混凝土構(gòu)筑物裂縫原因分析與處理[J].混凝土,2000,(2).

[3]草維組.混凝土的收縮,開裂及其評價與防治[J].混凝土,2001,(3).

[5]李德榮.砌體結(jié)構(gòu)的溫度裂縫特點[J].建筑結(jié)構(gòu),2002,(6).

作者簡介:常玉東(1975-),男,中國交通建設(shè)股份有限公司二公局四公司工程師,研究方向:公路橋梁。