張 兵

0 引言

近年來,隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,許多大型建筑也越來越多,超長混凝土結(jié)構(gòu)也是越來越普遍,而且大家對控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的要求也越來越高;尤其對超長地下室結(jié)構(gòu),由于混凝土在硬化過程中不可控制的收縮特性,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)溫度收縮裂縫,所以控制地下室外圍混凝土構(gòu)件裂縫是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。針對普通混凝土硬化過程中的收縮特性,為了補償這種收縮,在1990年,北京市建筑設(shè)計研究院就提出了利用補償收縮混凝土的補償收縮作用,在超長結(jié)構(gòu)中可否少設(shè)或不設(shè)縫的設(shè)想,經(jīng)過20年的發(fā)展,現(xiàn)在補償收縮膨脹混凝土在超長混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的越來越廣泛,技術(shù)越來越成熟,在這里針對補償收縮膨脹混凝土在超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用作個系統(tǒng)的總結(jié),供大家參考。

1 超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫的原因及裂縫分析

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫原因很復(fù)雜,就材料而言,混凝土干縮和溫差收縮是主要原因,尤其對超長混凝土結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)收縮裂縫,超長地下室底板和側(cè)板的裂縫形成也主要是由各種因素帶來的收縮應(yīng)力所導(dǎo)致的?，F(xiàn)以地下室底板裂縫開展為對象作個簡單的分析,從已建的地下室混凝土結(jié)構(gòu)看,超長地下室底板收縮裂縫分布的基本規(guī)律:裂縫垂直于底板的長向,并且沿長向按一定的間距分布。下面從收縮應(yīng)力的角度分析超長地下室底板裂縫的成因,超長地下室底板在溫度收縮變形作用下,混凝土會產(chǎn)生由兩端向中心收縮運動的趨勢,這一趨勢必然受到地基土的約束,因此底板混凝土的全截面將出現(xiàn)拉應(yīng)力,即水平法向應(yīng)力σx。從工程實踐可知,σx是設(shè)計主要控制應(yīng)力,是引起混凝土板內(nèi)垂直裂縫的主要應(yīng)力。此外地基土對地下室底板約束為沿底板長向的連續(xù)式約束,因此從端部向中心,混凝土截面上的水平法向應(yīng)力σx將由于這種約束的不斷積累而越來越大,因此,水平法向應(yīng)力的最大值σmax出現(xiàn)在板截面的中點處,具體如圖1所示。當σmax超過混凝土的抗拉強度(ft),板中部將出現(xiàn)第一條垂直裂縫;混凝土板開裂后,每塊板的水平裂縫將重新分布,最大應(yīng)力σx′將出現(xiàn)在每塊板的中部,當 σx′＞ft時,又形成第二批裂縫,如此繼續(xù),直到σx′＜ft,如圖2所示。

2 摻膨脹劑的補償收縮混凝土的作用機理

普通混凝土摻入膨脹劑后,混凝土適度膨脹,混凝土中的鋼筋對它的膨脹產(chǎn)生限制作用,鋼筋本身也因為與混凝土一起膨脹而產(chǎn)生拉應(yīng)力,同時混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力。根據(jù)國內(nèi)常用的補償收縮混凝土的技術(shù)要求,混凝土在濕養(yǎng)期間,在配筋率μ=0.8%試驗條件下,它產(chǎn)生的限制膨脹率為0.02%～0.03%,在混凝土中形成的預(yù)壓應(yīng)力為0.2 MPa～0.7 MPa,這一預(yù)壓應(yīng)力能夠抵消導(dǎo)致混凝土開裂的全部或大部分應(yīng)力,與此同時,推遲了混凝土收縮的產(chǎn)生過程,抗拉強度在此期間能獲得較大幅度的增長,當混凝土收縮開始時,其抗拉應(yīng)力已經(jīng)增長到足以抵抗收縮應(yīng)力,從而防止或減少混凝土收縮開裂,并使混凝土致密化,提高了結(jié)構(gòu)的防滲能力,達到結(jié)構(gòu)自防水的效果,這就是摻膨脹劑補償收縮混凝土的作用機理,我們就是依靠這種“補償收縮”來控制混凝土收縮裂縫的。

3 地下室混凝土結(jié)構(gòu)對限制膨脹率及膨脹劑摻量的要求

既然補償收縮膨脹混凝土有如此的功效,那么在實際中我們?nèi)绾蝸砼浔取把a償收縮膨脹混凝土”這種材料。補償收縮膨脹混凝土實際就是普通混凝土中摻入適量的膨脹劑,通過試驗檢測是否符合以下三項設(shè)計要求:1)膨脹劑產(chǎn)品是否合格;2)膨脹劑摻量是否符合設(shè)計要求;3)各結(jié)構(gòu)部位混凝土的限制膨脹率是否符合設(shè)計要求。

目前在國內(nèi)市場上的膨脹劑的品種很多,質(zhì)量參差不齊,甚至還存在不合格產(chǎn)品。在合格的膨脹劑中,產(chǎn)品的性能也不盡相同,有的膨脹率雖然高,但干燥的收縮率很大,存在膨脹與收縮“落差”太大的現(xiàn)象。根據(jù)JC 476混凝土膨脹劑標準的確定,應(yīng)檢查其三項指標:1)堿含量不大于0.75%;2)水中7 d限制膨脹率不小于0.025%;3)最大摻量(替代水泥率)不大于12%。凡是經(jīng)檢驗不符合此三項的產(chǎn)品均屬不合格產(chǎn)品,不得使用。

此外,對膨脹劑的摻量規(guī)范也有相應(yīng)的要求,膨脹劑主要功能是補償混凝土硬化過程中的干縮拉應(yīng)力和部分水化熱引起的溫差應(yīng)力,從而能使混凝土中的孔隙減少,毛細孔徑減小,提高混凝土的密實性,防止或減少結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害裂縫。所以要真正發(fā)揮混凝土補償收縮的作用,膨脹劑的選用及摻量是關(guān)鍵。國家現(xiàn)行標準GB 50119-2003混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范規(guī)定,補償收縮混凝土的膨脹劑摻量不宜大于12%,不宜小于6%;填充用膨脹混凝土的膨脹劑摻量不宜大于15%,不宜小于10%。

根據(jù)國家新發(fā)布的GB 50119-2003混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范,摻膨脹劑補償收縮混凝土及填充用膨脹混凝土的特性指標見表1,表2。

表1 補償收縮混凝土的性能要求

表2 填充用膨脹混凝土的性能要求

在設(shè)計時我們一般注明:補償收縮混凝土在水中養(yǎng)護14 d的混凝土限制膨脹率不小于0.025%,填充用膨脹混凝土在水中養(yǎng)護14 d的混凝土限制膨脹率不小于0.035%;同時在不同結(jié)構(gòu)部位要滿足表3要求。

表3 不同結(jié)構(gòu)部位混凝土限制膨脹率

4 在設(shè)計上針對超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)裂縫所采取的方法

1)設(shè)置后澆帶、采用摻膨脹劑補償收縮混凝土控制混凝土裂縫。按規(guī)范,對超長地下室混凝土結(jié)構(gòu),每隔20 m～40 m需設(shè)置一條后澆帶;后澆帶應(yīng)從基礎(chǔ)至頂板頂,即從基礎(chǔ)梁、地下室底板、頂板、內(nèi)外墻、各層樓蓋及頂板的梁板水平及垂直貫通留設(shè),帶寬800 mm～1 000 mm,鋼筋在此處貫通不斷,并增設(shè)相應(yīng)各構(gòu)件的附加鋼筋(地下室后澆帶詳細做法見國標04FG02 P138頁);同時采用摻膨脹劑補償收縮混凝土來限制裂縫的開展?，F(xiàn)階段大部分的地下室均是采用此種方法來設(shè)計施工的。實踐證明,此種方法是合理的,可以解決大部分的混凝土收縮裂縫;但也存在一些缺點,每隔20 m～40 m設(shè)置一條后澆帶,會延長工期,而且后澆帶的清理、灌縫非常麻煩,處理不好會成為滲漏的隱患;此外,后澆帶一般要等到一兩個月才能澆筑,不施工完,降水就不能停止,這會增加大量的降水費用。

2)設(shè)置膨脹加強帶、采用摻膨脹劑補償收縮混凝土控制混凝土裂縫。設(shè)置膨脹加強帶實際是一種無縫設(shè)計思想,所謂“無縫設(shè)計”是個相對概念,根據(jù)結(jié)構(gòu)情況,可無縫或少縫,是專指釋放收縮應(yīng)力的伸縮或后澆縫,不是指也不包括沉降縫。根據(jù)前面補償收縮混凝土工作機理分析,超長結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力集中于跨中,所以膨脹加強帶一般設(shè)在跨中部,每隔30 m左右設(shè)置一道,根據(jù)板的厚度,帶寬為2 m～3 m,帶兩側(cè)設(shè)密孔鐵絲網(wǎng),并用立筋φ 16@300～φ 18@300加固,目的是防止兩側(cè)混凝土流入帶內(nèi)。這樣就可實現(xiàn)混凝土連續(xù)澆筑或稱無縫施工。施工時,帶外用小膨脹的補償收縮混凝土,澆筑到加強帶時,改用大膨脹混凝土,其強度等級比兩側(cè)混凝土高一個等級。澆筑到另一側(cè)時,又改為澆筑小膨脹混凝土。如此循環(huán),可連續(xù)澆筑100 m～200 m的超長結(jié)構(gòu)。

在施工組織中,可根據(jù)現(xiàn)場情況確定采取整體連續(xù)澆筑或局部為連續(xù)澆筑式膨脹加強帶,這可以通過不同形式的膨脹加強帶來實現(xiàn)。具體分以下幾種類型:圖3為連續(xù)施工膨脹加強帶,圖4為間歇式膨脹加強帶,圖5為后澆式膨脹加強帶(在主裙樓交接處也按此設(shè)計,此時該加強帶的設(shè)置除控制收縮裂縫外,還能緩解主樓與裙房之間的差異沉降,澆筑時間同主裙樓之間設(shè)置的后澆帶)。另外,對于超長地下室側(cè)墻,考慮養(yǎng)護困難,環(huán)境溫度、濕度變化大,易收縮開裂,宜用后澆式加強帶,分段澆筑14 d后,再用大膨脹混凝土澆筑回填,見圖6。

根據(jù)以上幾種節(jié)點大樣,結(jié)合實際工程所需的補償收縮混凝土連續(xù)澆筑的結(jié)構(gòu)長度和厚度,按表4可確定所設(shè)膨脹加強帶的條數(shù)、構(gòu)造形式、澆筑方式。

表4 膨脹加強帶分布表

5 結(jié)語

補償收縮混凝土結(jié)構(gòu)與普通混凝土結(jié)構(gòu)的標志區(qū)別是混凝土必須提供初期的有效膨脹,抵制混凝土本身在硬化過程中的收縮。在實際工程應(yīng)用上,還有很多要注意的地方,因為引起混凝土收縮裂縫的因素是多方面的。

針對補償收縮膨脹混凝土這方面的應(yīng)用,只要我們在實際施工時認真應(yīng)用合格的膨脹劑,按設(shè)計要求配比出合格的補償收縮混凝土,并進行合理的澆筑、養(yǎng)護,合理控制超長混凝土結(jié)構(gòu)的收縮裂縫是有很大效果的。本文通過實際工程的設(shè)計經(jīng)驗及有關(guān)國家現(xiàn)行規(guī)范,對如何合理采用補償收縮膨脹混凝土來控制超長地下室混凝土結(jié)構(gòu)收縮裂縫作個系統(tǒng)的總結(jié),希望能給設(shè)計人員一點有益的參考。

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[2] 王 干,趙建忠.超長地下室結(jié)構(gòu)的無縫設(shè)計及施工技術(shù)措施[J].同濟大學華東建筑設(shè)計研究院,2005,21(6):68-71.

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