淺談高層建筑大體積混凝土施工的溫度裂縫控制措施與方法

(劉敬 西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 710065  熊寶強(qiáng) 陜西省建工集團(tuán)總公司)

    近十多年來(lái)我國(guó)高層或超高層建筑發(fā)展迅猛，施工方法已發(fā)展為以全現(xiàn)澆鋼筋混凝土施工為主體，采用預(yù)拌商品混凝土泵送超高澆筑工藝，施工水平大大提高。高層建筑與低層建筑相比其施工特點(diǎn)是采用高強(qiáng)度大體積混凝土、泵送混凝土施工等一系列關(guān)鍵技術(shù)，單位工程量大、混凝土工程量巨大、施工復(fù)雜、難度高等，其中大體積混凝土施工裂縫的控制十分關(guān)鍵。混凝土裂縫是由于多種復(fù)雜因素作用所產(chǎn)生的拉應(yīng)力引起的，認(rèn)真分析混凝土裂縫的形成原因，才能達(dá)到預(yù)防與控制混凝土裂縫的目的，尤其是大體積混凝土水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱作用而產(chǎn)生的溫度裂縫的控制則是關(guān)鍵。

1．混凝土溫度裂縫產(chǎn)生原因分析

    1.1溫度裂縫產(chǎn)生原因分析

    大體積混凝土表面或溫差變化較大區(qū)域的混凝土易產(chǎn)生溫度裂縫。在混凝土澆筑后的硬化過(guò)程中,水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱。椐有關(guān)資料介紹[1]，當(dāng)混凝土水泥用量在350～550 kg/m3，每立方米混凝土將釋放出17500～27500kJ的熱量，使混凝土內(nèi)部溫度上升至約70℃。由于大體積混凝土內(nèi)部大量聚積不易散發(fā)的水化熱，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，由此內(nèi)外就形成的較大溫差，造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力高于混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫，這種裂縫多在混凝土施工的中后期產(chǎn)生。在混凝土施工過(guò)程中當(dāng)溫差變化較大，或者環(huán)境溫度突然降低，混凝土表面溫度急劇下降，而產(chǎn)生收縮，表面收縮的混凝土受內(nèi)部混凝土的約束，將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，這種裂縫通常只在混凝土表面較淺的范圍內(nèi)產(chǎn)生。通常大體積混凝土裂縫有表面裂縫、收縮裂縫，收縮裂縫按其成因又可分為凝縮、自生收縮、冷縮、干縮等如表1。因此，高層建筑大體積混凝土施工裂縫控制措施必須提前制定合理的預(yù)防與治理措施，對(duì)于溫度裂縫控制措施，如對(duì)水泥水化計(jì)算不準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)混凝土降溫及保溫措施不到位，引起混凝土內(nèi)部溫度過(guò)高或內(nèi)外溫差過(guò)大，混凝土都會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，必須高度重視。

混凝土收縮種類表1

    1.2主要控制措施

    溫度裂縫控制主要措施是減少水泥水化熱，采用較低水化熱水泥，摻粉煤灰和減水劑，提高混凝土抗拉強(qiáng)度；采用泵送預(yù)拌混凝土、分段、分層連續(xù)作業(yè)的合理澆搗方法，并及時(shí)養(yǎng)護(hù)及進(jìn)行測(cè)溫監(jiān)控等。

2．大體積混凝土施工溫度裂縫控制實(shí)例

    本人曾負(fù)責(zé)過(guò)多座高層建筑的管理工作，在高層建筑大體積混凝土施工的溫度裂縫控制措施方面得到一些體會(huì)，如某大學(xué)32層高層住宅樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)二級(jí)，樁筏基礎(chǔ)，筏板為C30混凝土，厚度1500mm，底板外層鋼筋為ф22@170，內(nèi)層鋼筋為ф16@250，長(zhǎng)62.4m，寬為17.3m，混凝土量約1560m3,屬于大體積混凝土工程。采用較合理措施澆筑施工，一次澆筑到頂，刮平養(yǎng)護(hù)后檢查未發(fā)現(xiàn)裂縫，溫度裂縫控制良好，施工質(zhì)量驗(yàn)收合格。施工的具體措施如下：

    2.1混凝土材料選用

    混凝土選用商品混凝土，合理控制混凝土的澆筑溫度，要求攪拌站采取相關(guān)措施，控制混凝土的出罐溫度不超過(guò)30℃。水泥采用PO42.5普通水泥，水泥用量控制在約300kg/m3，砂為中粗砂，含泥量≤3%；石子為5～2.5mm礫石，含泥量≤1%，粉煤灰摻量控制在25%-30%之間；外加劑摻入泵送劑、緩凝型減水劑、膨脹劑，要求混凝土初凝時(shí)間不小于6h。

    根據(jù)使用的材料通過(guò)試配確定混凝土配合比，水灰比控制在0.5-0.6間，雨天加強(qiáng)砂石含水率測(cè)試，砂率控制在0.4-0.5，混凝土坍落度控制在14-16cm。

    2.2混凝土施工熱工溫度計(jì)算

    ①設(shè)商混凝土站出罐溫度T1O 30≤30℃,室外平均氣溫Tq為32℃,攪拌棚溫度Td為27℃。由公式：T1=Tc-0.16(Tc-Td) 求得混凝土拌合物溫度Tc=30.6℃則混凝土澆筑溫度Tj=Tc+(Tq-Tc)(A1+A2+A3) =30.9℃

    ②混凝土內(nèi)部絕熱溫升Tξ=(W×C×Q)/0.83+FA/50=48.2℃

    ③混凝土內(nèi)部最高溫度由分層澆筑厚度450mm，查表得ξ=0.5，Tmax=Tj+Tξ×ξ=55℃

    ④混凝土表面溫度Tb

    β=1/｛（δ/λi）+(1/βq)｝=1/｛（00.002/0.14）+(1/23)｝

    h1=k(λ/β)=0.666×(2.223/5.37)=0.29m

    H=h+2h1=0.9=2×0.29=1.48m

    T =Tmax-Tq=55-32=23℃

    則Tb= Tq+4/1.482×0.29×(1.48-0.29)×23=46.5℃

    ⑤混凝土內(nèi)外溫差為：Tmax-Tb=55-46.5=8.5℃<25℃(可以)

    計(jì)算結(jié)論：經(jīng)過(guò)控制混凝土的出罐溫度及現(xiàn)場(chǎng)采取分層澆筑的措施不超過(guò)30℃，混凝土的內(nèi)外溫差小于25℃。所以養(yǎng)護(hù)無(wú)需采取特殊措施，采用草袋覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)即可。

    2.3商品混凝土拌制、運(yùn)輸

    2.3.1摻入外加劑的混凝土攪拌時(shí)間不得小于2min。

    2.3.2商品混凝土攪拌站，每站生產(chǎn)能力為100m3/h，混凝土輸送車共用8臺(tái)，每小時(shí)供應(yīng)混凝土不少于60m3確保連續(xù)澆筑。

    2.4大體積混凝土澆筑方法

    2.4.1確定分層分塊的尺寸

    大體積混凝土應(yīng)整體、連續(xù)一次性澆筑完畢，根據(jù)減少約束的要求，在保證結(jié)構(gòu)整體性的原則下，將基礎(chǔ)混凝土澆筑平后澆帶處分為東西兩塊分段澆筑，由東往西分兩層采用斜面分層澆筑。每層厚度約450mm，澆筑帶寬度控制在3.0～3.5m間，分層分段尺寸及澆筑方向按照大體積混凝土分層澆筑平面示意圖施工。

    2.4.2混凝土澆筑施工

    ①混凝土由東往西分兩層澆筑，采用機(jī)械振搗，做到“快插慢拔”，每點(diǎn)振搗時(shí)間一般以20-30s為宜，并應(yīng)視混凝土表面呈水平不再顯著下沉、不再出現(xiàn)氣泡、表面泛出灰漿為準(zhǔn)。筏基周邊止水300mm高外墻振搗后，不得再在其下部振搗底板混凝土，避免了出現(xiàn)爛根現(xiàn)象；

    ②控制好層間間隔時(shí)間，一定要在下層混凝土尚未凝結(jié)前澆筑每二層，澆筑帶間、層與層間嚴(yán)禁出現(xiàn)“冷縫”現(xiàn)象。澆筑上層混凝土?xí)r，振搗棒應(yīng)插入下層混凝土5cm左右；

    ③振搗時(shí)要防止振動(dòng)模板，并盡量避免碰撞鋼筋、管道、預(yù)埋件等。每振搗完一段，應(yīng)隨即用刮尺趕平，鐵滾筒碾壓兩遍，木抹子搓平，待混凝土收漿前，再用木抹子搓一遍，搓下次搓實(shí)，避免產(chǎn)生塑性裂縫；

    ④對(duì)混凝土澆筑過(guò)程中，易產(chǎn)生的泌水和浮漿，通過(guò)設(shè)排水溝流入積水坑和后澆帶，再用真空泵抽走；

    ⑤后澆帶處用拉絲鋼板網(wǎng)攔擋，澆筑流入的水泥浮漿應(yīng)及時(shí)清理干凈，后澆帶補(bǔ)澆時(shí)，留縫兩邊應(yīng)放橡膠膩?zhàn)又顾畻l；

    ⑥現(xiàn)場(chǎng)每隔2小時(shí)做一次坍落度測(cè)試，如有問(wèn)題及時(shí)與攪拌站聯(lián)系調(diào)整；每200m3混凝土做3組抗壓強(qiáng)度試塊，抗?jié)B試塊做兩組。

    2.5混凝土養(yǎng)護(hù)    

    混凝土澆筑完畢后，及時(shí)養(yǎng)護(hù)，規(guī)定在12h內(nèi)用草袋覆蓋，并灑水養(yǎng)護(hù)。夏季中午氣溫較高時(shí)，最后一遍木抹子搓完后，應(yīng)及時(shí)用塑料薄膜改用草袋灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14天。

    2.6混凝土測(cè)溫

    2.6.1測(cè)溫孔的布置必須具有代表性和可比性，垂手而得方向上下層均應(yīng)布置，平面應(yīng)在邊緣及中間布置，平面測(cè)點(diǎn)間距一般為3.0-5.0m。測(cè)溫孔用鋼管埋設(shè)，并編號(hào)，孔口若懸河必須遮蓋，測(cè)溫孔布置應(yīng)遵照繪制好的筏基混凝土澆筑測(cè)溫孔平面布置圖進(jìn)行；

    2.6.2測(cè)溫工具宜采用半導(dǎo)體液晶顯示溫度計(jì)。混凝土終凝后每2h測(cè)一次，3天后每4h測(cè)一次，5天后每6h測(cè)一次，測(cè)溫不少于7d。測(cè)溫過(guò)程中，當(dāng)發(fā)生溫差超過(guò)25℃時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取措施降溫，防止混凝土產(chǎn)生溫差應(yīng)力和裂縫

    2.6.3測(cè)溫工作要由經(jīng)過(guò)培訓(xùn)責(zé)任心強(qiáng)的專業(yè)人員負(fù)責(zé)，測(cè)溫記錄應(yīng)交給技術(shù)負(fù)責(zé)人閱簽，作為對(duì)混凝土施工質(zhì)量的控制依據(jù)。筏板測(cè)溫曲線如圖1所示。

3．結(jié)論

    通過(guò)工程實(shí)例分析：根據(jù)建筑設(shè)計(jì)和環(huán)境條件等綜合因素，通過(guò)試驗(yàn)及計(jì)算等優(yōu)化方法制定正確施工方案，采用合理有效的溫度裂縫控制措施，盡量減少水泥水化熱作用，提高混凝土抗拉強(qiáng)度，合理澆搗方法，加強(qiáng)測(cè)溫監(jiān)控及時(shí)養(yǎng)護(hù)等一系列施工措施，是大體積混凝土施工裂縫的預(yù)防與控制的關(guān)鍵。并且應(yīng)加強(qiáng)施工過(guò)程管理，才能保證高層建筑施工工程質(zhì)量，提高高層建筑的施工水平，使我國(guó)高層建筑的發(fā)展邁向新的臺(tái)階。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱伯芳，大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M]，北京:中國(guó)電力出版社，1999 ,劉敬，女，1965.9出生，籍貫西安，高級(jí)工程師。1989年畢業(yè)于沈陽(yáng)建筑科技大學(xué)工業(yè)與民用建筑專業(yè)，現(xiàn)在西安石油大學(xué)土木工程系從事教學(xué)及科研工作，全國(guó)注冊(cè)造價(jià)工程師，發(fā)表多篇論文。聯(lián)系地址：西安石油大學(xué)石油機(jī)械工程學(xué)院，郵政編碼：710065，電話：13002999832.

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)     文徑網(wǎng)絡(luò)：雷丹 尹維維 編輯    劉真 文徑 審核)