高层建筑筏板基础大体积混凝土裂缝控制措施研究

侯兴华，李　健，程旭东，何　飞

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580；2.莱西市建筑总公司，山东 青岛 266600)



高层建筑筏板基础大体积混凝土裂缝控制措施研究

侯兴华1，李健1，程旭东1，何飞2

(1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580；2.莱西市建筑总公司，山东 青岛 266600)

大体积混凝土结构在当代社会被大量应用，防止出现混凝土裂缝是大体积混凝土施工中质量控制的重点。通过从结构设计、混凝土原材料的选择、混凝土的配合比优化、混凝土浇筑、混凝土的保温和保湿养护及混凝土温度监控等方面进行分析与研究，总结了防治大体积混凝土筏板基础裂缝的施工措施，具有实际可行性与可操作性。通过对某综合实验楼筏板基础大体积混凝土裂缝控制的分析研究和对检测结果的分析，可以看出选用适当的混凝土原材料，采取合理的施工工艺，以及运用合理的混凝土养护手段，可以实现浇筑后的大体积混凝土内部和表面的温差不超过25℃，温差控制比较理想，结构混凝土质量未出现任何结构裂缝和缺陷，避免了裂缝破坏混凝土的正常使用功能。

大体积混凝土；裂缝；施工

0　引　言

随着城市建设规模的高速扩张，大型建筑物不断涌现，筏板基础大量应用，建筑中包含大体积混凝土的工程项目越来越多。大体积混凝土施工过程中最重要的问题就是裂缝控制，裂缝产生后会对混凝土观感、结构的强度、耐久性、构件承载力造成重大影响，危及建筑物的使用安全。从根本上对大体积混凝土进行分析，找出抑制裂缝生成的关键点，具有重大的现实意义[1]。

1　大体积混凝土裂缝成因

从微观上来讲，混凝土产生裂缝的根本原因是混凝土内部拉应力超过混凝土的抗拉强度，导致混凝土结构开裂。可以分为两类，一是由荷载或约束作用引起结构变形导致的结构性裂缝；二是由温湿度变化和混凝土化学收缩等因素引起混凝土自身胀缩不均匀导致的裂缝，即非结构性裂缝。归结起来，大体积混凝土温度裂缝的主要成因有：荷载及约束因素、温度因素、材料因素、施工工艺因素[2]。

1.1荷载、约束因素导致裂缝

大体积混凝土结构设计不合理，强度、刚度不足时，构件正常工作状态与设计受力、变形状态不相符，造成局部变形过大导致结构开裂。施工阶段混凝土浇筑后施工荷载施加过早或者不按照要求堆放施工荷载会对混凝土结构产生扰动而造成结构裂缝。混凝土初期水化热释放，整体温度逐步升高，体积膨胀，受到基础垫层等约束面的限制，产生压应力，压应力随地基的蠕变作用逐渐释放。后期整体温度回落，体积收缩，则会受到基础垫层约束造成的拉应力。当接触面混凝土抗拉强度不足以抵抗拉伸应力时，就会产生垂直于约束表面的裂缝[3]。另外，混凝土在长期荷载作用下，会产生徐变，若混凝土各批次物理化学性能存在差异，也会在徐变过程中导致不均匀变形而产生内部裂缝[4]。

1.2温度因素导致裂缝

水泥石在凝结硬化过程中会释放很大的热量，普通42.5水泥3 d水化热260 kJ/kg以上，7 d水化热300 kJ/kg以上，混凝土的比热容约为900 J/kg℃。在假定绝对保温环境下，按照每立方米混凝土水泥用量430 kg计算，混凝土3、7 d自身温升值分别为49.6、57.3℃[5-6]。大体积混凝土由于比表面积小，且基础等部位与基地及侧面土层接触，热量难以及时散发，聚集在混凝土结构内部，会形成很大的温升。当混凝土体内各方向单位距离温差达到一定程度，温度应力超过混凝土抗拉强度时，裂缝即产生，裂缝大小与温度梯度大小密切相关[7]。

1.3材料因素导致裂缝

混凝土结构在凝结硬化过程中，随着水泥水化作用的进行以及自然蒸发作用，内部水分逐渐变少，一般情况下会产生0.2‰左右的体积收缩。水泥品种、质量、安定性，骨料的含泥量、掺合料及外加剂、配合比、水灰比和单位体积水泥用量这些因素会从根本上影响混凝土的物理化学性质和收缩特性。不均匀收缩以及混凝土结构收缩造成的局部应力集中达到一定程度都会造成混凝土结构裂缝。材料问题导致的裂缝往往会在混凝土结构内广泛分布，危害很大[8]。

1.4施工工艺

施工操作工艺控制不严，措施不力是裂缝产生的重要原因。混凝土拌和、运输、浇筑、振捣、抹面、养护各个施工环节均对混凝土成型、密实程度以及后期凝结硬化收缩等过程产生重要影响。施工质量控制在混凝土结构形成的过程中时间跨度最长，最容易受到人为的因素影响，对施工管理的要求很高，施工措施不到位导致的混凝土质量问题比比皆是，造成的影响有大有小，也有许多导致严重的质量事故的案例，应当引起足够重视。

总体而言，对大体积混凝土结构进行科学的构造设计，选用适合的原材料及掺合料、外加剂，并确保原材料质量达到标准要求，采用经试验验证的混凝土配合比，严格控制施工工艺质量，做好温度检测和控制才能有效降低大体积混凝土裂缝的产生，保证结构质量。

2　工程情况

某高层专家公寓楼项目，占地面积965 m2，建筑面积16 805 m2，地上25层，地下3层，建筑总高度75.40 m，长度35.6 m，宽度16.5 m。结构形式为框剪结构，抗震设防烈度为6度，基础采用600 mm预制混凝土方桩，桩长8.5 m，桩基以上采用1 200 mm厚C45钢筋混凝土平板式筏板(如图1所示)，抗渗等级为P8，要求对混凝土裂缝进行严格控制。筏板基础施工在春季，施工期间平均温度为10℃，必须进行保温保湿养护，避免产生温度裂缝。在筏板基础设计和施工过程中，通过优化结构设计方案、合理选用混凝土原材料及配合比、严控施工措施，实施混凝土温度监测控制等方法，进行裂缝综合控制，取得了良好的效果。

图1　筏板基础布置图Fig.1 Raft foundation layout

3　采取的措施

3.1设计措施

3.1.1合理设置构造钢筋

对大体积混凝土结构钢筋设计进行优化，在满足结构安全的基础上，尽量采用大量小直径的钢筋替代大直径钢筋，优化钢筋在大体积混凝土内的分布，使其规格一致、分布均匀，充分发挥钢筋的约束力，形成对小单元混凝土体连续一致的构造约束，抵消或分散温度应力，抑制混凝土结构的塑性变形，可以有效提高混凝土结构的极限抗拉强度。在靠近混凝土表面部位以及转角部位设置钢筋网片，抵抗混凝土体和环境的温差造成的温度应力，防止表面裂缝产生。在设计允许的情况下，用混凝土60 d强度标准值替代28 d强度标准值进行结构计算，以减少水泥用量[9]。

3.1.2合理设置后浇带

为了减少混凝土收缩及不均匀沉降对结构的不利影响，筏板基础每隔30～40 m设置700～1 000 mm宽的后浇带。后浇带将大体积混凝土分割成较小的块体，断面可以作为散热通道，及时释放混凝土结构内积累的热量，还可以有效地消散混凝土的收缩变形、温度变形的累积作用。

3.1.3设置膨胀混凝土带

在大体积混凝土容易产生收缩应力集中的中间部位设置2～4 m宽的膨胀混凝土加强带，采用膨胀率为2‰的高一标号膨胀混凝土，以减少混凝土整体收缩量，消除收缩变形造成的不利作用。膨胀混凝土加强带及相邻部位构造钢筋应进行适当加密。

3.2材料措施

在满足混凝土强度等级保证结构安全的前提下，通过合理选用混凝土原材料减少水泥水化热的产生，延缓水化热的释放速度。采用中低热硅酸盐水泥或矿渣水泥，适当选用高标号水泥，使用减水剂、引气剂等外加剂，降低水灰比和水泥用量。掺入粉煤灰代替部分水泥，在保证混凝土流动性和强度的基础上进一步减少水泥用量。使用缓凝剂降低水泥水化速度，减缓水化热释放[10]。

3.2.1混凝土原材料甄选

水泥：选用低水化热的42.5MPa普通硅酸盐水泥，以降低水化热和混凝土绝热温升，水泥28 d水化热300 kJ/kg。严格进行水泥检验复试，确保其安定性及其他物理化学性能达到标准要求。

骨料：选用级配良好，粒径为16～45 mm的粗骨料，严格控制针状、片状骨料，降低粗骨料比表面积，达到减少水泥用量，提高混凝土成品流动性的目的。选用级配良好，泥量及泥块含量低的天然中粗河砂，减少混凝土收缩。

掺合料：采用I级粉煤灰替代部分水泥，进一步降低水泥用量，降低水化热，通过配合比实验选定最佳掺入量[11]。

外加剂：为了减缓水化热的释放，改善混凝土流动性同时减少水泥用量，掺入2%的高性能缓凝减水剂NOS-AS(标准型)[12]，同时将养护时间延长到28 d。

3.2.2混凝土配合比

该工程所用混凝土为商品混凝土，混凝土强度等级为C45，抗渗等级P8，塌落度160～180 mm。采用42.5 MPa低热普通硅酸盐水泥，粗骨料粒径16～45 mm，含水率1.3%，细骨料为中粗河砂，含水率3.4%。为改善混凝土和易性，降低混凝土水化热，添加一定数量的粉煤灰和缓凝减水外加剂，经试验后确定混凝土配合比见表1。

表1　混凝土配合比选用表

施工前与混凝土生产厂家做好协调沟通，严格控制原材料质量，精确测量每个批次原材料的含水率，根据原材料性能适时调整配合比，保证混凝土性能。

3.3施工措施

3.3.1混凝土浇筑

首先要协调好混凝土供应商，保证持续稳定的混凝土供应。做好到场混凝土质量检测，按照要求对混凝土塌落度进行测量，要求塌落度介于100～140 mm之间。因为采用混凝土60 d强度替代28 d强度标准值进行设计，故要留置足够数量的同条件养护试块，以便准确掌握混凝土强度发展情况，该工程要求每批次混凝土留置同条件养护试块15组。通过控制原材料温度，严格保证浇筑初始温度不大于13℃。根据主体工程后浇带设置情况，将筏板基础分为3个施工段，采取分段分层浇筑方式，混凝土每层浇筑厚度不超过500 mm，严格控制上下层浇筑间隔时间。合理设置混凝土布料方案，对于混凝土洒落高度过大的施工死角，要使用溜槽等工具进行浇筑，防止混凝土离析[13]。浇筑前清除基层污物杂物，去除松动砂浆和骨料，并充分润湿无积水。

3.3.2混凝土振捣

体积混凝土分层浇筑后，需要分两次进行振捣。采用慢拔快插的方式进行首次振捣，自下而上的排除混凝土内部空气，直至混凝土不再冒泡和下沉为止。首次振捣完成30 min后再次对混凝土进行振捣，排除多余水分，封闭毛细孔，提高钢筋与的混凝土之间的粘接力。混凝土初凝之前采取“先平后碾再收光的工艺”同时对混凝土表面再次进行抹面收光，减少表面裂缝。

3.3.3混凝土养护

在混凝土浇筑完成后6～8 h开始进行养护，养护的关键是保持湿润和控制温度，根据温度计算和温度监控情况采取保温隔热措施，使混凝土内部热量可控的缓慢释放，保证混凝土中心与表面温差以及混凝土表面与环境温差不会过大而产生裂缝。

本工程采取了“薄膜+毛毡+薄膜+草袋”的方式对筏板基础混凝土进行养护，底层薄膜使混凝土水分不易散失，保证了混凝土强度发展期间的湿度要求。毛毡层夹在上下两层薄膜之间，保持较为干燥的状态，起到良好的保温隔热作用，可以有效控制混凝土结构的热量散失速度，保证混凝土内部和表面温差不超过25℃，每天降温不大于2℃。表层草袋起辅助隔热和温度调节作用，根据实时温度监控情况，保持草袋干燥或适当浇水，以控制草袋温度和传热系数，对混凝土表面温度起到调节作用。

4　热工分析

根据原材料物理化学性质，对混凝土出机温度、绝热温升值、各龄期的内部中心温度情况进行计算。

(1)混凝土出机温度T0[14]

式中：Ws、Wg、Wc、Ww分别为每立方米混凝土中砂、石、水泥、水的用量，kg/m3，各为796、1060、280、125 kg/m3；Ts、Tg、Tc、Tw分别为砂、石、水泥和水的温度，℃，各为11、10、20、15℃；Ps、Pg分别为砂、石的含水量，%，各为3.4%、1.3%；C1为水的比热容，kJ/kg·K，C2为溶解热，kJ/kg，当骨料温度>0℃时，C1=4.2，C2=0。计算得到混凝土的出机温度为12.09℃，施工现场实测混凝土温度为13.20℃，两者较为接近。现场浇筑混凝土温度与环境温度相差不大，整体温度较低，不必对原材料特别进行降温处理。

(2)混凝土水化热最终绝热温升值Tmax[15]

式中：Tmax为混凝土的绝热温升值，℃；mc为单位体积混凝土水泥用量，为280 kg/m3；Q为每公斤水泥水化热量，为300 kJ/kg；ρ为混凝土的质量密度，取2400 kg/m3；C为混凝土的比热，取0.96(kJ/kg·K)。计算得到水化热最终绝热温升为36.46℃。

(3)混凝土浇筑后各龄期的核心温度

混凝土各龄期的核心温度计算结果见表2[16]。

表2　各龄期内部中心温度计算结果

5　温度监测

为了准确掌握混凝土实际温度，及时调整养护措施，除了进行温度理论模拟计算以外，还对特征部位进行了温度变化监测[16]。测温点沿基础长边方向布置，每隔8 m布置一组，共布置5组(如图2所示)。每组设3个测温孔(如图3所示)，采用底端封闭的φ16薄铁管预埋入混凝土中，埋置深度分别在距离筏板顶面200 mm处(A点)、筏板中心处(B点)、距离筏板底面200 mm处(C点)，测温头放置在测温管底部，将测温头上部的测温管进行隔热封堵。每个测温头通过信号线连接主机，进行24 h温度数据采样统计[17]。

图2　测温点平面布置图Fig.2 The floor-plan of temperature measurement points

图3　测温点构造图Fig.3 Structure of temperature measurement points

通过对各组测温点温度数据监测采样分析，得到筏板基础混凝土A、B、C部位温度变化曲线，如图4所示。

图4　混凝土温度变化曲线Fig.4 Temperature change curves of concrete

该筏板基础大体积混凝土温度较易控制，中心温度小于40℃，通过覆盖“薄膜+毛毡+薄膜+草袋”的保温保湿养护方式，即可保证混凝土表里温差小于25℃且混凝土表面和空气温度差小于20℃。气温较高时，可采取措施进一步降低原材料温度，以降低混凝土体初始温度。混凝土的水化热初期释放较快，4 d后缓慢下降，随着水化热释放速度放缓，热量逐渐释放，温度趋于平衡，从第六天开始逐步降温。施工中加强了覆盖保温，保温养护时间20 d。

6　裂缝控制效果

该工程筏板基础浇筑养护28 d后，通过钻孔透射法对裂缝情况进行了超声波检测。检测结果显示，大体积混凝土内部未出现较大裂缝，个别位置混凝土存在少数浅层收缩裂缝，为混凝土养护期间保温保湿控制不严所致。经设计单位认可，采取表层抹灰并涂刷涂料的方法进行处理，以保证结构的耐久性，并改善观感质量。混凝土裂缝控制总体上达到预期效果，后期使用过程中也未发现渗漏等情况。

7　结　论

民用建筑中大体积混凝土一般应用在建筑物基础结构中，对建筑物的结构安全、适用、耐久性起到非常重要的作用，通过科学的方法分析结构特点，从配筋和构造设计、材料选用、施工方案、检测以及维修处理等各个环节对大体积混凝土裂缝进行有计划的综合控制，可以有效地预防裂缝的产生，减少或消除裂缝对结构的影响。

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Study of the Mass Concrete Rack Control and Prevention Measuresof a High-Rise Building Raft Foundation

Hou Xinghua1，Li Jian1，Cheng Xudong1，He Fei2

(1.China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，Shandong Province；2.General Construction Company of Laixi ，Qingdao 266600，Shandong Province)

Mass concrete structure is widely used in modern society，and the technology of preventing concrete cracks in the concrete construction is the focus of quality control.Analysis and studies are made on various aspects，such as structural design，selection of concrete raw material，optimization of concrete mixing proportion，monitoring on concrete construction technique，thermal retardation and moisture protection curing of concrete，as well as concrete temperature，etc.Construction measures are summarized for prevention and treatment of cracks on massive concrete platform bottom plate，and these measures have certain feasibility and operability.According to the study of the mass concrete rack control and prevention measures of a complex experiment and the analysis of the testing data，it is shown that the selection of reasonable concrete raw materials，taking reasonable construction technique and the right maintenance of concrete can help the temperature less than 25℃ in the internal and surface of large volume concrete structure after pouring.This is ideal in the temperature control，and the concrete structures do not present any structural cracks and defects，which ensures the normal use of the concrete structure.

mass concrete；crack；construction

2016-03-21

山东省自然科学基金(ZR2012EEL23)

侯兴华，硕士，工程师。研究方向：建筑施工技术。E-mail：253139786@qq.com

侯兴华，李健，程旭东，等.高层建筑筏板基础大体积混凝土裂缝控制措施研究[J].森林工程，2016，32(5)：101-105.

TU 755

A

1001-005X(2016)05-0101-05