大体积混凝土底板的裂缝控制研究

曾 亮

(重庆四方新材股份有限公司， 重庆 400010)

大体积混凝土底板的裂缝控制研究

曾 亮

(重庆四方新材股份有限公司， 重庆 400010)

本文首先分析了当前大体积混凝土结构特点和现有的控制措施及其存在的不足之后，然后根据实际工程需要，综合利用滑动层减阻效应、钙镁复合膨胀剂联合补偿效应、以及分阶段全过程的养护方式，探讨了一种超长、超大体积混凝土底板的裂缝控制方法，为同行在相近的实际工程裂缝控制时提供参考。

大体积混凝土；超长结构；裂缝控制

0 前言

随着经济的迅速发展和科学技术的进步，建筑工程向超大化和多功能化发展，一些超大体积建构筑物不断出现，大体积混凝土在工程中的应用越来越多，超长、超大体积的混凝土底板基础日益增多[1]。超长、超大（即长度超过 60mm，面积超过3600m2）的基础底板作为一种大体积混凝土，具有体积大、工程条件复杂等特点，受温度应力与收缩应力的叠加作用容易产生开裂。由于底板基础超长、超厚，又因基础地质受力情况不同，混凝土裂缝控制技术难度增大，底板混凝土结构裂缝问题是一个相当普遍的质量问题。如何抑制大体积底板混凝土开裂风险，是目前广大工程技术人员努力探讨的课题。

1 大体积混凝土的结构特征

大体积混凝土的几何形体、内部受力和约束不同于普通混凝土，因此大体积混凝土结构具有不同于一般混凝土结构的特点[2]：一、混凝土是抗拉强度较小的脆性材料，其抗拉强度仅为抗压强度的1/8-1/18，混凝土拉伸变形能力也很小，短期加载时的极限拉伸变形只有(0.6-1.0)×10-4，约相当于混凝土温度降低6-10℃的变形，长期加载时的拉伸变形也只有(1.2-2.0)×10-4；二、大体积混凝土浇筑初期，其弹性模量较小、徐变较大，混凝土内部水化温升导致形成的压应力并不大，但在日后混凝土达到最高温度并开始降温时，混凝土弹性模量较大、徐变较小，在一定的约束条件下回产生较大的拉应力；三、大体积混凝土通常是全部或大部分暴露在外，直接与空气接触，混凝土表面水分的蒸发和周围环境温度随季节的变化均会引起大体积混凝土产生较大温度收缩应力和失水收缩应力。在降温过程中同时伴随混凝土体积收缩，当混凝土受到基础约束时，在其内部产生温度应力，冷却到稳定的温度时，温度应力达最大值。如果混凝土表面发生温降，同时再伴随着混凝土的干燥收缩，自干燥收缩均可在混凝土外部产生较大的拉应力，如果此时在混凝土内部也有较大的收缩拉应力，就可能引起贯穿性裂缝。

2 大体积混凝土的裂缝控制方法及存在问题

目前大体积混凝土工程中，为了抑制混凝土开裂，采取的主要措施有[3]：一、在大体积混凝土内部预埋冷却水管的方式，通过循环冷却水的流动带走结构核心部位的集中热量，以降低结构内外温差，实现对温度应力的控制；二、利用相变储能材料能够在相变过程中吸收大量的热量，并保持温度相对稳定的特点，提出了制备相变控温储能机敏混凝土来控制大体积混凝土温度裂缝的技术途径；三、利用张拉钢筋预先导入一部分预应力，以便抵抗收缩过程产生的收缩应力。

然而，目前的大体积混凝土施工依然存在这样或那样的问题，因为没有准确地与材料本身的特性相结合，往往并不能代表真实的施工情况；由于目前各单位施工队伍质量的参差不齐，对于冷却水通水降温的时机及水温的掌控时常达不到控制要求，经常发生局部降温过快而引发开裂的状况产生；对于相变蓄热大体积混凝土材料的研究目前还处于起步阶段，实际应用过程中还存在材料造价高、制备工艺复杂以及施工不易控制的特点，尚无法大规模进行工程应用；预应力技术施工过程复杂，张拉设备要求高，好多工地现场难以实现，且张拉预应力不可根据实际工程混凝土的收缩历程进行有效调控，导致其抗裂效果较弱。

3 工程概况

某地下空间开发工程为地下两层结构，负二层底板直接与地基基础相连，主要采用钢筋混凝土框架结构，建筑面积 18683m2，其中地下二层建筑面积 9296m2（含人防），地下一层建筑面积9177 m2。基础底板长183m，宽51m，厚1.5m，属超长超大体积混凝土结构。混凝土强度等级为C35，抗渗等级为P8。由于工期紧张，且受大截面、大体量、超长结构形式及施工工艺等因素影响，构筑物容易在施工阶段就出现因温度、收缩以及约束等原因而产生的危害性裂缝。鉴于现阶段我国建设工程的特点，众多施工单位的设备装备水平以及施工人员的技术水平有限，复杂施工工艺的并不适合在此工程中使用，若要在确保施工工期的条件下提升此大体积混凝土底板的抗裂性，确为一项很具挑战性的任务。

4 裂缝控制技术措施

现浇大体积混凝土底板的开裂，有些是由单一因素引起的，如环境温度、湿度变化等，但更多的是由多种因素的综合作用形成。诸如，结构设计方面：滑动层设计不合理，滑动能力弱、基础约束大，导致底板混凝土约束开裂风险增大；原材料及配合比方面：混凝土配合比不合理，水化温升高、内外温差大、收缩变形显著，导致混凝土收缩开裂风险加剧；施工过程方面：浇筑时混凝土的工作性能、养护方案不合理等，导致底板混凝土表层开裂风险增大。针对本工程的复杂性和工期紧迫性，我们从结构设计入手，科学利用滑动层减缓大体积混凝土与基础的约束应力，利用膨胀历程可调控的钙镁复合膨胀剂分阶段全过程补偿大体积混凝土的失水收缩和温降收缩，利用减蒸剂与养护剂相结合的养护方式，使保湿养护与保温养护有机统一，既能减缓失水收缩应力和温降收缩应力集中现象，又能促进钙镁复合膨胀剂的水化进程，在确保施工工期的同时，提高混凝土抗裂性。

4.1 铺设滑动层减缓基础约束应力

先将开挖后的基础土方平整后，浇筑一层厚度为40mm、强度等级为C15的素混凝土作为基础垫层。待基础垫层硬化后，将垫层表面清扫干净，并在基础垫层上先铺设一层厚度为0.25mm的聚乙烯塑料薄膜，然后将粉煤灰、滑石粉和水按质量比3:7:3在工厂集中拌和均匀，用泵车送至施工现场后直接喷涂在塑料薄膜上，喷涂厚度为 10mm左右，在保证滑动层厚度的同时确保粉煤灰滑石粉浆体喷涂的均匀性。在喷涂好的粉煤灰滑石粉浆体上及时覆盖一层厚度为0.25mm的聚乙烯塑料薄膜，聚乙烯塑料薄膜铺设要平整，薄膜接缝处要使用热熔焊接，确保铺设的聚乙烯塑料薄膜是一完整体。由此在基础垫层上表面形成一层滑动层。通过引入粉煤灰与滑石粉的优化组合，利用粉煤灰和滑石粉的球形颗粒的滚珠润滑效应，提高了滑动层的滑动效果，解决了现有滑动层材料选材控制要求高、颗粒多棱角、滑动效果弱的难题，通过将滑动层细粉料粉煤灰和滑石粉与一部分水混合预先混合均匀在铺设施工的方式，解决了现有滑动层技术中干拌混合料难以铺设均匀的难题，并进一步提高润滑效果，从而进一步提升滑动层滑动效果。此滑动层的应用大大减缓了底板混凝土与基础之间的约束应力，提高了底板混凝土抗裂性。

4.2 掺用钙镁复合膨胀剂补偿温降收缩和自收缩

采用优质的混凝土膨胀剂并保证掺量，能够产生足够的有效膨胀，可以部分补偿混凝土降温阶段的温度收缩以及胶凝材料水化过程中的自收缩。膨胀剂通过与水反应水化产生有效膨胀，但对于本工程而言，混凝土强度等级较高，用水量较低，混凝土结构致密，外界水分很难渗透进入混凝土内部，势必造成内部相对湿度较低，无法为传统的需水量较高的硫铝酸盐类膨胀剂水化提供足够的水分。因此，对于本工程的大体积混凝土底板结构，我们采用水化需水量小的氧化钙类膨胀剂和氧化镁类膨胀剂。根据氧化钙类膨胀剂具有早期膨胀大、膨胀速率快的特点，而氧化镁类膨胀剂早期膨胀小、膨胀速率慢，具有中后期持续膨胀特性的特点，通过一定比例的氧化钙膨胀剂与氧化镁膨胀剂优化复合组成膨胀发展历程可调控的复合膨胀剂，使其膨胀发展速率与混凝土收缩过程相匹配，一方面膨胀剂水化产生的体积膨胀填充到混凝土各种级别的孔隙中，起到补偿大面板混凝土收缩的目的，另一方面使膨胀剂水化产生的膨胀在填充混凝土孔隙之余，通过膨胀产生的化学预应力张拉钢筋，提高混凝土自身抗裂性能。

4.3 分阶段全过程养护确保施工质量

按照混凝土的水化过程将养护划分为塑性阶段的减蒸养护和硬化阶段的保湿保温硬化，通过养护阶段的划分，更有针对性和科学性地养护抗裂混凝土，通过精心养护，降低底板混凝土表面水分蒸发速率和温降速率，使底板混凝土由于失水过快导致的干燥收缩应力集中和由于温度下降过快导致的温降收缩应力集中的现象得到有效缓解，为混凝土自身抗拉强度的发展提供时间，并有利于抗裂混凝土的水化发展，显著提升了底板混凝土的抗拉性。具体而言，在混凝土浇筑后立即喷洒水份蒸发抑制剂，混凝土表面收干后开始一次抹面施工，一次抹面后再次喷洒水份蒸发抑制剂以减少混凝土表层水份蒸发，降低塑性开裂风险，终凝前2h进行二次抹面抛光处理；混凝土终凝硬化后立即喷洒养护剂，防止混凝土表层干燥失水而产生干燥收缩裂缝，每次喷洒养护剂的量为250g/m2抗裂混凝土，先后喷洒三次；待养护剂喷洒完毕后，在混凝土表层覆盖一层10cm厚的聚苯板进行保温养护，养护期为14天，减缓混凝土散热速率，防止混凝土温降幅度过大而产生温度收缩裂缝。通过在混凝土硬化前的塑性阶段喷洒水分蒸发抑制剂，使混凝土在凝结硬化前的塑性状态下形成单分子膜的保护层，有效减少混凝土表面水分的蒸发速率，降低混凝土塑性开裂的风险；当混凝土硬化后再利用喷洒养护剂+覆盖聚苯板保温的方法，一方面进一步降低混凝土在硬化阶段的水分蒸发损失，并为混凝土的水化提供自由水，另一方面通过聚苯板保温养护，有效减少了大面板混凝土从温升最高点向环境同化过程中的温降幅度，减少了由于温降速度过快导致的温度应力收缩开裂。由此可知，分阶段全过程的养护方式有效调控了底板混凝土表面水分蒸发速率和温降速率，并通过保湿保温的养护过程有效促进混凝土的水化，有利于混凝土抗裂性的整体提升。

5 应用效果

本工程用超长、超大体积混凝土底板于2014年5月15日浇筑完毕，于2014年6月10日养护结束后拆除保温板，未发现任何肉眼可见裂缝。目前经过三年多的使用运行，也没有发现任何渗漏性裂缝。

6 结语

随着国内大型重点工程的高速发展，大体积混凝土结构因为裂缝控制不力，在施工过程中产生的一系列问题逐渐引起大家重视。如何抑制大体积底板混凝土开裂风险，是目前广大工程技术人员努力的方向。本文在分析当前大体积混凝土结构特点和现有的控制措施及其存在的不足之后，根据实际工程需要，利用特定组成的滑动层减缓大体积混凝土与基础的约束应力，利用膨胀历程分阶段全过程调控补偿大体积混凝土的失水收缩和温降收缩，利用减蒸剂与养护剂相结合的养护方式，使保湿养护与保温养护有机统一，既能减缓失水收缩应力和温降收缩应力集中现象，又能促进抗裂混凝土的水化进程，在确保施工工期的同时，提高混凝土抗裂性。

[1] 王晗. 筏板基础大体积混凝土施工裂缝控制研究[D]. 大连：大连理工大学,2013.

[2] 龚剑，李宏伟. 大体积混凝土施工中的裂缝控制[J]. 施工技术,2012,41(361):28～32.

[3] 侯雁南. 大体积混凝土裂缝控制及处理措施研究D]. 济南：山东大学, 2007.

TU528

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1007-6344（2017）10-0297-02