宝鸡高新大厦基础底板

宝鸡高新大厦基础底板
大体积砼裂缝控制技术
吕盈利 蒋震
 

[摘要] 从材料选择，施工及养护等方面介绍了宝鸡高新大厦基础底板大体积砼裂缝控制所采取的措施，效果良好。
[关键词] 基础 大体积砼 裂缝 控制 水化热 温差 温度应力 配合比

1、 工程概况：
宝鸡高新大厦位于宝鸡市高新开发区高新五路以西，滨河路以南，占地60亩，建筑面积48700㎡。该工程主楼为框架剪力墙结构，地下一层，地上二十八层，总高99.85m，基础埋深－9.100m，基础筏板建筑面积1325㎡，厚1.45m，采用C50 、S8防水砼，配筋为筏板底面?28＠300（双层、双排双向）、筏板顶面?25＠150（双层、双排双向），其中筏板边沿设?10＠200的构造筋。
2、 砼裂缝产生的原因：
宝鸡高新大厦主楼技术复杂，质量要求高，施工难度大，尤其是基础筏板施工质量绝不允许出现裂缝，而筏板由于体积大，强度高，砼内水化热释放量大，温升速度快、峰值高、热量散发排除难，极易出现温度裂缝。
温度裂缝产生的原因：高层建筑底板大体积砼结构的温度裂缝问题一直是影响工程质量和使用功能的主要质量通病，它不仅有损工程外观，影响工程验收，而且易引起地下水渗漏，严重影响地下室的使用功能。
大体积砼施工阶段产生的温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果。一方面是砼由于内外温差而产生应力和应变，另一方面是结构物的外部约束和砼各质点间的约束，应阻止这种应变。一旦温度应力超过砼能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝，这种裂缝一般虽不会影响结构的强度（裂缝宽度应在允许范围内），但却对结构的耐久性有所影响，所以必须予以重视和加以控制，温度裂缝产生的原因如下：
2.1 水泥水化热是大体积砼中的主要温度因素：水泥在水化过程中要产生大量的热量，而大体积结构物一般断面较厚，水泥发出的热量聚集在结构物内部不易散失。通过实测，水泥水化热引起的温升，是与砼单位体积中水泥用量和水泥品种有关，并随着砼的龄期按指数关系增长，一般在10～12d接近于最终绝热温升（视气温变化而异），但由于结构物有一个自然散热条件，实际上砼内部的最高温度，多数发生在砼浇筑后的最初3～5d。
由于砼的导热性能较差，浇筑初期砼的强度和弹性模量都很低，对水化热引起的急剧温升约束不大，相应的温度应力也较小。随着砼龄期的增长，弹性模量的增高，对砼内部降温收缩的约束也就愈来愈大，以致产生很大的拉应力，砼的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。
2.2 砼浇捣时外界气温变化的影响：大体积砼在施工阶段，砼浇筑温度与外界气温有直接关系。一般而言，外界气温愈高，砼的浇筑温度也愈高；外界温度下降，增加砼的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外层砼与内部砼的温度梯度，即会加大砼内外温差和温度应力，这对大体积砼是极为不利的，出现裂缝的机率也会大大增加。
砼内部的温度是水化热的绝热温度，浇筑温度和结构物的散热温降等各种温度的叠加，而温度应力则是由温差所引起的温度变形造成的；温差越大，温度应力也越大。同时，在高温条件下，大体积砼不易散热，砼内部的最高温度一般可达60～70 ℃，并且有较长的延续时间（与结构尺寸和浇筑的块体厚度有关）。合理的温度控制措施，防止砼内外温差引起的过大温度应力就显得更为重要。
2.3 内外约束条件的影响：大体积砼由于温度变化会产生变形，便产生了应力，这就是温度变化引起的应力状态。而当应力超过某一数值，便引起裂缝。
砼内部由于水化热中心温度高，热膨胀大，因而在中心产生压应力，在表面产生拉应力，当拉应力超过砼的抗拉强度值和钢筋的约束作用时，就会产生裂缝。
2.4 砼的干燥收缩变形：砼中80%的水分要蒸发，约20%的水分是水泥水化所必需的，最初失去的30%自由水分几乎不引起收缩，随着砼的继续干燥而使20%的吸附水逸出，就会出现干燥收缩。对于普通砼来说，大多数为收缩变形，少数为膨胀变形。
如前指出，在砼中尚有80%的游离水分需要蒸发，多余水分会引起砼体积收缩，若有约束，即可引起砼的开裂，并随龄期的增加而发展。如果砼收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀几乎达到原有的体积。干湿交替将引起砼体积的交替变化，这对砼是很不利的。对于砼构件而言，由于表面干缩受到中心砼的约束，表面产生拉力而出现裂缝。
通过以上分析，在大体积砼工程中，仅仅根据砼内部最高温度，和内外温差来控制砼质量是不全面的，还应考虑温度应力的影响；而温度应力的大小，又涉及到构筑物的平面尺寸、浇筑高度、基础约束条件，以及砼的各种组成材料特性等多种因素。因此在建筑工程中，必须采用“温差——温度应力”双控的方法，才能避免发生温度裂缝。
3、筏板大体积砼施工预防裂缝的主要措施：
导致大体积砼产生裂缝的原因是多方面的，因此预防裂缝产生要抓住症结，针对性地运用各种技术措施来综合治理，在宝鸡高新大厦主楼大体积砼施工中，我们项目部在接到任务之初，委托陕西省第二建筑工程公司中心试验室对C50 .S8砼配合比进行试配，取得了成功。筏板施工是本工程高强砼施工的开始，我们利用中心试验室的试配成果，征询专家的意见，又结合大体积砼裂缝控制的基础，围绕控制砼内外温差，降低砼温降速度和峰值，减小砼收缩，提高砼极限拉伸等关键，在制定和实施施工方案中，采取了以下一些技术和管理措施，取得了较好的效果。
3.1、优化配合比，优选原材料：
3.1.1优化配合比：大体积砼的配合比在强度、耐久性、坍落度等方面可满足设计要求时，应提高掺合料及骨料的含量，力争把水泥用量降低到最小限度。砼的水灰比宜为0.4～0.6，砂率为40%左右，初凝时间为8～16h，坍落度为160～180㎜。为了降低水化热，应掺加优质粉煤灰等添加剂，掺量≥20%，尽可能采用超量取代，还可掺加抗裂、防冻、减水等外加剂改善砼的性能。
在大体积砼工程中，要把和易性（坍落度）作为一个突出问题来抓。减少水泥固然重要，但砼的水灰比和坍落度，一定要满足施工操作的基本要求，确保砼振捣后里实外光，强度合格。当水泥用量与坍落度（相对应的水灰比）发生矛盾时，应适当增大坍落度指标，调整水灰比，并与外加剂相匹配。
在这项工作中征集了建筑系统众多专家和富有经验的技术人员的意见和建议，通过试验室几十次的反复试配和现场终配，取得了既全面满足工程质量要求，又有利于降低成本的最佳配合比。
3.1.2优选原材料：
①水泥：水泥水化热是大体积砼的主要温度因素，为降低大体积砼中的水化热，筏板选用了陕西耀县秦岭水泥股份有限公司生产的P.O 42.5R中热普通硅酸盐水泥。用量421㎏/m3，它既能满足砼的强度要求，又能有效降低砼中的水化热。
②粗细骨料选用：石子选用渭河的5～31.5㎜卵石，应连续级配，以5～10㎜含量稍低为佳。细骨料采用渭河产的含泥量较低的中粗砂，其粉粒含量通过筛孔0.315㎜不小于15%，对泵送砼尚应通过0.16㎜筛孔量不小于5%为宜。具体应符合相关的标准规定。除此之外，结合大体积砼的特点，尚应注意以下几个问题：
a）拌制砼的骨料要洁净无杂质，以保证砼的质量。砂石属于天然材料，常混入一些有害物质如云母、粘土、淤泥等。特别是一些有机杂质、硫化物及硫酸盐，它们对砼有腐蚀作用，降低砼的强度。若使用混有碱活性反应的骨料（白云石和石灰块等）浇制成砼后，在潮湿环境中，经过一定时间的消化膨胀，便会发生开裂和产生剥落现象，并导致砼结构物的破坏。
b）过多的含泥量不仅使砼的收缩增加，强度降低，而且对其抗裂性能特别有害，因此在施工中应采取严格措施加以控制，含泥量的标准，砂子不超过3%，石子不超过1%。
③活性掺和料：在保证砼C50强度前提下，按胶合料的19.2%掺入宝鸡二电厂生产的Ⅱ级粉煤灰等量取代水泥，使水泥用量降至421㎏/㎡。该粉煤灰中含有硅铝氧化物，它能与水泥将水化产物Ca（OH）2 进行二次水化反应，降低碱量度，抑制碱骨料反应，超润滑作用，可改善砼的粘塑性，并可补充砼要求粒径在0.315㎜以下的细骨料占20%左右的这一部分，改善可泵性，降低水化热。
④外加剂：在大体积砼中，如采用各种外加剂以减少水泥用量，从而降低砼的温升，是一种有效的方法。在大体积砼中之所以采用缓凝型减水剂，主要目的在于延缓水泥水化放热速度，推迟热峰出现时间，降低最高温峰并减少总的发热量，以减少砼因温度而引起的裂缝。同时由于延缓了砼的凝结时间，有利于在浇筑和捣实大体积砼时不出现施工冷接缝，有利于延长振动时间或扩大振动范围。
在配合比设计中按5.55㎏/m3 的掺量掺入UNF-1高效泵送减水剂，该减水剂属萘系，净浆流动度230㎜，抗压强度比R28为120.7%，减水率高达12～20%。它的重要作用：a是能大幅度减水从而减少了砼的收缩和沁水；b是能降低水胶比，从而节约水泥降低水化热；c是延长砼的缓凝时间（约10小时），从而降低了砼的温升速度，避免产生施工冷缝；d是增加了砼的和易性，从而改善了砼的可泵性，便于施工。
另外按34㎏/ m3 的掺量掺入UEA膨胀剂，他能使砼产生微膨胀，补偿收缩，抑制裂缝生产。
3.2综合技术措施：
筏板大体积砼浇筑时气温较高，砼入模温度高，坍落度损失大，初凝时间提前。所有这些给施工及砼养护带来很大困难，根据这样的施工环境，为确保筏板大体积砼的浇筑质量，采取了如下技术措施。
3.2.1根据配合比进行热工计算：
所得计算结果为砼正确有效地保温养护，防止裂缝产生，提供了可靠的科学依据。在热工计算结果中，砼入模温度TJ=19.5℃，砼的绝热温升Tτ =31.9℃，砼内部最高温度为51.4℃。
3.2.2从原材料降温入手，尽可能降低砼入模温度，针对高温环境，采取了水泥提前进场入库散热，砂、石堆放处搭设凉棚防晒，石子上喷洒凉水降温，采用深井凉水拌合砼等措施，将砼入模温度控制在25℃以下。
3.2.3筏板砼连续浇筑，施工时沿长边方向自一端向另一端推进，逐层上升。即采取“一个坡度，层层浇筑振捣、一次到顶、边打边退”的方法。这种利用自然流淌形成的斜坡浇筑方法，较好地适应了泵送工艺，避免了泵管经常拆除和接长，提高了泵送效率，简化了沁水处理，保证了上下层浇筑间隔不超过初凝时间，避免了出现施工冷缝。
3.2.4在振捣方法上，先振捣泵管处砼，以形成流淌坡度，然后沿整个流淌面由下向上全面振捣，在砼初凝前采取二次振捣方法并用铁滚筒滚压数遍，以提高砼密实度，减少初始微裂缝的出现，增强抗裂能力。
3.2.5 处理好砼面层收头，防止出现表面龟裂，因本工程采用泵送砼，其砂率较大，砼浇筑振捣后表面会形成一层较厚的浮浆。在筏板表面收光时，掌握好砼初凝时间，在其初凝前将预先高出筏板顶标高约5㎝的浮浆刮去，然后按标高用长刮尺刮平，用木抹子反复搓压数遍，使其表面密实，在初凝前再用铁抹子压光。这样做能够较好地控制砼表面收缩龟裂，减少砼表面水分散发，促进了养护。砼表面泌水及时进行引导集中排除，砼硬化后的表面塑性收缩裂缝灌注水泥素浆刮平。
3.2.6 大体积砼的养护，不仅要满足强度增长的需要，更主要是通过人工的温度控制，防止因温度变形引起结构物开裂。本工程筏板砼采取了如下养护措施：砼初凝前，筏板表面用铁滚反复碾压，闭合其表面毛细孔，保持内部水分；砼表面在初凝后覆盖塑料薄膜，终凝后蓄水养护，注水深度10㎝，当砼表面温度与养护水的温度超过200C时即注入热水令温差降到100C左右。
对于墙体插筋部位，塑料薄膜要从钢筋上插入并满铺麻袋，以增强保温效果，防止由于墙体部位表面覆盖不严造成散热太快，形成较大温差而出现裂缝。筏板侧模外包两层麻袋，在砼降温过程中，再包一层塑料布。砼的养护时间自砼浇筑开始计算不少于14d，养护期内（含撤除保温层后）砼表面始终保持潮湿状态。
对筏板砼养护过程中的温度控制，我们遵循了以下原则：
○1砼的中心温度与表面温度之间的差值，以及砼表面温度与环境温度均不大于250C。
○2砼的拆模时间充分考虑了气温环境等情况，使其有利于强度的正常增长，即拆模时砼的温差不能太大。
○3为了保证新浇筑的砼有适宜的硬化条件，防止在早期由于干缩而产生裂缝，筏板砼在浇筑完后，及早洒水养护（早期为避免太阳光直接照射，砼表面用麻袋等遮盖），以保持砼表面经常湿润为原则，模板上也经常洒水，砼养护时间不少于14d。
3.2.7 砼温度监测与温度调控措施：
①布置好测位和测点：在砼浇筑前，在筏板平面布设21个测位。每个测位沿剖面不同高度呈三角形布设3个测温点，合计63个测点，并进行逐一编号。
②测温制度与测温原则：测温延续时间自砼浇筑终凝开始至撤保温后为止。测温时间间隔，砼浇筑后1～3d为2h，4～7d为4h（砼温升阶段），其后（温降阶段）为8h，同时测大气温度。测温时严格控制砼中心温度与表面温度，及砼表面温度与环境温度均不大于250C，在测温过程中发现温差超过200C时，即迅速采取了有力措施，防止了砼因产生太大温差应力而导致裂缝。
③测温记录分析：从测温记录看，砼浇筑48小时后，温升峰值达到800C，砼表面600C，温差200C，环境温度360C，温差240C。砼浇筑十天后，中心温度降至320C，表面温度300C，大气温度250C，两处温差均小于250C，这说明所采取的综合防裂措施尤其是养护措施是成功的。
3.3管理措施：
3.3.1 施工现场成立了临时指挥组，加强了调度平衡。各关键部位派专人盯住，及时排除故障，保证了整个施工按预定计划紧张有序、畅通无阻地顺利进行。
3.3.2 精确计算，做好充分的施工准备。根据筏板砼的浇筑量，工作面、运距和最短工期，精确地计算出所需搅拌机、砼输送泵的规格、数量，最大限度地提高效率和效益。
3.3.3周密安排，确保施工顺利进行。配备足够的搅拌、泵送、浇捣设备。四台搅拌机，2台砼输送泵，12根振动棒，同时运行，齐头并进，连续快速施工，在现场自拌的条件下，2100m3 砼用80小时浇筑完毕，有效防止了施工冷缝出现。
3.3.4加强监督，严把质量关，重点把好砼现场搅拌检测关。对到场原材料严格控制，严格检查砼的坍落度，不符合要求的严禁使用。
通过综合技术措施和管理措施的实施，较好到达到了优质、快速浇筑筏板大体积砼的目的，砼经过14天养护期满后，外光内实，无裂缝出现，对结构实体检验用600℃•d同条件养护的11组试块试压，平均值达到56.3MPa，最小值54 MPa，满足了设计要求。
4、体会
预防大体积砼出现裂缝，最关键的是通过科学的计算，采取“温差—温度应力”双控制的方法，将砼内外温差控制在规定的范围内，以避免结构物出现温度裂缝。达到这一要求的途径和方法是多种多样的，其中，规定的入模温度只是在一定条件下的一种控制手段。若这种手段受条件所限制难以达到规定要求时，是可以用其它措施弥补的。
我们浇筑筏板大体积砼正值6月上旬，环境温度最高达38℃，在这种情况下，若硬要将砼入模温度降到所要求的数值，势必大大增加降温成本，而且会给施工带来诸多不便。由于采取了各种综合措施特别是蓄水养护措施，虽然入模温度最高达到36℃仍然有效地控制了砼的内外温差，防止了裂缝。
我们从这一实践深感，预防砼出现裂缝，只要抓住控制砼内外温差及温度应力这一核心问题，途径和方法可以不拘一格，至于选择哪种途径和方法，则要从实际出发，不能一概而论，我们的实践只是多种途径和方法中的一种尝试。

参考文献：
[1].周世明. 建筑施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.
[2].陈肇元. 砼结构耐久性设计与施工指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[3].王铁梦.大体积砼裂缝控制[M].北京：建筑技术杂志出版社，1989.