大體積混凝土抗裂計算及防裂措施

徐艷華

(北京京北職業技術學院建筑工程系，北京101400)

大型設備基礎、橋梁隧道等市政設施基礎、高層超高層等建筑的箱型基礎都是體積較大的鋼筋混凝土結構。在工程實踐中，需考慮由溫差和混凝土收縮所產生的溫度應力是否超過當時的基礎混凝土極限抗拉強度，因而必須進行嚴格的防裂理論計算，以便制定相應的防裂措施，從而確保大體積混凝土質量。

1 工程概況

某工程位于北京市區中心，為大底盤多塔連體結構，南北向長約268 m，東西向長約168 m，室外地面以上高度約60 m，地上15層(2#塔為14層)，地下3層;地下部分為一個結構單元，未設永久沉降縫;地上部分自3層起分為東南西北四塔，均為卵形結構，四個塔體分別在建筑的第2層、3層、4層、6層、7層、13層、14層，采用大跨度的連橋連接，連橋跨度約在20～40 m范圍內。各塔樓均采用框架－剪力墻結構體系，各塔之間的連橋采用鋼結構桁架體系。地基采用天然地基，其中1塔、4塔主樓核心筒區域采用CFG樁復合地基，基礎為梁板式筏形基礎。裙房區域底板厚度為500 mm，塔樓底板厚度為1 800 mm、2 400 mm等。由于本工程底板較厚，混凝土量大，故需對其進行抗裂計算。

2 抗裂計算

根據C35 P8配合比設計，P.042.5R水泥317 kg，水泥發熱量354 kJ/kg，6～9月施工平均氣溫為33℃，混凝土澆筑時的溫度控制在28℃以內。

2.1 混凝土最終絕熱溫升［1］

式中:T(t)為混凝土澆筑t天后的絕熱溫升值(℃);C為每立方米混凝土水泥用量(kg);Q為每千克水泥水化熱量(J/kg);c為混凝土質量熱容，一般為0.92～1.00，取0.96［J/(kg·K)］;ρ為混凝土的質量密度，取2400 kg/m3;e為常數，取e=2.718;m為與水泥品種、澆筑時溫度有關的經驗系數，一般為0.2～0.4;t為混凝土澆筑后至計算時的天數(d)。計算結果見表1。

表1 混凝土澆筑t天后的絕熱溫升值(℃)

2.2 混凝土內部不同齡期溫度

2.2.1 不同齡期絕熱溫升

混凝土塊體的實際溫升，受到混凝土塊體厚度變化的影響，因此與絕熱溫升有一定的差異。根據《建筑施工手冊》資料算得水化熱溫升與混凝土塊體厚度有關的系數ξ值，見表2。

表2 不同齡期水化熱溫升與混凝土厚度有關系數ξ值

式中:Tt為混凝土不同齡期的絕熱溫升;T(t)為混凝土最高絕熱溫升;ξ為不同齡期水化熱溫升與混凝土厚度有關值(表3)。

表3 不同齡期的絕熱溫升(℃)

2.2.2 不同齡期混凝土中心最高溫度

式中:Tmax為不同齡期混凝土中心最高溫度;Tj為混凝土澆筑溫度;Tt為不同齡混凝土絕熱溫升。計算結果見表4。

表4 不同齡期混凝土中心最高溫度

由表4可知，混凝土在6～9 d左右時內部溫度最高。

2.3 混凝土溫度應力

按外約束為二維時的溫度應力(包括收縮)來考慮計算。

2.3.1 各齡期收縮變形

表5 各齡期收縮變形值

2.3.2 各齡期收縮當量溫差

將混凝土的收縮變形換算成當量溫差

式中:Ty(t)為各齡期(d)混凝土收縮當量溫差(℃);εy(t)為各齡期(d)混凝土收縮相對變形值;α為混凝土的線膨脹系數，取1.0×10－5。計算結果見表6。

表6 各齡期收縮當量溫差

2.3.3 各齡期混凝土的最大綜合溫度差

式中:ΔT(t)為各齡期混凝土最大綜合溫差;T0為混凝土入模溫度，取28℃;T(t)為齡期t時的絕熱溫升;Ty(t)為齡期t時的收縮當量溫差;Th為混凝土澆筑后達到穩定時的溫度，取平均氣溫33℃。計算結果見表7。

表7 各齡期混凝土最大綜合溫度差ΔT(t)

2.3.4 各齡期混凝土彈性模量

式中:E(t)為混凝土從澆筑到計算時(齡期t)的彈性模量(MPa)，計算溫度應力時，一般取平均值;E0為混凝土最終彈性模量(MPa)，對于C35混凝土取3.15×104MPa。計算結果見表8。

表8 混凝土齡期t時的彈性模量

2.3.5 齡期t時混凝土溫度(包括收縮)應力

式中:σ(t)為齡期t時混凝土溫度(包括收縮)應力;Sh(t)為考慮徐變影響的松弛系數，一般取0.3～0.5;Rk為約束系數，取0.4;v為混凝土泊桑比，取0.15;α為混凝土線膨脹系數，取1.0×10－5/;E(t)為齡期 t時混凝土彈性模量;ΔT(t)為齡期t時混凝土綜合溫差。計算結果見表9。

表9 不同齡期混凝土溫度(包括收縮)應力σ(MPa)

2.4 結論

由不同齡期混凝土溫度應力計算表我們得知，對于0.5 m、1.8 m、2.4 m的板均在第9 d處于混凝土開裂的危險期。

查C35抗拉強度設計值fct=1.65 N/mm2，計算得:

由上述計算結果可知，對于0.5 m、1.8 m、2.4 m的底板，只要能滿足混凝土內外溫差不大于25℃，混凝土底板內就不會產生貫穿性裂縫。

由于本工程底板混凝土冬季施工一般是0.5 m底板，故不用進行防裂理論計算。

3 施工中防止底板混凝土產生裂縫的措施

3.1 原材料方面采取的措施

本工程選用普通硅酸鹽水泥，其特點是混凝土不易離散，表面泌水少，便于混凝土表面壓光，防止表層開裂;同時在混凝土中最大限度地增加粉煤灰的摻量，減少水泥用量，降低水化熱，使混凝土強度有所增加(包括早期強度)，密實度增加，收縮變形也有所減少，泌水量下降，坍落度損失減少。粉煤灰與減水劑摻入混凝土稱為“雙摻技術”，由此會取得降低水灰比，減少水泥漿量，延緩水化熱峰值的出現，降低溫度峰值，收縮變形也有所降低［2］。

3.2 施工方面采取的措施

(1)嚴格控制混凝土出罐溫度和澆筑溫度。為了減少結構物的內表溫差，控制混凝土內部溫度與外界溫度之差不大于25℃。

(2)采用分段分層澆筑。混凝土采用自然流淌分層澆筑，分層厚度為50 cm左右。在上層混凝土澆筑前，使其盡可能多的熱量散發，降低混凝土的溫升值，縮小混凝土內外溫差及溫度應力。

(3)嚴格控制混凝土的坍落度，進行混凝土的二次振搗，減少混凝土的收縮值，增加混凝土的密實度，提高混凝土的抗裂性能。

(4)混凝土泌水處理和表面處理:及時排除混凝土在振搗過程中產生的泌水，消除泌水對混凝土層間粘結能力的影響，提高混凝土的密實度及抗裂性能。

(5)澆筑混凝土的收頭處理也是減少表面裂縫的重要措施，因此，在混凝土澆筑后，先初步按標高用長刮尺刮平，在初凝前再由抹灰工人逐步壓光。在混凝土終凝前在進行第二次壓光，控制混凝土表面裂縫［3］。

4 結束語

由于大體積混凝土一次澆筑量大、厚度大、強度等級高、技術難度大的特性，使其澆筑過程中溫度裂縫的產生不可避免。但是只要采取相應的措施，從各個方面入手進行有效的控制，就能減少溫度裂縫的產生及發展，提高大體積混凝土澆筑的質量。本工程在施工過程中，通過設計合理的溫度測量和控制方案，取得了較好的實踐效果，有一定的參考價值。

［1］王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業出版設，1999

［2］王利文，張立群.土木工程施工技術［M］.北京:中國建材工業出版社，2007

［3］GB 50204－2002混凝土結構施工工程施工質量驗收規范［S］