秋冬季节超长混凝土结构裂缝控制关键技术研究

文摘 2024-12-14 07:03 河南

引言

秋冬季节超长混凝土结构开裂的主要原因一是超长结构混凝土受外部刚性约束大，混凝土因收缩变形产生裂缝的风险高；二是早晚温差大，混凝土降温快，增加了温度收缩的开裂风险；三是气候干燥多风，混凝土水分散失较快，加剧了干燥收缩。此类裂缝还常伴有渗漏水现象，不仅会影响构筑物的使用功能，而且严重时会影响工程结构的耐久性能。膨胀剂配制补偿收缩混凝土，降低混凝土开裂风险，目前在国内已有较多的应用案例。如纤维复合材料可增强混凝土的抗拉性能，弥补混凝土抗拉强度较低的不足，再添加具有一定减缩作用的减缩材料，可进一步提高混凝土的抗裂性能。目前，针对使用膨胀剂、聚丙烯纤维、减缩材料3种组分进行复掺，研究其对超长混凝土结构抗裂性能影响的国内相关文献报道较少。

本文依托于在秋冬季节施工的苏州市巴城高级中学新建工程项目，其中，地下车库主体结构采用了超长混凝土结构无缝施工技术。在此基础上，首先根据项目结构信息、区域气候特点，对混凝土配合比进行优化，将膨胀剂、纤维复合材料复掺配制抗裂防渗混凝土，同时在试验室研究其抗裂作用机理；其次对工程地下车库主体结构采用后浇带和膨胀加强带相结合的构造形式，实现超长结构无缝施工技术，在现场施工过程中辅以配套的技术措施；最后在混凝土中预埋振弦式应变计，实时监测混凝土内部应变变化规律。通过以上技术措施的实施，综合分析和研究工程实体结构混凝土的裂缝控制效果。

1工程概况

“巴城高级中学新建工程项目”地下车库为一层框架结构，防水等级为一级，结构设计使用年限为50年，其基础垫层混凝土强度等级为C15，基础底板和顶板防水混凝土标号为C35P8，外墙防水混凝土标号为C40P8（局部C55P8）。地下车库结构尺寸约长297m，宽99m，高4.2m，占地面积约1.5万立方米，底板厚度400mm，外墙厚度300mm，高度约5m，防水顶板厚度250mm（局部400mm）。

为提高混凝土的抗裂防渗性能，本工程地下车库基础底板、外墙和顶板等结构部位均采用“高性能膨胀剂+纤维复合材料”配制的补偿收缩混凝土进行浇筑施工。为实现本工程钢筋混凝土结构超长无缝施工技术，同时考虑到区域商品混凝土现状，地下车库主体结构设计中基础底板采用温度后浇带和连续式膨胀加强带相结合的形式，使基础底板混凝土连续浇筑长度最大放宽至75m；外墙和顶板采用温度后浇带和间歇式膨胀加强带进行分块施工，连续浇筑长度达35～50m，间歇式膨胀加强带浇筑间隔时间约7d，后浇带回填时间约60d。后浇带和膨胀加强带的具体分布如图1所示。

2材料与配合比设计

2.1试验材料

水泥：P·O42.5普通硅酸盐水泥，昆山万安水泥有限公司生产；粉煤灰：F类Ⅱ级，太仓市建臣建材有限公司生产；矿粉：S95级，上海宝田新型建材有限公司生产；细骨料：混合砂，Ⅱ区中砂，细度模数2.6，含泥量2.1%，产地湖北黄石；碎石：5～25mm连续级配碎石，含泥量1.2%，产地浙江舟山；减水剂：高效型，PCA-10，江苏苏博特新材料股份有限公司生产；FQY高性能膨胀剂（以下简称膨胀剂）：核心组分为氧化钙和硫铝酸钙的双膨胀源熟料，武汉三源特种建材有限责任公司生产，满足GB/T23439-2017《混凝土膨胀剂》标准中Ⅱ型技术要求，技术指标见表1；纤维复合材料：SY-A型，由聚丙烯纤维和改性淀粉组成，改性淀粉质量占比约33.3%，武汉三源特种建材有限责任公司生产；水：混凝土搅拌站拌合用水。

因本工程地下车库混凝土主要在秋冬季节浇筑施工，混凝土入模温度和实体结构内部温峰值均相对较低，因而膨胀剂适合选用具有氧化钙和硫铝酸钙的双膨胀源类型，其补偿收缩反应历程与实体结构混凝土匹配性最优。

2.2配合比设计

经混凝土试配试验及部分性能测试，最终确定了不同部位补偿收缩混凝土的配合比，地下车库各部位混凝土配合比见表2，补偿收缩混凝土的到场坍落度控制在（180±20）mm。

膨胀剂在混凝土中采用内掺，取代部分粉煤灰和矿粉，其中，底板、顶板、外墙部位的膨胀剂掺量为胶凝材料的10%，后浇带和膨胀加强带部位膨胀剂的掺量为胶凝材料的12%。各结构部位混凝土的技术性能指标和测试结果见表3。

由表3及现场试配情况可知，混凝土的抗压强度和工作性能满足设计要求，限制膨胀率指标按照JGJ/T178-2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》进行检测，实测数据值表明此补偿收缩混凝土在较长龄期内处于微膨胀状态，具有较好的抗裂防渗性能。

3混凝土裂缝控制技术措施

3.1纤维复合材料的减缩抗裂作用机理

纤维复合材料通过抑制水分的快速散失，减少混凝土的早期收缩，降低干燥收缩裂缝的产生。纤维复合材料在聚丙烯纤维的基础上，添加了改性淀粉作为减缩组分，该组分为玉米淀粉经酸催化改性制得，微溶于水，可通过降低水的表面张力，减缓水分散失速率，在混凝土中起到减缩作用。根据铂金环法，改性淀粉浓度分别为0、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0g/L，具体的试验装置和测试结果如图2所示。

由图2可知，相比纯水，当改性淀粉浓度为2.0g/L时，水溶液的表面张力降低约26%，继续提高改性淀粉的浓度到2.5、3.0g/L时，水溶液表面张力降低效果的提升作用不明显。

为进一步验证纤维复合材料减少混凝土干燥收缩裂缝的效果，按照T/CECS10001-2019《用于混凝土中的防裂抗渗复合材料》，采用表2中C35P8混凝土的配合比进行了平板抗裂性能验证。纤维复合材料掺量为0.9kg/m³（含改性淀粉掺量0.3kg/m³，折算混凝土中液相的浓度约为1.8g/L），试验完成后混凝土平板的裂缝情况如图3所示，混凝土平板的抗裂效果统计见表4。

由表4可知，相比空白组混凝土的6条裂缝，膨胀剂+聚丙烯纤维混凝土出现裂缝3条，裂缝降低系数60%；膨胀剂+纤维复合材料混凝土出现裂缝1条，裂缝降低系数提升为78%，这说明纤维复合材料中的改性淀粉基功能材料具有进一步减少干燥收缩裂缝的作用。

3.2超长混凝土结构无缝施工技术配套措施

依据JGJ/T178-009《补偿收缩混凝土应用技术规程》中4.0.4的要求，补偿收缩混凝土的浇筑方式和构造形式见表5。为实现本工程钢筋混凝土结构超长无缝施工技术，对混凝土原材料、配合比、现场浇筑施工、振捣及养护措施等均提出了较高的质量要求，项目参与各方安排相应人员全程跟进和监督，使工程混凝土施工质量得到了有效保障。

为确保补偿收缩混凝土发挥其良好的裂缝控制作用，实际施工过程中采取了以下配套技术措施：（1）严格把控混凝土浇筑施工进度，采用分层方式进行混凝土浇筑施工，新旧混凝土接茬时间不得超过下层混凝土的初凝时间，以避免出现施工冷缝；同时加强混凝土振捣，避免出现漏振、欠振等现象。（2）基础底板和顶板混凝土浇筑完成后需及时进行“人工收面+覆盖薄膜”，混凝土终凝后采用覆盖“一层塑料薄膜+一层土工布”的保温保湿养护方式。（3）在合理安排工期的前提下，混凝土外墙结构以控制混凝土内外温差和降温速率为主，迎水面木模板带模时间延长至5～7d，拆模时间以实测侧墙混凝土内外温差不大于15℃为准。（4）拆模后采用人工面层洒水保湿养护方式，当环境平均温度≥5℃时，每天不少于4次洒水；当环境温度＜5℃时，禁止洒水养护，养护时间不少于14d。实体结构养护情况如图4所示。

4结果与分析

混凝土浇筑施工前，预先在各结构部位内部埋设振弦式应变计，测点布置在结构内部三维方向尺寸的中心位置，以实时监测实体结构内部应变的变化规律，进而评价混凝土的裂缝控制效果，应变计埋设如图5所示。

4.1混凝土应变分析

基础底板、顶板和外墙实体结构内部应变随时间的变化趋势如图6所示。

由图6可知，（1）各结构部位内部的应变均呈先升后降的变化趋势。（2）在扣除温度对变形的影响后，底板在25～30d时应变达到最小值，在61με左右趋于平缓；顶板在30d后应变达到最小值，在11με左右趋于平缓；外墙在30d后应变达到最小值，在65με左右趋于平缓。（3）混凝土底板、顶板及外墙内部温度修正后应变在3d内达到最大值，数值在100με左右，这表明膨胀剂在混凝土内部产生了体积微膨胀，可有效补偿混凝土各项收缩量。（4）各结构部位混凝土内部温度修正后，应变在30d后均达到了应变的最小值并趋于平稳，且应变数值为正值，这表明混凝土具有良好的抗裂防渗效果。

4.2实体结构裂缝控制效果

巴城高级中学新建工程项目地下车库超长混凝土主体结构浇筑从2020年11月开始，2021年2月结束，历时3个月左右，共浇筑补偿收缩混凝土约2万立方米。从2021年2月浇筑完成后一直到2021年8月，定期对现场实体结构抗裂防渗效果进行排查，地下车库外墙共约900m，有害裂缝16条。该结果表明，实体结构有害裂缝极少，达到了少缝和局部无缝的状态，整个地下车库超长混凝土结构裂缝控制效果良好。图7为地下车库超长结构混凝土拆模后的效果。

结论

本文从膨胀剂和纤维复合材料的作用机理出发，结合具体施工案例，为秋冬季节超长混凝土结构的配合比设计、施工技术措施的选择、抗裂剂的应用提供了借鉴，并得出以下结论：

（1）单独将改性淀粉分散于水中，当其浓度为0.20～0.30mg/L时，可降低水的表面张力约27%～30%，有利于减缓水的蒸发。在混凝土平板抗裂验证试验中，证实了改性淀粉与聚丙烯纤维复掺，相比单掺聚丙烯纤维，其裂缝降低系数从60%提高至78%，进一步减少了混凝土干燥收缩裂缝的产生。

（2）混凝土试配阶段，在不同部位的混凝土配合比中，膨胀剂选择合适的膨胀源及掺量，并提前测试混凝土的限制膨胀率，确保混凝土力学性能、补偿收缩性能达到各部位设计要求；在混凝土施工养护阶段，适宜的保温保湿养护措施，有利于膨胀剂性能得到充分发挥。

（3）通过各实体结构内部应变实时监测，混凝土体积变形基本在30d左右稳定，且整体收缩量相对较小；在混凝土浇筑完后进行了半年的排查，混凝土的有害裂缝数量极少，工程地下车库裂缝控制效果良好；结构设计中采用了后浇带和膨胀加强带相结合的构造做法，减少了结构分块数量和提高了结构整体性，同时加强了对混凝土结构有害裂缝的控制。（来源：《混凝土世界》2024.10）

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