基于主动设计的大体积混凝土基础裂缝控制

    唐于衡　张尧龙

    摘 要：软土地区的建筑物通常具有较大大体积的混凝土基础，其裂缝控制是人们关心的一个主要课题。结合工程实例，分析了调整混凝土设计与制备、优化基础设计和改善约束条件等大体积混凝土裂缝的主动设计控制方法。强调了优化基础设计在控制裂缝中的作用。

    关键词：裂缝；大体积混凝土；主动控制；基础设计

    1 前 言

    软土地区的建筑物基础多有厚度较大的混凝土底板或承台，这些都是体积较大的混凝土工程。当混凝土基础结构断面最小尺寸在80㎝ 以上，水化热引起混凝土内部与表面的最高温差预计超过25℃时，也就是通常指的大体积混凝土，其裂缝问题值得进一步的关注。大体积混凝土基础裂缝通常由以下几方面引起：（1）浇注时混凝土内外表面温差过大引起较大的温度应力；（2）混凝土凝固降温收缩受到地基的约束，至此产生较大的拉应力；（3）使用时结构差异沉降过大或由上部结构引起的次应力过大。

    大体积混凝土基础大都位于地下水位以下，其裂缝对建筑物的使用功能和使用寿命都会造成危害。裂缝的发展主要由外部作用和混凝土自身行为决定，本文结合工程实例从主动控制方面详细分析减小大体积混凝土裂缝的措施，并对工程中大体积基础混凝土的裂缝控制提出了建议。

    主动设计控制是指在设计、施工时，尽可能的主动减少混凝土工程中水泥水化热的释放总量、改善混凝土边界约束条件、减少底板差异沉降等控制措施。

    2 调整混凝土设计与制备

    混凝土原材料及其配合比的设计至关重要，合理的选用原材料是主动控制的关键之处。混凝土裂缝的一个主要原因是混凝土中水泥的水化热在基础中产生较大的温度梯度，导致温度应力过大。

    首先，优先选用水化热低的水泥品种，可减少水化热，使混凝土减少升温。如选用425＃矿渣水泥的3d水化热为180kJ/kg，而425＃普通硅酸盐水泥的3d水化热为250kJ/kg，水化热可减少30％左右。其次，在强度满足的条件下，尽量减少单位体积中的水泥用量。试验表明，单位体积中每减少10kg水泥，水化热产生的混凝土升温就会减小1℃左右。在粗骨料中，优先采用粒径较大的石子可以减少搅拌时的用水量，从而在水灰比一定的情况下减少水泥用量。砂宜采用中粗砂，与采用细砂相比，单位体积可以节约20kg左右的水，相应减少30kg左右的水泥用量。需要指出的是，减小用水量在减小水泥用量的同时，混凝土的收缩和泌水也可随之减少。最后，合理选用掺和料和外加剂。外加剂有减少拌和水和水泥用量的功能，可以考虑使用木质素磺酸钙等减水剂。在混凝土中掺入一定数量的粉煤灰，不但可以代替水泥进而降低水化热，而且还可以改善混凝土的粘塑性，增加混凝土的可泵性。

    普通混凝土制备通常采用一次投料法，其投料顺序可简写成：10％水→砂、石、水泥→80％水→10％水。为了提高混凝土的强度及节约用水量，有条件的单位常采用二次投料法，水泥裹砂石法便是其中的一种。它是先将砂、石和70％的水倒入搅拌机，搅拌1-20s，将砂石表面湿润，再倒入水泥作造壳搅拌20s，最后加入剩余水，进行糊化搅拌80s。水泥裹砂石法改变投料次序和搅拌次序后，水泥和砂石的接触面增大，水泥的潜力得到了充分发挥，混凝土的强度可提高15％，这样在强度设计一定的情况下，水泥用量就可以减少，水化热也相应减少。

    3 优化基础设计

    优化基础设计主要包括利用混凝土的后期强度和优化基础型式设计两个方面。

    在基础设计中，可以根据结构实际受荷情况和计算结构的强度及刚度，采用相应的f45、f60或f90代替混凝土的28d强度f28作为设计值，这样可使混凝土的水泥用量减少40-70kg/m3左右，混凝土的水化热升温相应减少4-7℃。由于高层建筑施工工期很长，其基础大体积混凝土结构承受的设计荷载要在较长时间后才能施加其上，所以只要能保证混凝土的强度在28 d 之后继续增长，且在预计的时间能达到或超过施加其上的荷载及最终设计荷载即可。实际上这一点在工程中是能够实现的，上海某钢厂曾采用以f60为标准强度的配合比，监测资料说明相应f60较f28的平均增长率在20％左右。当然如果掺入粉煤灰等改善混凝土后期强度的掺和料，效果会更好。

    在基础设计中，解决裂缝最有效的办法就是对基础设计型式进行优化，减小基础厚度，使其不再成为大体积混凝土。混凝土水化时，随着其厚度的增大，内部越来越接近绝热温升，其散热的速度也越来越慢，减小混凝土基础厚度可大大减少基础混凝土的水化热释放量，同时减少了其内部的温度升高。怎样减小厚度呢？混凝基础的一个主要作用就是承受地基土反力及差异沉降引起的反向弯矩。由于各方面的原因，目前的基础厚度设计非常保守，这在浪费材料的同时也增加了裂缝控制的难度。在基础设计中，可以根据上部结构的荷载分部情况针对性的通过调整布桩形式、利用地基土的承载力等措施使基础刚度与上部荷载相适应，尽可能的减少差异沉降和上部结构次应力。复合桩基即塑性支撑桩便是一个值得关注的解决方法。南京某高校7层图书馆，采用复合桩基减少差异沉降优化基础设计，混凝土底板厚度仅为40cm，即节省了工程费用又很好的解决了混凝土底板裂缝问题，便是成功的例子。

    4改善约束条件

    由于混凝土基础与地基之间的边界约束才会产生混凝土温度应力和收缩应力。如果在边界的接触面上全部设置滑动层，可大大减弱外约束，但设置全滑动是不现实甚至难以实现的。实际上在外约束的两端各1/4～1/5 范围内设置滑动层，应力计算时结构的计算长度就可以减少一半左右。为此，在周边一定范围内设置滑动层就可以显著的改善约束条件减少温度应力和收缩应力，这通常可以通过铺设10～20mm 厚沥青砂或铺设50mm厚砂或碎石屑实现。

    5 工程简例

    上海某大厦，地上38层，地下4层，基础采用长35m 钻孔灌注桩。基础承台平面尺寸为75m×71m，主楼基础厚为3.15m，裙房基础厚为3.10 m，混凝土总量约为17000m3。主楼与裙房基础纵横向均不设结构缝，该工程采用主动控制和被动控制相结合的方法很好的解决了大体积混凝土裂缝控制问题。

    主动设计控制措施：采用425＃矿渣水泥，每方混凝土中水泥用量不大于330kg；采用5-40mm级配石子，中粗砂，加入减水剂，尽可能的减小了用水量和水泥用量；采用混凝土的60d 强度f60，原设计混凝土f28为C30，实际采用混凝土f60为C30，即用f28为C25 代替设计强度。

    通过以上措施及其他辅助技术，该基础17000m3混凝土在64小时内连续浇注完毕，经过一个月养护后，没有发现任何裂缝。

    6 结束语

    大体积混凝土的裂缝控制要主动控制与被动控制相结合。要尽量减少混凝土中的水泥用量，选用水化热低的水泥，掺入减水剂、缓凝剂、粉煤灰等掺和料可以有效控制混凝土的开裂。优化基础设计、改善边界约束条件可以在一定程度上减缓混凝土中的收缩应力和次应力。以上讨论的只是控制裂缝的技术措施，实际施工中合理的施工组织、现场准备、信息监测等工作是保证技术措施的关键，必须给予足够的关注。

    参考文献

    [1] 赵志缙,赵帆.高层建筑施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.

    [2] 郭正兴,李金根.建筑施工[M].南京:东南大学出版社,1996.

    [3] 陈志明,管大庆.17000m3混凝土底板连续浇注技术[J].施工技术,1994,(11):7-10.