大型设备基础混凝土裂缝防治

在冶金工厂建设中，设备基础的混凝土约占混凝土工程总量的60%以上。随着冶金设备向大型化发展，设备基础的体积愈趋庞大。以中国上海宝钢工程为例，容积为4063m³的1号高炉，其基础混凝土工程量约为6000m³；3座300t转炉的基础底板的混凝土工程量将近7000m³。施工时每次混凝土的浇筑量多在1000m³以上。施工中，水泥水化热引起混凝土浇筑块体内部温度和温度应力剧烈变化，以及混凝土的凝结收缩，都会引起对结构整体性、耐久性和强度有影响的混凝土裂缝。防止这种裂缝的产生和对已出现裂缝的有效治理是保证工程质量的关键之一。

裂缝原因和防止原则在大型设备基础的施工中，当混凝土内部温度变化和凝结收缩引起的变形受到约束时，浇筑块体内就要产生应力。当其中的拉应力超过混凝土材料的抗拉极限时就会出现裂缝。对变形的约束有两类情况：一是混凝土浇筑块体内部各质点间因变形量不同而产生相互牵制和影响，称为“自约束”；二是浇筑块体的变形受到外部物体(如地基、相邻结构、下部混凝土浇筑层等)的阻碍，称为“外约束”。

为防止裂缝的产生，应从以下几个方面考虑对策。(1)提高混凝土自身和混凝土结构的抗裂能力。施工中要严格控制材料和施工工艺，使结构质量完全符合设计和规范要求。(2)减少混凝土中的总发热量，降低水泥水化发热速率，合理调剂混凝土在凝结过程中的温度与湿度，以减小温度应力和收缩产生的应力。(3)减弱内、外约束的影响。(4)重视控制温度对防止裂缝产生的决定性作用，在基础施工的全过程中，按阶段进行温度应力分析，确定温度控制指标和技术措施。

温控防裂措施包括基础设计、混凝土配制、混凝士浇筑与养护、施工中混凝土温度监测四个方面。

基础设计主要措施有：(1)基础混凝土的强度等级应为C15～C25。(2)对独立的大型钢筋混凝土设备基础不设沉降缝、温度缝等永久变形缝。(3)当基础设置于岩石地基上时，在混凝土垫层上表面应设滑动层(可采用一毡二油构造)，以减少地基对混凝土变形的约束。(4)基础配筋除应满足基础承载力及构造要求外，还要增配承受因水泥水化热引起的温度应力及控制裂缝开展的构造钢筋。

混凝土配制主要措施有：(1)选定混凝土配合比时，应在保证基础强度、耐久性和施工工艺要求的前提下尽量减少水泥用量，以降低混凝土的绝对温升值。减少水泥用量可考虑利用混凝土的后期强度，也可采取掺加粉煤灰和减水剂等方法。(2)采取低热钢渣水泥或矿渣水泥，其7d的水化热值(用直接法测定)应不超过250kJ/kg。(3)混凝土骨料的规格、质量应符合技术标准，粗骨料的含泥量应低于1.5%，细骨料宜选用中砂，最高含泥量应低于3%。

混凝土浇筑与养护主要措施有：(1)一般采取一次连续浇筑或分层浇筑，不设置横向施工缝。分层浇筑时，每层的厚度根据温度应力情况、裂缝控制要求和施工条件确定，一般情况下不超过3m。浇筑温度不超过30℃。(2)在每一浇筑层内，可采用分薄层浇筑，也可采用推移式浇筑。分薄层浇筑时，每层的摊铺厚度，对泵送与非泵送工艺分别不大于500mm和300mm。层间间隔时间以混凝土初凝时间为准，超过者层面须按施工缝处理。浇筑过程中要及时清除层间泌水。(3)每一浇筑层的混凝土浇完后，要采取保温养护，以减少浇筑块体的内表温差，减缓其降温速度。在一般情况下，新浇混凝土块体的内表温差应不大于20℃，降温速度不大于1.5℃/d。在养护过程中要保持混凝土表面湿润。养护持续时间根据温控的要求确定，一般不少于15d。(4)保温养护通常使用塑料薄膜、草袋、帆布、塑料编织布等。对暴露的混凝土表面应先铺塑料薄膜(保湿)，再覆盖草袋；对有模板的表面可直接挂草袋并压紧。在严寒季节除采取保温覆盖措施外，还要搭设挡风保温棚，以满足温控的要求。保温层拆除后，对基础位于±0标高以下部位应及时回填。

施工过程中混凝土内外温度的监测通过现场监测及时了解新浇混凝土的内表温差和降温速度，作为判定和改善保温养护措施效果的依据。

现场温度监测须取得以下数据：混凝土浇筑温度、混凝土最高温度区温度、混凝土表层温度(指混凝土浇筑后其表面以下50～100mm处的温度)、混凝土浇筑块体沿厚度方向的温度场及其升降温全过程、内表温度差、降温速度、浇筑区大气温度等。

对新浇混凝土块体内部温度和环境温度的测试每昼夜不得少于两次。温度测试误差应不大于±1℃。

施工中温反应力的计算和温控指标的确定大型设备基础混凝土工程施工前，应对施工阶段混凝土浇筑块体的温度、温度应力(含收缩引起的应力)进行验算，以确定混凝土浇筑块体的升温峰值、内外温差及降温速度的控制指标。

(1)混凝土浇筑块体内外温差的计算：

式中△T₁(t)当龄期为t时的混凝土浇筑块体的内外温差，℃；T_m(t)为龄期为t时的混凝土浇筑块体内的最高温度，可通过温度场计算求得，℃；

T_b(t)为龄期为t时的混凝土浇筑块体的表面温度，可通过温度场计算求得，℃。

(2)混凝土浇筑块体的综合降温差的计算：

式中△T₂(t)为龄期为t时的混凝土浇筑块体在降温过程中的综合降温差，℃；T_m(t)为龄期t内混凝土浇筑块体内的最高温度，可通过温度场计算求得，℃；T_b(t)、T_d(t)分别为混凝土浇筑块体内达到最高温T_m时，其块体上、下表面的温度，℃；T_y(t)为龄期为t时的混凝土收缩的当量温度，℃；T_w(t)为混凝土浇筑块体预计的稳定温度或最终稳定温度(可取计算龄期为t时的日平均温度或当地年平均温度)，℃。

(3)温度应力计算：包括自约束拉应力计算和外约束应力的计算。

自约束拉应力计算：

式中σ_z(t)为龄期为t时，因混凝土浇筑块体内外温差而产生的自约束拉应力的累计值MPa；△T_1i(t)为龄期为t时，在第i计算区段混凝土浇筑块体内外温差的增量，℃；E_i(t)为龄期为t时，混凝土的弹性模量，MPa；H_i(t)为龄期为t时，自约束力加荷持续时间为t1时的松弛系数。

外约束应力计算：由于地基等外部条件对混凝土浇筑块体变形的约束作用，在混凝土内部产生的应力为外约束应力。可按下式计算：

式中σ_x(t)为龄期为t时，因综合降温差(包括混凝土收缩)在外约束条件下产生的拉应力，MPa；△T_2i(t)为龄期为t时，在第i计算区段内混凝土浇筑块体综合降温差的增量，℃；μ为混凝土的泊松比，取0.15；R_i(t)为龄期为t时，在第i计算区段的约束系数，可按下式计算：

式中L为混凝土浇筑块体的长度，mm；H为混凝土浇筑块体的厚度，mm；C_x为外约束介质(地基或老混凝土)的水平变形刚度，N/mm³；E为混凝土弹性模量，MPa。

(4)确定防裂温控指标的条件：

在施工阶段，混凝土浇筑块体内外温差，降温速度及升温峰值的控制指标，以下列温度应力的控制条件确定

式中K为防裂安全系数(取K=1.15)；ftk为龄期为t时的混凝土抗拉强度值，MPa。

设备基础混凝土裂缝治理由于大型钢筋混凝土设备基础每一次浇筑的混凝土量很大，虽然在施工中采取了上述防裂措施，但要完全避免裂缝的出现是困难的，因此施工中必须考虑到出现裂缝时的治理措施。在施工阶段出现的裂缝，大部分是由于温度变化或收缩变形弓}起的，由于大型设备基础的钢筋保护层厚(一般在50mm以上)，配筋量也较大，因变形变化引起的裂缝一般不影响其承载力。在出现裂缝时可按不同情况采取不同的处理方法。(1)对处于无侵蚀介质和无抗渗要求的基础，当其表面性裂缝的宽度大于0.3mm时，可采取封闭的方法进行修补。(2)对处于有侵蚀介质的基础，当其表面性裂缝的宽度等于或大于0.2mm时，可采取封闭的方法进行修补。(3)对于深层裂缝(裂缝深度达基础或浇筑层厚度的1/3或以上)或贯穿性裂缝，当对基础承载力无影响时，可采取灌缝的方法进行处理；当对其有影响时，应作补强加固处理。