超高層建筑大體積混凝土裂縫分析與施工控制

陳士凱（浙江江南工程管理股份有限公司 深圳分公司， 廣東 深圳518038）

0 引 言

由于土地資源的不可再生性，我國(guó)建設(shè)用地的供應(yīng)長(zhǎng)期處于緊張狀態(tài)，建筑向高層和超高層方向發(fā)展已是共識(shí)，故超高層大體積混凝土施工技術(shù)在工程中也得到了極為廣泛的應(yīng)用。大體積混凝土顯著特點(diǎn)包括：混凝土強(qiáng)度等級(jí)高，澆筑體厚實(shí)，鋼筋排布密，施工環(huán)境復(fù)雜，混凝土體量大，水泥的水化熱在短時(shí)間內(nèi)難以散發(fā)，因溫度應(yīng)力或收縮應(yīng)力過(guò)大而極易引發(fā)澆筑體產(chǎn)生裂縫。大體積混凝土施工中除了需控制強(qiáng)度和抗?jié)B性能以外，還必須加強(qiáng)對(duì)其他影響因素的管控，防止有害裂縫的產(chǎn)生，以滿足建筑工程的耐久性和安全性。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于汕頭市東海岸新城新津片區(qū)，是經(jīng)圍海造地形成的陸域，地貌形態(tài)屬于韓江三角洲沖擊平原，地下水屬中性弱堿性水，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。工程建筑總面積為207450m2，其中地下建筑面積47806m2，地上建筑面積159644m2，結(jié)構(gòu)形式為框架-剪力墻，設(shè)計(jì)使用年限為50a，抗震設(shè)防烈度等級(jí)為8度。工程主要包括 T1、T2公寓樓，T3商辦樓，地下2層車庫(kù)等。T1、T2、T3地上建筑層數(shù)分別為46層、36層、43層，建筑高度分別為194.7m、153.0m 、174.4m，主座筏板厚度分別為2.8m、2.2m、2.3m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C35，抗?jié)B等級(jí)為 P8，屬于大體積筏板混凝土工程。

2 工程重難點(diǎn)分析

（1）基礎(chǔ)防水等級(jí)為一級(jí)，抗?jié)B等級(jí)為 P8，地下水屬中性弱堿性水，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)體具有中等腐蝕，此對(duì)混凝土裂縫控制提出了更高要求。

（2）主座筏板厚度大，混凝土澆筑是面大量廣，筏板施工期處于夏季，而大體積混凝土裂縫控制在高溫環(huán)境下更加困難。

（3）筏板鋼筋層數(shù)多，鋼筋的間距小，混凝土振搗密實(shí)是難點(diǎn)。

（4）核心筒坑中坑部位的最低點(diǎn)至泵管出料口達(dá)8m，在混凝土澆筑時(shí)控制離析產(chǎn)生是重點(diǎn)。

（5）電梯井坑中坑的模板安裝成型，箱底混凝土振搗密實(shí)是難點(diǎn)。

（6）大體積混凝土的保溫保濕養(yǎng)護(hù)和溫度升降監(jiān)測(cè)是重點(diǎn)。

3 裂縫產(chǎn)生原因分析

大體積混凝土裂縫是由內(nèi)外各種因素共同作用下產(chǎn)生的結(jié)果，主要有自身特性、塑性收縮、溫度變化、沉陷收縮等原因所致。

（1）混凝土自身特性形成的裂縫.混凝土的組成是由粗骨料、細(xì)骨料、水泥石、水、氣體等非均質(zhì)材料堆聚而成，混凝土在凝結(jié)硬化時(shí)會(huì)產(chǎn)生體積變形收縮。當(dāng)溫度和濕度發(fā)生變化時(shí)，混凝土中水泥石的干燥和冷卻收縮大，而骨料收縮量小，同時(shí)水泥石和骨料之間相互粘結(jié)而約束，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，從而導(dǎo)致混凝土的變形和裂縫產(chǎn)生。

（2）塑性收縮裂縫?；炷林屑s20% 的水分是水泥及其他摻合料發(fā)生水化反應(yīng)所需要的，而約80% 的多余水分是要蒸發(fā)掉的。多余水分在蒸發(fā)過(guò)程中會(huì)引起混凝土體積收縮變化，若水分蒸發(fā)過(guò)快則導(dǎo)致混凝土體積收縮變化大，混凝土處于塑性狀態(tài)，稍微受到拉力，混凝土表面就會(huì)出現(xiàn)分布不均勻的裂縫。塑性收縮裂縫一般發(fā)生在天氣炎熱、大風(fēng)或欠保濕養(yǎng)護(hù)的環(huán)境下出現(xiàn)，裂縫多呈現(xiàn)長(zhǎng)短不一，互不連貫狀態(tài)。

（3）溫度裂縫。水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，使混凝土內(nèi)部溫度不斷上升，由于大體積混凝土的體積厚大，大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部而不易散發(fā)，形成溫度梯度，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇快速上升，而混凝土表面散熱較快，造成內(nèi)外較大溫差，形成熱脹冷縮效應(yīng)，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土和鋼筋約束作用抗拉強(qiáng)度極限時(shí)便會(huì)產(chǎn)生裂縫。

（4）沉陷收縮裂縫。主要原因是結(jié)構(gòu)地基土質(zhì)不勻、松軟或回填土不實(shí)或浸水而造成不均勻沉降，或者因?yàn)槟０鍎偠炔蛔悖０逯伍g距過(guò)大或支撐底部松動(dòng)等，特別是模板支撐在凍土上，凍土化凍后產(chǎn)生不均勻沉降，致使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。此類裂縫多為深進(jìn)或貫穿性裂縫，其走向與沉陷情況有關(guān)，裂縫呈梭形。

4 大體積混凝土裂縫施工控制

大體積混凝土的裂縫控制應(yīng)結(jié)合工程特定的工況環(huán)境，在施工實(shí)施階段采取科學(xué)合理的防裂措施，才能有效地控制裂縫的產(chǎn)生。

4.1 落實(shí)施工技術(shù)準(zhǔn)備，強(qiáng)化技術(shù)交底工作

工程開(kāi)工前，首先組織人員掌握設(shè)計(jì)圖紙的相關(guān)要求及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)施工圖紙、技術(shù)規(guī)格書(shū)、工程驗(yàn)收規(guī)范等編制《大體積混凝土專項(xiàng)施工方案》，確定管理人員組織架構(gòu)，制定施工流程、施工方法以及技術(shù)參數(shù)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、溫控措施、成品保護(hù)措施等。通過(guò)對(duì)大體積混凝土澆筑體溫度的估算，對(duì)是否會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫進(jìn)行驗(yàn)算，確定升降溫度值，內(nèi)外溫差及降溫速率，制定相應(yīng)的技術(shù)控制措施，及時(shí)組織管理人員及工人進(jìn)行崗前工作交底，特別是要將混凝土的施工要點(diǎn)、循環(huán)水降溫控制、保溫養(yǎng)護(hù)、溫度監(jiān)測(cè)等作為重點(diǎn)交底對(duì)象，使相關(guān)人員能夠掌握本崗位的工作職責(zé)及要點(diǎn)，做到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)清晰，措施控制合理，為工程有序開(kāi)展奠定基礎(chǔ)。

4.2 加強(qiáng)原材料選擇，抑制混凝土開(kāi)裂

大體積混凝土的升溫?zé)嵩词怯晒杷猁}水泥熟料 C3S、C3A 含量所決定的，C3S、C3A 兩種礦物在水中具有化學(xué)反應(yīng)速度快、水化熱大等特點(diǎn)，所以降低硅酸鹽水泥用量是控制混凝土升溫最根本方法之一。根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35要求，結(jié)合施工工況，選用硅酸鹽42.5水泥，并摻入優(yōu)質(zhì) II 級(jí)粉煤灰以代替部分水泥，降低水泥用量，改善和易性。因砂石含泥量對(duì)混凝土的強(qiáng)度與收縮裂縫相當(dāng)敏感，故粗骨料選用5mm～31.5mm 碎石，含泥量 ≤1%，泥塊含量 ≤0.5%，細(xì)骨料選中粗砂，含泥量 ≤3%，泥塊含量 ≤1%，以保證材料的質(zhì)量可靠。外加劑摻入緩凝型減水劑，在保證混凝土流動(dòng)性不變的條件下減少水泥及拌合水用量，降低混凝土入模溫度。另外，考慮混凝土有抗?jié)B要求，按一定比例摻入低堿混凝土膨脹劑 UEA，拌合后生成大量膨脹性硫鋁酸鈣，產(chǎn)生的壓應(yīng)力可大致抵消混凝土干縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而防止或減少混凝土的收縮開(kāi)裂。

4.3 強(qiáng)化原材料溫控，降低混凝土入模溫度

根據(jù)混凝土出機(jī)總熱量與原材料投料時(shí)總熱量相等原理，控制混凝土原材料的投料溫度是控制混凝土出機(jī)溫度最有效的辦法。在混凝土的原材料中，砂石的比熱雖然較小，但占混凝土總質(zhì)量75% 左右，水的比熱較大，只占混凝土總質(zhì)量7% 左右，因此，加強(qiáng)砂石料溫度的控制是最根本措施之一。因大體積混凝土工程處于亞熱帶地區(qū)的夏季，故混凝土制備前對(duì)砂石原材采取遮陽(yáng)覆蓋措施，防止砂石在陽(yáng)光下暴曬，并噴灑冷水進(jìn)行預(yù)降溫，經(jīng)測(cè)溫對(duì)比，可有效降低砂石原材料溫度5℃ 左右。其次，鑒于高溫天氣，在拌合水中添加適量冰屑進(jìn)行拌合，以達(dá)到對(duì)拌合料的溫控目的。當(dāng)然，應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑用量確定拌合量，減少混凝土在現(xiàn)場(chǎng)等待的時(shí)間。再次，將混凝土泵管用濕麻袋覆蓋，并對(duì)罐筒采取澆水降溫，以確?；炷寥肽囟瓤刂圃?0℃ 以內(nèi)，當(dāng)然，應(yīng)盡量避開(kāi)高溫天氣澆筑大體積混凝土。

4.4 嚴(yán)格落實(shí)施工措施，確?；炷翝仓|(zhì)量

根據(jù) GB50666—2019《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》第8.3.6條規(guī)定：當(dāng)混凝土的粗骨料粒徑大于25mm，且澆筑傾落高度超3m 時(shí)，應(yīng)加設(shè)串筒、溜管、溜槽等防離析裝置。鑒于核心筒坑中坑部位最低點(diǎn)至泵管出料口達(dá)8m 的傾落高度，故采用 DN150膠管作為坑中坑混凝土澆筑溜管，以防止離析產(chǎn)生。大體積混凝土澆筑采取由遠(yuǎn)至近、斜面分層、全面推進(jìn)、連續(xù)澆筑方式進(jìn)行，每層厚度控制在500mm 為宜，坡度按1∶5，分別在每層混凝土的坡頂、坡腳、中間位置布置振動(dòng)棒，振搗做到均勻插拔，快插慢拔，插入下層50mm～100mm 左右，每點(diǎn)振搗10s～15s，以不再溢出氣泡為準(zhǔn)，不可過(guò)振或漏振。為排除泌水在粗骨料及水平筋下部生成的水分和空隙，對(duì)已澆筑的混凝土在初凝前進(jìn)行二次振搗，以提高混凝土與鋼筋的握裹力，增加密實(shí)度，提高抗裂性。對(duì)于電梯井坑中坑部位模板安裝成箱型，采用外部振動(dòng)器加強(qiáng)振動(dòng)，以確保箱底混凝土密實(shí)。

4.5 利用冷卻水循環(huán)降溫，嚴(yán)控混凝土里表溫差

利用冷卻水循環(huán)進(jìn)行溫控，可有效降低大體積混凝土的內(nèi)部溫升，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可操作性。根據(jù)大體積混凝土的尺寸、配筋、留洞、夏天晝夜溫度變化以及溫升梯度等情況，采用 DN32鍍鋅鋼管作為冷卻循環(huán)管以承擔(dān)混凝土內(nèi)部降溫水管，冷卻循環(huán)水管在主座筏板區(qū)按一層循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行安裝，安裝位于筏板中部，在主座核心筒筏板區(qū)按3層安裝，上層與筏板區(qū)冷卻循環(huán)管相連成片，最下層安裝距板底1m 處，循環(huán)水管的水平向及豎向之間的距離控制約2m 為宜，最下層為進(jìn)水口，最上層為出水口，形成冷卻水循環(huán)降溫系統(tǒng)。冷卻水循環(huán)控制參數(shù)：水流量0.5m3/h～2.5m3/h，流速0.3m/s～1.4m/s，水壓3kPa，混凝土澆筑前做通水試驗(yàn)，澆筑完成后12h 開(kāi)始通水循環(huán)，排出水引流至筏板面作蓄水養(yǎng)護(hù)。在混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)冷卻水循環(huán)出口溫差監(jiān)測(cè)情況及時(shí)調(diào)整水流量，以滿足混凝土里表溫差不宜大于25℃ 的溫控要求，當(dāng)出水口的水溫基本穩(wěn)定，混凝土里表溫差不超過(guò)5℃ 時(shí)，可停止循環(huán)。

4.6 加強(qiáng)混凝土保溫養(yǎng)護(hù)，減少內(nèi)外溫差

保溫養(yǎng)護(hù)是大體積混凝土裂縫控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要通過(guò)減少混凝土表面的熱擴(kuò)散，降低降溫速率，延長(zhǎng)散熱時(shí)間，從而進(jìn)一步減少大體積混凝土的內(nèi)外溫度差，利用混凝土的抗拉強(qiáng)度，提高混凝土的抗裂能力，以達(dá)到控制溫度裂縫的目的。在大體積混凝土初凝前，安排工人對(duì)混凝土表面進(jìn)行二次抹壓處理，并及時(shí)覆蓋塑料薄膜，使之表面濕潤(rùn)，從而避免混凝土表面水分散失過(guò)快，防止產(chǎn)生塑性收縮裂縫，然后采用兩層麻袋在其表面進(jìn)行整體覆蓋保溫，可有效降低混凝土散熱速度，減少內(nèi)外溫差，確保大體積混凝土溫控指標(biāo)符合 GB50496—2019《大體積混凝土施工規(guī)范》第3.0.4條規(guī)定：混凝土澆筑體的里表溫差不宜大于25℃；混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2.0℃/d；混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃。

4.7 采取溫度監(jiān)測(cè)措施，強(qiáng)調(diào)技術(shù)控制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在主座筏板區(qū)和主座核心筒筏板區(qū)典型部位設(shè)置6組測(cè)溫點(diǎn)，當(dāng)筏板鋼筋綁扎完成后，在鋼筋上安裝固定熱敏傳感器，每組3個(gè)，分別設(shè)置在混凝土的上、中、下3個(gè)位置，上下位置測(cè)溫點(diǎn)均位于上下表層50mm 處，熱敏傳感器用絕緣膠布綁扎在預(yù)定測(cè)點(diǎn)位置處的鋼筋上，如果預(yù)定位置處無(wú)鋼筋，則另增設(shè)鋼筋。由于鋼筋的導(dǎo)熱系數(shù)較大，如果傳感器與鋼筋直接接觸，會(huì)導(dǎo)致該部位的溫度值失真，所以，必須用絕緣膠布固定。測(cè)溫時(shí)間自混凝土澆筑完成后3h 開(kāi)始進(jìn)行，測(cè)溫間隔按前4d 每隔4h 測(cè)量1次，5d～7d 每隔8h 測(cè)量1次，8d 后每隔12h 測(cè)量1次。當(dāng)測(cè)量的里表溫差大于25℃ 時(shí)，應(yīng)立即對(duì)混凝土的表面再增鋪1層麻袋，以達(dá)到保溫的目的。當(dāng)混凝土表面溫度與大氣溫度接近，大氣溫度與混凝土中心溫差 ≤25℃ 時(shí)，可停止測(cè)溫，解除保溫。

5 大體積混凝土裂縫控制的工作感想

大體積混凝土裂縫控制是一項(xiàng)系統(tǒng)性管理工程，倘若管控不到位，則必然對(duì)承載力和耐久性產(chǎn)生不良影響，所以混凝土裂縫的控制應(yīng)采取全過(guò)程、全方位的管理模式。首先在工程設(shè)計(jì)方面采取必要的技術(shù)措施，堅(jiān)持“抗與放”的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)工程特點(diǎn)設(shè)置變形縫、后澆帶，構(gòu)造筋應(yīng)采用細(xì)而密的鋼筋以控制溫度收縮；其次，在施工管理方面采取精細(xì)化管理，根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求以及施工環(huán)境編制科學(xué)可行的施工方案，組織人員進(jìn)行方案技術(shù)交底，在施工中落實(shí)各項(xiàng)技術(shù)措施，加強(qiáng)質(zhì)量檢查是關(guān)鍵；再次，加強(qiáng)對(duì)混凝土澆筑體的保溫蓄水養(yǎng)護(hù)，并通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)及時(shí)掌握溫度升降情況，采取必要的控制措施，避免產(chǎn)生溫度裂縫是重中之重?？傊ㄟ^(guò)行之有效的策劃、溝通、協(xié)調(diào)是管理工作的基本保障，專業(yè)、認(rèn)真、務(wù)實(shí)是大體積混凝土裂縫控制的必要條件。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，大體積混凝土工程裂縫是一項(xiàng)影響因素多、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、控制難度大的特殊性工程。在對(duì)超高層大體積混凝土工程的重難點(diǎn)及裂縫產(chǎn)生機(jī)理在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，因地制宜地提出裂縫控制措施，在實(shí)施過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一系列原材選擇、級(jí)配設(shè)計(jì)、混凝土制備、澆筑、養(yǎng)護(hù)、監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制，大體積混凝土工程未發(fā)生澆筑體開(kāi)裂，取得了預(yù)期的工作成果，并形成一套科學(xué)合理的施工控制方法，對(duì)抑制混凝土有害裂縫的產(chǎn)生、提高工程的承載力和耐久性具有廣泛而深遠(yuǎn)的意義。