地下室超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制技術(shù)探討

潘玉珀，高善友，續(xù)宗廣，王 帥，朱永濤，張海旭，邵珠令（中國建筑第八工程局第二建設(shè)有限公司，山東 濟南 250014）

通過在混凝土結(jié)構(gòu)中增加預(yù)應(yīng)力筋和添加抗裂纖維，可以抵抗混凝土后期收縮和溫度引起變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力，避免受力裂縫的產(chǎn)生，同時通過優(yōu)化混凝土原材料及配合比設(shè)計，設(shè)置膨脹加強帶，采取適當(dāng)施工工藝和養(yǎng)護措施等進一步控制裂縫的產(chǎn)生，可以有效解決結(jié)構(gòu)的抗裂問題。

1 工程概況

石家莊某展覽中心位于河北省石家莊市中心商務(wù)區(qū)東北部正定新區(qū)，項目占地為 64.4 萬 m2，總建筑面積 35.9 萬 m2，是大型綜合性的多功能會展建筑，也是目前北方較大會展中心，世界較大懸索結(jié)構(gòu)建筑。該工程地下室主要由會議中心和中央大廳地下結(jié)構(gòu)以及 A、D 標(biāo)準(zhǔn)展廳地下結(jié)構(gòu)組成（圖 1），會議中心和中央大廳地下結(jié)構(gòu)長 663.0 m，南北寬 133.2 m，A、D 標(biāo)準(zhǔn)展廳部分地下結(jié)構(gòu)長 180.6 m，寬 153.5 m，雖然該工程結(jié)構(gòu)超長，但考慮到結(jié)構(gòu)整體性要求，整個地下室未設(shè)置任何永久性結(jié)構(gòu)縫。本工程地下室底板及頂板外墻均為超大超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且變截面部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，如何保證超大超長結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)安全性和結(jié)構(gòu)的抗裂防水效果，是本工程的施工技術(shù)難點。

鑒于本工程的復(fù)雜性和技術(shù)難度，采用了優(yōu)化混凝土配比和后澆帶設(shè)置，增加預(yù)應(yīng)力，添加高性能纖維復(fù)合膨脹劑等綜合抗裂措施，來控制結(jié)構(gòu)有害裂縫的產(chǎn)生。

圖1 地下室結(jié)構(gòu)平面組成

2 超長混凝土結(jié)構(gòu)控制裂縫的措施

混凝土結(jié)構(gòu)物的裂縫類型主要有干縮裂縫、塑性收縮裂縫、沉降裂縫、溫差裂縫、荷載裂縫以及化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫。在混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫無法完全避免，只是應(yīng)將裂縫控制在符合規(guī)范要求范圍內(nèi)，使其不致發(fā)展成有害裂縫。實際設(shè)計施工中著重從提高混凝土自身抗裂能力、釋放引起混凝土裂縫的應(yīng)力兩方面解決混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題。石家莊國際展覽中心從配比設(shè)計優(yōu)化、外加劑選用、施加預(yù)應(yīng)力、合理設(shè)置施工后澆帶以及適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護及施工工藝等方面綜合考慮。

2.1 混凝土配比設(shè)計優(yōu)化

由于建筑功能及使用要求，本工程混凝土結(jié)構(gòu)未設(shè)置任何永久性結(jié)構(gòu)縫，設(shè)計對混凝土自身抗?jié)B防裂提出了更高的要求?；炷潦湛s是引起超長大面積混凝土結(jié)構(gòu)開裂的主要原因之一，混凝土原材料及配合比決定了混凝土的收縮變形和力學(xué)性能，為降低大體積混凝土收縮影響，合理選擇凝土原材料和優(yōu)化配合比設(shè)計，對材料自身的收縮和抗裂性能實施有效控制，是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的最基本途徑。本工程底板及外墻混凝土選用了強度等級為 C 40，抗?jié)B等級為 P 6的混凝土，同時應(yīng)符合以下要求。

(1) 選用水化熱低和凝結(jié)時間長的水泥(低熱礦渣硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥等)，并摻入一定量的粉煤灰、緩凝劑及高效減水劑，粉煤灰的等級應(yīng) ≥I 級。摻加粉煤灰能在保證混凝土強度有效地減小水化熱，延遲峰溫出現(xiàn)的時間。所用外加劑應(yīng)具有標(biāo)明產(chǎn)品主要成分的產(chǎn)品說明書、出廠檢驗報告和合格證、摻外加劑混凝土的性能檢驗報告。

(2) 嚴(yán)格控制粗、細(xì)集料的含泥量和級配，采用碎石集料配置混凝土，粗集料選用粒徑為 5～31.5 mm 連續(xù)級配、干濕變形小的石灰?guī)r碎石。細(xì)集料選用細(xì)度模數(shù) 2.30～2.90 左右的中砂，砂率在 41%～45% 之間，在滿足可泵性的前提下，盡量降低砂率。坍落度在滿足泵送條件下盡量選用小值，減少收縮變形，砂含泥量控制在 2% 以下。

(3) 利用混凝土后期強度（60 d）代替 28 d 強度進行配合比設(shè)計，減少水泥用量。

2.2 添加高性能纖維混合混凝土膨脹劑

混凝土的溫度和收縮應(yīng)力是造成混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。石家莊某展覽中心的地下室外墻、筏板基礎(chǔ)、地下室頂板混凝土內(nèi)均摻加了約 8%～10% 的高性能纖維復(fù)合膨脹劑，后澆帶內(nèi)混凝土內(nèi)高性能纖維復(fù)合膨脹劑摻量提高至 12%，要求聚丙烯纖維含量為 100%，φ≤40 μm，抗拉強度 ≥600 MPa。添加抗裂膨脹劑后的混凝土可在水化硬化過程中產(chǎn)生一定量預(yù)壓應(yīng)力，由此抵抗混凝土收縮變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力。同時在混凝土中均勻分布的聚丙烯纖維，具有較高的抗拉強度和彈性模量，同時降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，亦增強了混凝土的韌性和凝聚力，起到了物理抗裂作用。添加高性能纖維復(fù)合膨脹劑后的混凝土抗拉強度顯著增大，抗沖擊和抗裂性能亦顯著改善，可以有效防止混凝土維系裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

2.3 施加預(yù)應(yīng)力抵消混凝土拉應(yīng)力

在混凝土中加入抗裂纖維后對預(yù)防混凝土的塑性收縮裂縫有利，但對于溫度應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的裂縫作用有限。通過在混凝土結(jié)構(gòu)中施加預(yù)應(yīng)力的方式，使混凝土構(gòu)件產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，在增強混凝土構(gòu)件整體性的同時，還可以抵消混凝土硬化過程中因收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)裂縫或推遲裂縫出現(xiàn)的時間，增加構(gòu)件的耐久性。

石家莊國際展覽中心工程在地下室底板、外墻和頂板設(shè)計中增加了緩黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，鋼絞線總量約 3 300 t，選用 1 X 7-15.2 Φs 15.2 高強度低松弛預(yù)應(yīng)力筋，最長達(dá)到 60 m以上。預(yù)應(yīng)力分布范圍詳見圖 2 所示的陰影區(qū)域，陰影線條代表預(yù)應(yīng)力筋方向。

圖2 地下室基礎(chǔ)底板無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋布置

應(yīng)當(dāng)注意的是，超長混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力張拉，應(yīng)考慮各施工段張拉順序的影響，避免張拉過程中，造成應(yīng)力集中或分布不均造成混凝土開裂。石家莊國際展覽中心地下室底板按照后澆帶總共劃分為 33 個施工段，為保證張拉過程中預(yù)應(yīng)力的平穩(wěn)安全，并減少預(yù)應(yīng)力張拉過程中對后澆帶的影響，各施工段的預(yù)應(yīng)力的張拉首先從中間開始，南北對稱張拉施工段內(nèi)的縱向預(yù)應(yīng)力筋，待后澆帶混凝土強度達(dá)到要求后，以中間施工段為中心，東西兩側(cè)對稱張拉橫向預(yù)應(yīng)力筋（圖 3）。B 區(qū)以 B 12 施工段為中心，向東西兩側(cè)對稱張拉橫向預(yù)應(yīng)力筋，張拉具體順序：B 12、B 11、B 13、B 10、B 14、B 9、B 15、B 8、B 16、B 7、B 17、B 6、B 18、B 5、B 19、B 4、B 20、B 3、B 21、B 3、B 22、B 2、B 23、B 1。A 區(qū)以 A 3 施工段為中心，向東西兩側(cè)對稱張拉橫向預(yù)應(yīng)力筋，具體張拉順序：A 3、A 2、A 4、A 1、A 5。D 區(qū)以 D 3 施工段為中心，向東西兩側(cè)對稱張拉橫向預(yù)應(yīng)力筋，具體順序：D 3、D 2、D 、D 1、D 5。

圖3 預(yù)應(yīng)力張拉順序

2.4 合理設(shè)置后澆帶和加強帶

通過合理設(shè)置施工后澆帶，減少每次澆筑長度，可以防止混凝土的水化熱堆積，減少溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。設(shè)置施工后澆帶的初衷是防止混凝土裂縫的產(chǎn)生，但后澆帶混凝土的干縮極易在新老混凝土的連接處產(chǎn)生裂縫。為保證混凝土整體質(zhì)量，需要對后澆帶劃分進行合理布置，并在必要時用膨脹加強帶代替后澆帶。

石家莊國際展覽中心地下室按照結(jié)構(gòu)形式，滿足設(shè)計和規(guī)范的前提下，同時為便于施工，合理劃分后澆帶。地下室筏板上總共設(shè)置了 33 個施工段，施工段間設(shè) 800 mm 寬后澆帶，施工段寬度在 25～54 m 之間。同時在便于施工的條件下，為提高混凝土結(jié)構(gòu)整體性，在南北向不宜設(shè)置后澆帶的部位，根據(jù)收縮應(yīng)力，每個施工段設(shè)置1～3 道 2 m 寬膨脹加強帶。為減少后澆帶間裂縫的產(chǎn)生，后澆帶位置適當(dāng)增加 15% 的水平構(gòu)造鋼筋進行加強。

2.5 采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護及施工工藝

混凝土的運輸時間要盡量縮短，保證入模溫度＞5 ℃。筏板和頂板混凝土澆筑時減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱，采用“分段定點，一個坡度，薄層澆筑，循序漸進，一次到頂?shù)姆椒ā?，同時為避免冷縫產(chǎn)生，上下層混凝土澆筑間隔不能超過初凝時間。為保證混凝土澆筑質(zhì)量，在每個澆筑帶位置要同時布置兩道以上振搗器，同時需要注意加強混凝土的二次振搗和二次抹壓，在初凝前利用磨光機打磨壓實，減少混凝土的收縮裂縫。

混凝土澆筑后及時采取保溫保濕措施，防止表面失水過快造成混凝土表面產(chǎn)生收縮變形裂縫，可采用塑料薄膜包裹和毛氈覆蓋；也可采用蓄水養(yǎng)護，同時應(yīng)特別應(yīng)注意混凝土澆筑的早期養(yǎng)護，盡量利用混凝土的自身特性比如應(yīng)力松弛效應(yīng)，使混凝土抗拉強度及早生成；不過早拆模，防止混凝土裂縫的產(chǎn)生。

2.6 加強混凝土測溫

控制混凝土內(nèi)部的溫升對于大體積混凝土施工非常重要，為掌握大體積混凝土內(nèi)部溫度變化情況，隨時調(diào)節(jié)控制混凝土內(nèi)的溫度，石家莊國際展覽中心在地下室共分了 33 個區(qū)進行測溫，每個區(qū)布置 4 個測溫點，測溫點放置測量混凝土底部（筏板底面上 50 mm 處）、中部和上表面溫度（筏板頂面下 50 mm 處），且厚度方向測溫點間距 ≤600 mm。通過混凝土監(jiān)測結(jié)果，及時反饋現(xiàn)場大體積混凝土內(nèi)溫度變化實際情況，根據(jù)檢測情況，為工程技術(shù)和施工人員及時調(diào)整養(yǎng)護措施提供科學(xué)依據(jù)。

2.7 其他措施

混凝土結(jié)構(gòu)成型后，在條件允許時應(yīng)盡快回填，回填土對混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護非常有利，可以有利預(yù)防裂縫產(chǎn)生。同時混凝土澆筑過程中應(yīng)加強成品保護，可以采取鋪設(shè)道路等方式避免對鋼筋擾動導(dǎo)致的混凝土裂縫出現(xiàn)。此外混凝土結(jié)構(gòu)成型后應(yīng)避免過早施加荷載，防止任意踩踏以及大型設(shè)備及車輛的碾壓，因為過早施加荷載也是導(dǎo)致混凝土裂縫產(chǎn)生的一大因素。

3 結(jié) 語

本工程通過混凝土配比設(shè)計優(yōu)化、添加高性能纖維混合混凝土膨脹劑、施加預(yù)應(yīng)力、合理設(shè)置后澆帶和加強帶等一系列的綜合抗裂技術(shù)措施，以及適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護及施工工藝，對超長混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性起到了非常重要作用，有效地改善了混凝土的內(nèi)在質(zhì)量，大大地減少了超長混凝土裂縫的產(chǎn)生。經(jīng)過兩年使用后，整個地下室區(qū)域內(nèi)的混凝土均未出現(xiàn)明顯裂縫，應(yīng)用效果良好。該綜合施工技術(shù)為同類超長超寬混凝土施工提供了技術(shù)依據(jù)和施工經(jīng)驗，具有很好的推廣意義。