大體積混凝土施工技術(shù)的應(yīng)用分析

羅冬華

中國水利水電第九工程局有限公司，中國·貴州 貴陽 550081

1 引言

大體積混凝土施工技術(shù)工程的質(zhì)量[1]和安全至關(guān)重要，大體積混凝土施工和養(yǎng)護(hù)過程中，容易出現(xiàn)裂縫或斷層等問題，嚴(yán)重地影響了建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，并且有可能會(huì)導(dǎo)致建筑工程因?yàn)橘|(zhì)量不達(dá)標(biāo)而失敗。論文針對(duì)大體積混凝土施工技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究，分析了大體積混凝土裂隙產(chǎn)生的機(jī)理、裂隙分類、原因分析和施工的技術(shù)要點(diǎn)，提出了大體積混凝土施工技術(shù)在建筑工程中應(yīng)用水平提升的策略。

2 大體積混凝土裂隙產(chǎn)生的機(jī)理

大體積混凝土施工階段所產(chǎn)生的裂縫，主要有以下兩個(gè)方面。

2.1 混凝土內(nèi)部因素

主要由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生的，由于局部存在溫度差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形。溫度應(yīng)力與溫差成正比，溫差越大，溫度應(yīng)力也越大。當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗該溫度應(yīng)力時(shí)，便開始產(chǎn)生裂縫[2]。

2.2 混凝土的外部因素

結(jié)構(gòu)的外部約束和混凝土各質(zhì)點(diǎn)間的約束，阻止混凝土收縮變形，混凝土抗壓強(qiáng)度較大，但相對(duì)來說，混凝土抗拉強(qiáng)度卻很小，所以收縮應(yīng)力一旦超過混凝土能承受的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫。

3 大體積混凝土裂縫分類

大體積混凝土內(nèi)出現(xiàn)的裂縫按深度的不同，分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種。貫穿裂縫是由混凝土表面裂縫發(fā)展為深層裂縫，最終形成貫穿裂縫。它切斷了結(jié)構(gòu)的斷面，可能破壞結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，其危害性較為嚴(yán)重；深層裂縫部分地切斷了結(jié)構(gòu)斷面，也有一定危害性；表面裂縫一般危害性較小。

出現(xiàn)裂縫并不是絕對(duì)地影響結(jié)構(gòu)安全，它都有一個(gè)最大允許值。處于室內(nèi)正常環(huán)境的一般構(gòu)件最大裂縫寬度小于等于0.3mm；處于露天或室內(nèi)高濕度環(huán)境的構(gòu)件最大裂縫寬度小于等于0.2mm。

4 大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因分析

大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因有以下四個(gè)方面。

4.1 水泥水化熱

水泥在水化過程中要產(chǎn)生大量的熱量，是大體積混凝土內(nèi)部熱量的主要來源。大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面較厚，表面系數(shù)相對(duì)較小，所以水泥發(fā)生的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失，最高溫度一般可達(dá)60~65℃，并且有較長的延續(xù)時(shí)間。這樣混凝土內(nèi)部的水化熱無法及時(shí)散發(fā)出去，以至于越積越高，使內(nèi)外溫差增大，這是大體積混凝土容易產(chǎn)生裂縫的主要原因。

單位時(shí)間混凝土釋放的水泥水化熱，與混凝土單位體積中水泥用量和水泥品種有關(guān)，并隨混凝土的齡期而增長。由于混凝土結(jié)構(gòu)表面可以自然散熱，實(shí)際上內(nèi)部的最高溫度，多數(shù)發(fā)生在澆筑后的最初3~5 天。

4.2 外界氣溫變化

大體積混凝土在施工階段，外界氣溫的變化對(duì)大體積混凝土的開裂有重大影響。它的澆筑溫度隨著外界氣溫變化而變化，外界溫度越高，混凝土的澆筑溫度也越高。在高溫條件下，大體積混凝土溫度高且不易散熱，極易引起局部溫差。外界溫度下降，尤其是驟降，大大增加外層混凝土與混凝土內(nèi)部的溫度梯度，產(chǎn)生溫差應(yīng)力，造成大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。

4.3 混凝土的收縮

混凝土的拌合水中，只有約20%的水分是水泥水化所必需的，其余80%要被蒸發(fā)。多余水分的蒸發(fā)會(huì)引起混凝土體積的收縮。如果混凝土收縮后，再處于水飽和狀態(tài)，還可以恢復(fù)膨脹并幾乎達(dá)到原有的體積。干濕交替會(huì)引起混凝土體積的交替變化，會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫。其中，影響混凝土收縮主要是水泥品種、混凝土配合比、外加劑和摻合料的品種以及施工工藝（特別是養(yǎng)護(hù)條件）等。

4.4 約束條件

大體積鋼筋混凝土與地基澆筑在一起，當(dāng)早期溫度上升時(shí)產(chǎn)生的膨脹變形受到下部地基的約束而形成壓應(yīng)力。由于混凝土的彈性模量小，徐變和應(yīng)力松弛度大，使混凝土與地基連接不牢固，因而壓應(yīng)力較小。但當(dāng)溫度下降時(shí)，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，若超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土就會(huì)出現(xiàn)裂縫。

5 大體積混凝土裂縫控制

5.1 大體積混凝土配合比要求

第一，大體積混凝土配合比的設(shè)計(jì)除應(yīng)符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、耐久性、抗?jié)B性、 體積穩(wěn)定性等要求外，尚應(yīng)符合大體積混凝土施工工藝特性的要求，并應(yīng)符合合理使用材料、降低混凝土絕熱溫升值的原則。

第二，混凝土拌和物在澆筑工作面的坍落度不宜大于160mm。

第三，拌和水用量不宜大于170kg/m3，水膠比不宜大于0.55。

第四，粉煤灰摻量應(yīng)適當(dāng)增加，但不宜超過水泥用量的40%；礦渣粉的摻量不宜超過水泥用量的50%，兩種摻和料的總量不宜大于混凝土中水泥重量的50%[3]。

5.2 大體積混凝土原材料要求

第一，粗骨料宜采用連續(xù)級(jí)配，細(xì)骨料宜采用中砂。

第二，外加劑宜采用緩凝劑、減水劑；摻合料宜采用粉煤灰、礦渣粉等。

第三，大體積混凝土在保證混凝土強(qiáng)度及坍落度要求的前提下，應(yīng)提高摻合料及骨料的含量，以降低單方混凝土的水泥用量。

第四，水泥應(yīng)盡量選用水化熱低、凝結(jié)時(shí)間長的水泥，優(yōu)先采用中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、大壩水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥等。根據(jù)試驗(yàn)，每增減10kg 水泥，其水化熱將使混凝土溫度相應(yīng)升降1℃；

第五，采用非泵送施工時(shí)粗骨料的粒徑可適當(dāng)增大。

5.3 大體積混凝土施工組織設(shè)計(jì)

第一，大體積混凝土的模板和支架系統(tǒng)除應(yīng)按國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算外，還應(yīng)結(jié)合大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行保溫構(gòu)造設(shè)計(jì)。

第二，模板和支架系統(tǒng)在安裝或拆除過程中，必須設(shè)置防傾覆的臨時(shí)固定措施。

第三，大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力的計(jì)算。

第四，施工階段溫控指標(biāo)和技術(shù)措施的確定。

第五，原材料優(yōu)選、配合比設(shè)計(jì)、制備與運(yùn)輸計(jì)劃。

第六，混凝土主要施工設(shè)備和現(xiàn)場總平面布置。

第七，溫控監(jiān)測(cè)設(shè)備和測(cè)試布置圖。

第八，混凝土澆筑順序和施工進(jìn)度計(jì)劃。

第九，混凝土保溫和保濕養(yǎng)護(hù)方法。

第十，主要應(yīng)急保障措施。

第十一，崗位責(zé)任制和交接班制度，測(cè)溫作業(yè)管理制度。

第十二，特殊部位和特殊氣候條件下的施工措施。

5.4 大體積混凝土的施工控制措施

第一，在設(shè)計(jì)許可的情況下，采用混凝土60d 強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

第二，采用低熱或中熱水泥配置混凝土，如粉煤灰水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和復(fù)合水泥等。同時(shí)，充分利用混凝土的后期強(qiáng)度，減少每立方米混凝土中水泥的用量，如摻加粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等摻合料。

第三，摻入減水劑、緩凝劑、膨脹劑等外加劑。

第四，在炎熱季節(jié)施工時(shí)，采取降低原材料溫度、減少混凝土運(yùn)輸時(shí)吸收外界熱量等降溫措施。采用低溫水或冰水?dāng)嚢杌炷?，?duì)骨料采取遮陽，噴冷水霧或冷氣預(yù)冷，混凝土輸送管道全程覆蓋灑冷水等措施可降低混凝土的出機(jī)和入模溫度。

第五，混凝土內(nèi)部預(yù)埋管道，接入循環(huán)冷卻水，進(jìn)行水冷散熱。

第六，在厚大無筋或少筋的大體積混凝土中，摻加總量不超過20%的塊石，減少混凝土用量，以達(dá)到節(jié)省水泥和降低水化熱的目的。

第七，當(dāng)采用泵送混凝土?xí)r，混凝土澆筑層厚度不宜大于500mm；當(dāng)采用非泵送混凝土?xí)r，混凝土澆筑層厚度不宜大于300mm。

第八，采取保溫保濕養(yǎng)護(hù)，混凝土中心溫度與表面溫度的差值不應(yīng)大于25℃，混凝土表面溫度與大氣溫度的差值不應(yīng)大于20℃。養(yǎng)護(hù)時(shí)間不應(yīng)少于14d。

第九，大體積混凝土的澆筑應(yīng)合理分段分層進(jìn)行，使混凝土沿高度均勻上升；采用二次振搗的方法，增加混凝土的密實(shí)度，提高抗裂能力，使上下兩層混凝土在初凝前結(jié)合良好。

第十，澆筑應(yīng)在室外氣溫較低時(shí)進(jìn)行，混凝土澆筑溫度不得超過30℃，不宜超過28℃。

第十一，隨時(shí)控制混凝土內(nèi)的溫度變化，及時(shí)調(diào)整保溫及養(yǎng)護(hù)措施，使混凝土中心溫度與表面溫度的差值不應(yīng)超過25℃，混凝土表面與大氣溫度差值均不應(yīng)超過20℃。

第十二，大體積混凝土施工采取分層間歇澆筑混凝土?xí)r，水平施工縫設(shè)置除應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)根據(jù)混凝土澆筑過程中溫度裂縫控制的要求、混凝土的供應(yīng)能力、鋼筋工程的施工、預(yù)埋管件安裝等因素確定。

第十三，大體積混凝土在澆筑過程中，應(yīng)采取措施防止受力鋼筋、定位筋、預(yù)埋件等移位和變形。

第十四，大體積混凝土澆筑時(shí)可考慮跳倉法施工或設(shè)置后澆帶，以減少外應(yīng)力和溫度應(yīng)力，有利于散熱，降低混凝土內(nèi)部溫度。同時(shí)，澆筑面應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次抹壓處理。

第十五，冬期澆筑混凝土，宜采用熱水拌和、加熱骨料等措施提高混凝土原材料溫度，混凝土入模溫度不宜低于5℃?；炷翝仓髴?yīng)及時(shí)進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。

第十六，大風(fēng)天氣澆筑混凝土，在作業(yè)面應(yīng)采取擋風(fēng)措施，降低混凝土表面風(fēng)速，并增加混凝土表面的抹壓次數(shù)，及時(shí)覆蓋塑料薄膜和保溫材料，保持混凝土表面濕潤，防止風(fēng)干。

第十七，雨雪天不宜露天澆筑混凝土，當(dāng)需施工時(shí)，應(yīng)采取有效措施，確?；炷临|(zhì)量。澆筑過程中突遇大雨或大雪天氣時(shí)，應(yīng)及時(shí)在結(jié)構(gòu)合理部位留置施工縫，盡快中止混凝土澆筑；對(duì)已澆筑還未硬化的混凝土立即進(jìn)行覆蓋，嚴(yán)禁雨水直接沖刷新澆筑的混凝土。

5.5 大體積混凝土澆筑溫度控制

澆筑溫度是指混凝土經(jīng)澆筑、振搗后的溫，在混凝土50~100mm 深處的溫度。

控制澆筑溫度是有好處的，要降低澆筑溫度必須從降低混凝土出機(jī)溫度入手，其目的是降低大體積混凝土的總溫升值和減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差。降低混凝土出機(jī)溫度最有效的方法是降低石子的溫度。由于夏季氣溫較高，為防止太陽的直接照射，可要求商品混凝土供應(yīng)商在砂、石堆場搭設(shè)簡易遮陽裝置，必要時(shí)向骨料噴射水霧或使用前作淋水沖洗。在控制混凝土的澆筑溫度方面，通過計(jì)算混凝土的工程量，做到合理安排施工流程及機(jī)械配置，調(diào)整澆筑時(shí)間為以夜間澆筑為主，少在白天進(jìn)行，以免因暴曬而影響質(zhì)量。

5.6 大體積混凝土養(yǎng)護(hù)要求

大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)包含保溫、保濕養(yǎng)護(hù)。其中，保溫養(yǎng)護(hù)的作用如下：

第一，減少混凝土表面的熱擴(kuò)散，減小混凝土表面的溫度梯度，防止產(chǎn)生表面裂縫。

第二，延長散熱時(shí)間，充分發(fā)揮混凝土的潛力和材料的松弛特性，使混凝土的平均總溫差所產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度，防止產(chǎn)生貫穿裂縫。

5.6.1 保濕養(yǎng)護(hù)的作用

第一，剛澆筑不久的混凝土，尚處于凝固硬化階段，水化的速度較快，適宜的潮濕條件可防止混凝土表面脫水而產(chǎn)生干縮裂縫。

第二，混凝土在潮濕條件下，可使水泥的水化作用順利進(jìn)行，提高混凝土的極限拉伸強(qiáng)度。

5.6.2 大體積混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度控制方法

第一，降溫法，即在混凝土澆筑成型后，通過循環(huán)冷卻水降溫，從結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部進(jìn)行溫度差控制。

第二，保溫法，即混凝土澆筑成型后，通過保溫材料、覆蓋濕砂、蓄水等辦法，減慢混凝土表面及四周熱量的散失，從結(jié)構(gòu)物的外部進(jìn)行溫度控制。保溫法基本原理是利用混凝土的初始溫度加上水泥水化熱的溫升，減緩混凝土表面散熱過程（通過人為控制），使混凝土里表溫度差始終控制在25℃以內(nèi)[4]。

5.7 大體積混凝土溫控檢測(cè)要求

大體積混凝土溫控包括測(cè)溫點(diǎn)的布置、測(cè)溫頻率、測(cè)溫工具的選用。

第一，大體積混凝土澆筑體內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，應(yīng)以能真實(shí)反映出混凝土澆筑體內(nèi)最高溫升、芯部與表層溫差、降溫速率及環(huán)境溫度為原則。測(cè)溫點(diǎn)的布置必須具有代表性和可比性。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置范圍以所選混凝土澆筑體平面圖對(duì)稱軸線的半條軸線為測(cè)試區(qū)，在基礎(chǔ)平面對(duì)稱軸線上，監(jiān)測(cè)點(diǎn)不宜少于4 處，布置應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的幾何尺寸。沿澆筑的高度，應(yīng)布置在底部、中部和表面，澆筑體的底部溫度，以混凝土底面以上50mm 處的溫度為準(zhǔn)；表面溫度，以混凝土表面以下50mm 處的溫度為準(zhǔn)；內(nèi)部溫度，以沿垂直方向間距不超過500mm 的測(cè)點(diǎn)溫度為準(zhǔn)；平面則應(yīng)布置在邊緣與中間，平面測(cè)點(diǎn)間距一般為2.5~5m。

第二，測(cè)溫頻率—每晝夜應(yīng)不少于4次；入模溫度的測(cè)量，每臺(tái)班不少于2 次。所有測(cè)溫孔均應(yīng)編號(hào)，進(jìn)行混凝土內(nèi)部不同深度和表面溫度的測(cè)量。測(cè)溫工作應(yīng)由經(jīng)過培訓(xùn)、責(zé)任心強(qiáng)的專人進(jìn)行。測(cè)溫記錄，應(yīng)交技術(shù)負(fù)責(zé)人閱簽，并作為對(duì)混凝土施工和質(zhì)量的控制依據(jù)。

第三，測(cè)溫工具的選用。為了及時(shí)控制混凝土內(nèi)外兩個(gè)溫差以及校驗(yàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的差別，隨時(shí)掌握混凝土溫度動(dòng)態(tài)，宜采用熱電偶或半導(dǎo)體液晶顯示溫度計(jì)。采用熱偶測(cè)溫時(shí)，還應(yīng)配合普通溫度計(jì)，以便進(jìn)行校驗(yàn)。測(cè)溫過程中宜及時(shí)描繪出各點(diǎn)的溫度變化曲線和斷面的溫度分布曲線[5]。

6 大體積混凝土施工技術(shù)在建筑工程中應(yīng)用水平提升的策略

6.1 對(duì)施工人員進(jìn)行專業(yè)化能力提升培訓(xùn)與考核

大體積混凝土施工技術(shù)的應(yīng)用水平主要取決于施工人員的專業(yè)化能力，如果施工人員不具備足夠全面的專業(yè)化知識(shí)，在大體積混凝土施工的任何一個(gè)要點(diǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題，都有可能會(huì)導(dǎo)致大體積混凝土質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。在返工維修的時(shí)候既消耗成本又浪費(fèi)時(shí)間，甚至有可能會(huì)導(dǎo)致工程延期、成本超支或以失敗告終。在建筑工程中有許多僅僅有混凝土施工經(jīng)驗(yàn)的人員擔(dān)任了大體積混凝土施工的工作，但是普通的混凝土施工與大體積混凝土施工存在著較大的差別，且大體積混凝土的施工難度更高。因此，在建筑大體積混凝土施工團(tuán)隊(duì)中存在著不少人員缺少大體積混凝土施工的專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)對(duì)大體積混凝土施工人員開展專業(yè)能力提升培訓(xùn)，在培訓(xùn)期間應(yīng)當(dāng)先帶領(lǐng)施工人員熟悉整個(gè)工藝流程及相關(guān)要求，之后再幫助其加深對(duì)專業(yè)技術(shù)的掌握程度。在培訓(xùn)結(jié)束的時(shí)候可以對(duì)施工人員進(jìn)行考核，當(dāng)施工人員的考核不達(dá)標(biāo)，則不能夠讓其參與大體積混凝土工程施工。

6.2 做好建筑工程施工質(zhì)量監(jiān)督管理工作

質(zhì)量監(jiān)督管理工作是確保建筑工程質(zhì)量的重要工作，能夠?qū)Υ篌w積混凝土施工人員的操作起到監(jiān)督管理的作用，有效地約束施工人員的行為，避免其出現(xiàn)偷工減料、得過且過、將就的懶惰想法。同時(shí)，質(zhì)量監(jiān)督管理工作還有助于及時(shí)地發(fā)現(xiàn)大體積混凝土施工中存在的質(zhì)量問題，發(fā)現(xiàn)問題之后及時(shí)地解決問題。對(duì)此，應(yīng)當(dāng)完善質(zhì)量監(jiān)督管理制度，在制度中明確每一位施工人員與監(jiān)管人員的權(quán)責(zé)，出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)按照權(quán)責(zé)追究相關(guān)責(zé)任人的責(zé)任。再者，還應(yīng)當(dāng)讓監(jiān)管人員做好工作日志，詳細(xì)地記錄好每日的監(jiān)督工作。

6.3 開展大體積混凝土施工風(fēng)險(xiǎn)管理

在應(yīng)用大體積混凝土施工技術(shù)時(shí)存在著大大小小的風(fēng)險(xiǎn)。例如，材料配比不達(dá)標(biāo)，裂隙控制措施不到位等導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生，這些都是可以預(yù)測(cè)到的風(fēng)險(xiǎn)，如果在施工的過程中做好風(fēng)險(xiǎn)的管理工作，在風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生之前就先對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并且對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，尋找出合適的降低風(fēng)險(xiǎn)或者解決問題的方案，并且委派責(zé)任人追蹤管理風(fēng)險(xiǎn)，就能夠有效地減少在大體積混凝土施工技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)問題的概率與嚴(yán)重程度。

7 結(jié)語

建筑工程是中國民生建設(shè)的必要工程，也是城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要標(biāo)志。為了能夠保障建筑工程的質(zhì)量和安全，需要做好大體積混凝土的施工技術(shù)管理工作。建筑工程中大體積混凝土施工的技術(shù)要點(diǎn)主要涉及配合比設(shè)計(jì)、原材料要求、施工組織設(shè)計(jì)、施工控制措施、溫度控制、混凝土養(yǎng)護(hù)和溫控檢測(cè)等。因此，大體積混凝土施工技術(shù)在建筑工程中應(yīng)用水平提升的策略為：對(duì)施工人員進(jìn)行專業(yè)化能力提升培訓(xùn)與考核，做好建筑工程施工質(zhì)量監(jiān)督管理工作以及開展大體積混凝土施工風(fēng)險(xiǎn)管理。