大體積混凝土梁施工溫度及收縮裂縫的控制分析

劉大鵬 劉 彪 劉 通 趙 博 田振宇

大體積混凝土梁是現(xiàn)代大型建筑工程的主要結(jié)構(gòu)之一，該結(jié)構(gòu)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)建筑建設(shè)質(zhì)量與后續(xù)使用效果。但是，大體積混凝土梁由于結(jié)構(gòu)體積較大，澆筑難度較高，很容易受到溫度、收縮應(yīng)力等因素影響而出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，影響整個(gè)建筑的后續(xù)使用，增加建筑出現(xiàn)安全事故的概率。因此在大面積混凝土施工過(guò)程中，應(yīng)采取科學(xué)、合理的方式對(duì)溫度裂縫、收縮裂縫進(jìn)行控制。

1 大體積混凝土裂縫

大體積混凝土澆筑施工過(guò)程中很容易出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，根據(jù)裂縫寬度的不同，可將裂縫劃分為2 種類型，一種為微觀裂縫；即寬度低于0.05 mm的裂縫，另一種為宏觀裂縫，即寬度超過(guò)0.05 mm 的裂縫。建筑施工過(guò)程中出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，將會(huì)嚴(yán)重影響大體積混凝土的正常應(yīng)用。

導(dǎo)致大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的因素有很多，主要有以下3 點(diǎn)：第1，水化熱?；炷聊虝r(shí)，水泥與水反應(yīng)后會(huì)生成大量的水化熱，使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度存在較大的差異，最高可超過(guò)30 ℃。當(dāng)內(nèi)外溫差達(dá)到一定水平后，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較高的溫度應(yīng)力，在溫度應(yīng)力的作用下，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。第2，內(nèi)外約束力。混凝土凝固過(guò)程中，為了防止混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形問(wèn)題，結(jié)構(gòu)外部必然會(huì)受到一定的約束力，而當(dāng)約束應(yīng)力高于材料的抗拉強(qiáng)度后，即便不預(yù)留伸縮縫結(jié)構(gòu)也很容易出現(xiàn)裂縫。第3，環(huán)境溫度。大量實(shí)踐研究表明，施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫度變化是引發(fā)大體積混凝土裂縫的主要原因之一，若周邊環(huán)境溫度較高，混凝土澆筑溫度也會(huì)較低。反之，若周邊環(huán)境溫度較低，混凝土澆筑溫度也會(huì)較低。當(dāng)施工現(xiàn)場(chǎng)溫度出現(xiàn)巨大改變后，會(huì)使混凝土澆筑溫度出現(xiàn)變化，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)較高的溫度應(yīng)力，從而引發(fā)裂縫問(wèn)題。

2 工程概況

本文以西安華潤(rùn)國(guó)際文化商業(yè)中心項(xiàng)目三、五標(biāo)段為例，介紹一種大體積混凝土梁施工溫度、收縮裂縫的控制技術(shù)。項(xiàng)目位于城市中軸線，毗鄰西安電視塔，是西安城市規(guī)劃中的商業(yè)新地標(biāo)，是華潤(rùn)置地打造未來(lái)商業(yè)市場(chǎng)里一線的購(gòu)物中心。該項(xiàng)目致力于打造華潤(rùn)置地現(xiàn)象級(jí)的、具有示范意義的新一代商業(yè)綜合體，從品牌層面打造華潤(rùn)現(xiàn)象級(jí)標(biāo)桿綜合體影響力。

項(xiàng)目總建筑面積約289516 m2，包 含2 棟1 5 0 m 高 塔 樓（ B 塔 辦 公+酒店、C 塔公寓）和1 棟商業(yè)裙樓 ，塔樓和裙樓設(shè)計(jì)有大量超大跨、大截面框架梁，其中塔樓最大梁截面8 0 0 mm×2 0 0 0 mm ，裙 樓 最 大 梁 截面1 0 0 0 mm×1 7 0 0 mm、最大梁跨度2 3.4 m（截面尺寸為8 0 0 mm×14 0 0 mm ）。大體積混凝土梁施工過(guò)程中容易出現(xiàn)溫度裂縫或收縮裂縫，因而該項(xiàng)目大體積混凝土梁施工時(shí)，施工單位應(yīng)注重對(duì)溫度裂縫與收縮裂縫問(wèn)題的控制。

3 大體積混凝土梁施工溫度及收縮裂縫的控制技術(shù)

3.1 施工過(guò)程控制

3.1.1 做好施工準(zhǔn)備工作

該項(xiàng)目在大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，為了防止出現(xiàn)溫度裂縫與收縮裂縫的問(wèn)題，施工單位要做好施工準(zhǔn)備工作，具體為：

1）材料準(zhǔn)備。根據(jù)大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)施工要求選擇合理的施工材料。選擇水泥時(shí)，應(yīng)在保證水泥性質(zhì)符合要求的基礎(chǔ)上，選取水化熱較低的水泥，通過(guò)水泥水化熱反應(yīng)釋放熱量的控制，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度水平，從而防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫。同時(shí)，選擇性質(zhì)良好的礦渣粉或粉煤灰，用于增加混凝土坍落度，抑制混合料中堿-骨料反應(yīng)等，以此達(dá)到控制結(jié)構(gòu)裂縫的目的?；炷凉橇弦话氵x取中砂，細(xì)度模數(shù)應(yīng)超過(guò)2.3，級(jí)配良好，且含泥量控制在1.5%以內(nèi)。還要根據(jù)工程實(shí)際情況，適當(dāng)選擇減水劑、抗凍劑、緩凝劑等，以此控制結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度或應(yīng)力水平，從而防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題[1]。

2）施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備。在施工現(xiàn)場(chǎng)合理位置處構(gòu)建交通道路，為混凝土的運(yùn)送提供支持，防止混凝土運(yùn)送時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。同時(shí)，搭建臨時(shí)辦公用房、臨時(shí)材料存儲(chǔ)用房等，為施工活動(dòng)的開(kāi)展打下良好基礎(chǔ)，避免材料現(xiàn)場(chǎng)存儲(chǔ)不當(dāng)?shù)葐?wèn)題而增加裂縫問(wèn)題發(fā)生率。

3）設(shè)備準(zhǔn)備。針對(duì)施工需求選擇性能良好且數(shù)量充足的施工設(shè)備，以確保整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)澆筑的連貫性，避免澆筑作業(yè)突然中斷而導(dǎo)致大體積混凝土梁出現(xiàn)裂縫問(wèn)題（表1）。

表1 西安華潤(rùn)國(guó)際文化商業(yè)中心項(xiàng)目大體積混凝土梁施工設(shè)備表

3.1.2 設(shè)計(jì)最佳的運(yùn)輸方案

若混凝土運(yùn)輸不合理，可能導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)離析問(wèn)題，增加大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題的概率。為了防止該項(xiàng)目大體積混凝土梁施工時(shí)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，混凝土運(yùn)輸時(shí)，應(yīng)使用混凝土罐車?；炷裂b車前，需將車廂內(nèi)部的水分排出，并自然晾曬一段時(shí)間，確保罐車車廂內(nèi)部保持干燥。運(yùn)輸過(guò)程中，罐車應(yīng)在3 ～6 r/min 的條件下慢速旋轉(zhuǎn)，防止混凝土靜置時(shí)間較長(zhǎng)而影響均勻性與坍落度；若發(fā)現(xiàn)混凝土離析，或是坍落度不符合要求時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加快罐車攪拌速度。

在整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程中，禁止向混凝土內(nèi)添加水分。若發(fā)現(xiàn)混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題，快速攪拌無(wú)法改良混凝土性能時(shí)，禁止繼續(xù)用于大體積混凝土梁澆筑施工[2]。根據(jù)大體積混凝土梁規(guī)格尺寸，分別計(jì)算出混凝土輸送泵數(shù)量與罐車數(shù)量，計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示：

式（1）中，N為混凝土輸送泵所需數(shù)量；qn為大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)混凝土用量；η 為混凝土泵車工作效率。

式（2）中，n為混凝土罐車所需數(shù)量；qm為混凝土泵車排量；Q為罐車容量；l為攪拌站與現(xiàn)場(chǎng)之間的運(yùn)輸距離；v為罐車行駛速度；t為預(yù)估的停車時(shí)間。

3.1.3 混凝土澆筑的控制

大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)施工通常在夏季，天氣較為炎熱，應(yīng)采取遮蓋、灑水等方式控制混凝土溫度，將混凝土入模溫度控制在30 ℃以內(nèi)，防止混凝土入模溫度過(guò)高而出現(xiàn)溫度裂縫?；炷翝仓^(guò)程中，應(yīng)采用分層澆筑的方式，由一端開(kāi)始，逐漸向另一端進(jìn)行澆筑，每層厚度控制在500 mm左右。前一層澆筑結(jié)束后，應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行下一層澆筑，前一層禁止出現(xiàn)初凝現(xiàn)象，避免影響梁澆筑層之間的粘結(jié)效果。每層澆筑應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，中間不可中斷；發(fā)生中斷時(shí)應(yīng)采用汽車泵繼續(xù)澆筑，避免結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)施工冷縫。

3.1.4 混凝土振搗的控制

混凝土澆筑施工結(jié)束后，應(yīng)以振動(dòng)振搗棒為主要工具，對(duì)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行振搗處理，以提升結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，防止大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)后續(xù)出現(xiàn)溫度裂縫或收縮裂縫問(wèn)題。振搗施工過(guò)程中，應(yīng)遵循“快插慢拔、上下抽動(dòng)”的原則，選擇并列式的方式進(jìn)行振搗，并在梁結(jié)構(gòu)表面均勻布置振搗點(diǎn)。此外，為了確保大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)的振搗效果，還應(yīng)注重振搗參數(shù)的控制，如表2 所示。結(jié)構(gòu)振搗結(jié)束后，應(yīng)通過(guò)木抹子對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行抹平處理，以提升結(jié)構(gòu)表面的平整性[3]。

表2 大體積混凝土振搗參數(shù)表

3.1.5 混凝土養(yǎng)護(hù)控制

確保大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)密實(shí)度符合規(guī)定要求后，立即對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。第1，在結(jié)構(gòu)表面鋪設(shè)一層塑料膜與毛氈，根據(jù)結(jié)構(gòu)表面情況與施工現(xiàn)場(chǎng)氣候條件，向結(jié)構(gòu)表面噴灑適量水分，用于控制結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差水平，防止結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差過(guò)大而出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。第2，為防止大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，還應(yīng)注重養(yǎng)護(hù)工作的控制（表3）。

表3 大體積混凝土梁養(yǎng)護(hù)控制要求表

3.2 溫控設(shè)計(jì)

3.2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

為了防止大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度裂縫或收縮裂縫問(wèn)題，施工單位應(yīng)針對(duì)施工需求設(shè)計(jì)出最佳的混凝土配合比。在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)部門(mén)應(yīng)先根據(jù)各種材料性質(zhì)，結(jié)合以往工作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的混凝土配合比方案。

再以此為基礎(chǔ)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式，由設(shè)計(jì)方、施工方、監(jiān)理方、業(yè)主方等多個(gè)部門(mén)共同檢查配合比，判斷配合比方案是否存在問(wèn)題。若存在問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)對(duì)配合比予以調(diào)節(jié)，從而得到最佳的混凝土配合比方案，如表4 所示。

表4 西安華潤(rùn)國(guó)際文化商業(yè)中心項(xiàng)目大體積混凝土梁配合比方案表

3.2.2 溫度應(yīng)力控制

在大體積混凝土梁整個(gè)施工周期內(nèi)，應(yīng)注重溫度應(yīng)力的控制，防止結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力過(guò)高而產(chǎn)生裂縫。混凝土拌和時(shí)，溫度應(yīng)控制在約35 ℃；混凝土儲(chǔ)罐時(shí)，由于采用的是敞開(kāi)式攪拌機(jī)棚，因而出料溫度應(yīng)與拌和溫度相同，即35 ℃；混凝土澆筑時(shí)，采用的是分兩次卸料法，溫度應(yīng)控制在約31.3 ℃；根據(jù)水泥發(fā)熱量特性，計(jì)算出結(jié)構(gòu)第7 d 的絕熱升溫量，即44.8 ℃；根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)厚度，結(jié)合絕熱升溫量，計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度，即約54.14 ℃。該項(xiàng)目大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)時(shí)，在結(jié)構(gòu)表面鋪設(shè)1 層塑料膜與2 層毛氈，養(yǎng)護(hù)保溫層總厚度在約20 mm，以此計(jì)算出結(jié)構(gòu)表面最高溫度，即43.6 ℃[4]。

3.2.3 混凝土水化熱溫升與溫降監(jiān)測(cè)

大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，需要注重結(jié)構(gòu)水化熱溫升與溫降的監(jiān)測(cè)，為結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差的控制與調(diào)節(jié)提供支持。結(jié)構(gòu)溫度檢測(cè)時(shí)，主要采用的是自動(dòng)測(cè)溫儀與PT100 型溫度傳感器，自動(dòng)采集結(jié)構(gòu)內(nèi)外部溫度數(shù)據(jù)。然后根據(jù)大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)形狀和尺寸特點(diǎn)，分別布置豎向測(cè)溫點(diǎn)與平面測(cè)溫點(diǎn)，其中，豎向測(cè)溫點(diǎn)主要根據(jù)結(jié)構(gòu)頂表面、中心、底表面等區(qū)域溫度監(jiān)測(cè)需求而布置；平面測(cè)溫點(diǎn)主要根據(jù)混凝土澆筑方向、澆筑時(shí)間等因素而布置[5]。通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，共布置了17 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)?；炷翝仓┕そY(jié)束7 d 以內(nèi)，以1 h 為間隔定時(shí)檢測(cè)結(jié)構(gòu)溫度；超過(guò)第7 d 后，則以3 h 為間隔檢測(cè)結(jié)構(gòu)溫度。檢測(cè)人員應(yīng)仔細(xì)記錄，為判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差是否超過(guò)規(guī)定要求提供支持。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差連續(xù)一星期保持穩(wěn)定，且結(jié)構(gòu)表面與環(huán)境之間的溫度差在30 ℃以內(nèi)時(shí)，則停止對(duì)結(jié)構(gòu)溫度的繼續(xù)監(jiān)測(cè)。

4 裂縫修補(bǔ)

大體積混凝土結(jié)構(gòu)受到收縮應(yīng)力、溫度變化等因素出現(xiàn)裂縫病害時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的方式修補(bǔ)，使大體積混凝土質(zhì)量符合規(guī)定要求。其中，常見(jiàn)的裂縫修補(bǔ)方法有以下幾種：

1）表面封閉法是在裂縫表面涂抹一層防水材料，用于對(duì)裂縫的填補(bǔ)。該方法用于深度較?。ǎ?.2 mm）的裂縫，以提升混凝土結(jié)構(gòu)表面的防水性與耐久性，避免水分進(jìn)一步滲透到混凝凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部造成更嚴(yán)重的損傷，但若裂縫較深則不能應(yīng)用該方法。

2）壓力注漿法。在一定壓力條件下，將修復(fù)材料灌入裂縫中，待泥漿凝固后，即可完成裂縫修補(bǔ)。該方法常用于深度在0.2 ～0.3 mm 范圍內(nèi)的裂縫，修復(fù)材料主要包括水泥、環(huán)氧樹(shù)脂等。

3）開(kāi)槽法。用于處理寬度較大的裂縫。先在裂縫周邊一定范圍內(nèi)開(kāi)槽，然后均勻涂抹適量的彈性止水劑或剛性止水劑，對(duì)裂縫進(jìn)行密封，避免裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大而產(chǎn)生更加嚴(yán)重的問(wèn)題。

4）結(jié)構(gòu)加固法。主要用于對(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)、面積較大或是貫穿裂縫的處理。例根據(jù)原混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性等要求，配置出相應(yīng)的混凝土，并將該混凝土均勻噴射到混凝土結(jié)構(gòu)表面，待新噴射混凝土凝固后，達(dá)到結(jié)構(gòu)加固的目的；或是將原混凝土結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行清理，根據(jù)結(jié)構(gòu)具體情況確定預(yù)應(yīng)力桿位置，之后根據(jù)要求制作預(yù)應(yīng)力桿，并將預(yù)應(yīng)力桿安裝到預(yù)設(shè)位置處，通過(guò)張拉力的控制后，即可完成裂縫的修復(fù)。

5）仿生自修復(fù)法。一種新的混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)方法，要求配制混凝土?xí)r，在不影響混凝土性質(zhì)的條件下，向混凝土中添加相應(yīng)的仿生材料，利用這些仿生材料賦予混凝土自我修復(fù)的功能。當(dāng)大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后，這些仿生材料會(huì)自動(dòng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使混凝土結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)到正常水平?，F(xiàn)代工程領(lǐng)域主要有3 種仿生材料，分別為含有粘合劑的囊狀態(tài)、瀝青瑪蹄脂碎石混合料及一些活性微生物，具體應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選擇。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代建筑大體積混凝土梁施工過(guò)程中，不僅要注重施工過(guò)程的控制，做好施工準(zhǔn)備工作，設(shè)計(jì)出最佳的混凝土運(yùn)輸方案，嚴(yán)格按照規(guī)定要求對(duì)混凝土澆筑、振搗及養(yǎng)護(hù)，還應(yīng)通過(guò)配合比設(shè)計(jì)、溫度應(yīng)力控制、水化熱溫升與溫降的監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)對(duì)大體積混凝土梁結(jié)構(gòu)溫度的控制，以防止梁結(jié)構(gòu)受到溫度、收縮應(yīng)力等因素的影響而出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。