高層建筑大體積混凝土施工中裂縫控制技術(shù)分析

摘 要：本文針對(duì)高層建筑大體積混凝土施工中常見的裂縫問(wèn)題，系統(tǒng)分析裂縫的類型及其產(chǎn)生原因，包括收縮裂縫、結(jié)構(gòu)應(yīng)力裂縫和溫差裂縫。結(jié)合具體工程背景，詳細(xì)介紹混凝土材料選擇、施工環(huán)境及條件。重點(diǎn)探討裂縫控制技術(shù)，包括優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)、溫度控制、施工過(guò)程管理以及養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)等方面。通過(guò)建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)混凝土性能和裂縫情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，最終評(píng)估控制效果。研究表明，綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段可以有效控制大體積混凝土施工中的裂縫問(wèn)題，確保工程質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高層建筑；大體積混凝土；裂縫控制；溫度控制；施工管理；養(yǎng)護(hù)監(jiān)測(cè)

1 前言

隨著城市化進(jìn)程的加快，高層建筑項(xiàng)目日益增多，大體積混凝土施工技術(shù)在其中扮演著重要角色。然而，由于材料特性、施工環(huán)境和工藝等多種因素的影響，大體積混凝土施工過(guò)程中容易產(chǎn)生裂縫，不僅影響建筑物的美觀和使用功能，還會(huì)危及結(jié)構(gòu)安全。因此，研究并應(yīng)用有效的裂縫控制技術(shù)，對(duì)于提高高層建筑質(zhì)量具有重要意義。

2裂縫類型及產(chǎn)生原因分析

2.1收縮裂縫

收縮裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中常見的裂縫類型之一，其產(chǎn)生主要有以下原因：

一是混凝土在硬化過(guò)程中，由于水分蒸發(fā)和水泥水化反應(yīng)，體積會(huì)逐漸縮小。若收縮受到約束，就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)收縮裂縫；二是在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，水泥用量過(guò)多、水灰比過(guò)大，導(dǎo)致增加混凝土的收縮量。例如，水泥用量每增加100 kg/m3，混凝土的收縮量增加約40με。

2.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力裂縫

結(jié)構(gòu)應(yīng)力裂縫主要是由結(jié)構(gòu)受力引起的。一方面，在建筑物的使用過(guò)程中，由于荷載的作用，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力，而設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)荷載估計(jì)不足，或者施工質(zhì)量不符合要求，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力不足，就會(huì)在受力較大的部位出現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力裂縫。另一方面，不均勻沉降也會(huì)引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力裂縫。當(dāng)建筑物基礎(chǔ)的土質(zhì)不均勻，或者在施工過(guò)程中未進(jìn)行合理的地基處理，就會(huì)導(dǎo)致建筑物發(fā)生不均勻沉降，沉降差超過(guò)一定限度時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而引發(fā)裂縫。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)，相鄰柱基的沉降差不應(yīng)超過(guò)0.002 L（L為相鄰柱基的中心距離），否則就會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力裂縫。

2.3溫差裂縫

溫差裂縫通常是由混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的溫度差異引起的。其一，在大體積混凝土施工中，由于水泥水化熱的釋放，混凝土內(nèi)部溫度會(huì)迅速升高，而混凝土表面散熱較快，因此形成較大的內(nèi)外溫差。當(dāng)溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)溫差裂縫。其二，在冬季施工時(shí)，混凝土表面受凍，而內(nèi)部溫度較高，就會(huì)產(chǎn)生溫差裂縫；而在炎熱的夏季，白天和夜晚的溫差較大，混凝土結(jié)構(gòu)就容易出現(xiàn)溫差裂縫。一般來(lái)說(shuō)，混凝土的線膨脹系數(shù)約為10×10-6/℃，當(dāng)溫差為10℃時(shí)，每米長(zhǎng)度的混凝土?xí)a(chǎn)生0.1 mm的變形，若變形受到約束，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

3高層建筑大體積混凝土施工概況

3.1工程背景介紹

城市核心商務(wù)區(qū)規(guī)劃建設(shè)一座超高層寫字樓，A建筑項(xiàng)目高度達(dá)300 m，地上60層，地下5層，該項(xiàng)目作為區(qū)域地標(biāo)性建筑，對(duì)施工質(zhì)量和技術(shù)要求極高。大體積混凝土主要應(yīng)用于基礎(chǔ)底板和核心筒剪力墻等關(guān)鍵部位，基礎(chǔ)底板面積約3000 m2，厚度達(dá)4 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，抗?jié)B等級(jí)P8。核心筒剪力墻厚度從1 m逐步變化至0.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。項(xiàng)目所處位置地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水位較高，周邊建筑物密集，施工場(chǎng)地狹窄。

3.2混凝土材料選擇及要求

水泥選用低熱硅酸鹽水泥，其水化熱較低，可有效降低混凝土內(nèi)部溫度，每立方米混凝土中，水泥用量控制在300 kg以內(nèi)，以減少混凝土的收縮。骨料采用連續(xù)級(jí)配的碎石和中砂，碎石粒徑為5 mm～31.5 mm，含泥量不超過(guò)1%，中砂細(xì)度模數(shù)為2.6～3.0，含泥量不超過(guò)2%。為改善混凝土的性能，摻入適量的粉煤灰和礦粉等摻合料，粉煤灰采用Ⅰ級(jí)粉煤灰，摻量為水泥用量的15%～20%，礦粉采用S95級(jí)礦粉，摻量為水泥用量的10%～15%。外加劑選用高效減水劑和緩凝劑，高效減水劑的減水率不低于25%，緩凝劑可延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間，便于施工操作?；炷恋奶涠瓤刂圃?60 mm～180 mm，擴(kuò)展度不小于500 mm，以保證混凝土的流動(dòng)性和填充性，混凝土的初凝時(shí)間不小于8 h，終凝時(shí)間不大于12 h，確保在施工過(guò)程中有足夠的時(shí)間對(duì)混凝土進(jìn)行澆筑和振搗。

3.3施工環(huán)境及條件分析

A建筑項(xiàng)目位于城市繁華地段，施工環(huán)境復(fù)雜。一方面，周邊交通繁忙，材料運(yùn)輸和混凝土泵送受到一定限制。為保證混凝土的連續(xù)供應(yīng)，采用多輛混凝土攪拌運(yùn)輸車，并合理安排運(yùn)輸路線和時(shí)間，同時(shí)配備大功率混凝土泵，泵送能力不小于80 m3/h；另一方面，施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹窄，堆放材料和布置施工設(shè)備的空間有限，所以需對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，合理安排材料堆放區(qū)、加工區(qū)和施工通道。施工期間，氣候條件也是影響大體積混凝土施工的重要因素。在夏季施工時(shí)，氣溫較高，混凝土表面水分蒸發(fā)快，容易產(chǎn)生收縮裂縫，為此，應(yīng)采取遮陽(yáng)、灑水等降溫措施，降低混凝土的澆筑溫度，而在冬季施工時(shí)，氣溫較低，混凝土的養(yǎng)護(hù)難度加大，為此，應(yīng)采用保溫材料對(duì)混凝土進(jìn)行覆蓋，確?；炷猎谶m宜的溫度下養(yǎng)護(hù)。

4高層建筑大體積混凝土施工中裂縫控制技術(shù)要點(diǎn)分析

4.1優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)

針對(duì)A建筑項(xiàng)目基礎(chǔ)底板與核心筒剪力墻大體積混凝土結(jié)構(gòu)特性，裂縫控制需從配合比優(yōu)化切入。其一，基于GB 50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》要求，將水泥用量嚴(yán)格限定在270～290 kg/m3區(qū)間，較常規(guī)配比降低12%～15%，結(jié)合粉煤灰與礦粉雙摻技術(shù)，總摻量提升至膠凝材料總量的40%～45%。其中，Ⅰ級(jí)粉煤灰替代率22%～25%，S95礦粉替代率18%～20%，形成“低水泥-高摻合料”體系，經(jīng)絕熱溫升試驗(yàn)驗(yàn)證，72 h峰值溫度可降至56.3℃。其二，采用Bingham流變模型優(yōu)化流變參數(shù)，控制水膠比在0.38～0.42區(qū)間。計(jì)算最優(yōu)砂率38%～41%，碎石級(jí)配采用5 mm～16 mm與16 mm～31.5 mm雙粒徑按1：2比例復(fù)配，空隙率實(shí)測(cè)值17.2%～18.5%，顯著改善骨料骨架密實(shí)度。

針對(duì)配合比的驗(yàn)證，該階段執(zhí)行JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》要求，進(jìn)行三階段溫控模擬：初凝階段采用Arrhenius方程計(jì)算水化反應(yīng)速率系數(shù)，中后期引入CECS203：2006溫度應(yīng)力計(jì)算模型，通過(guò)ANSYS有限元分析顯示，優(yōu)化后配比7 d最大溫度梯度由29.8℃/m降至18.5℃/m。

實(shí)際施工中建立動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，采用MIV算法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控：當(dāng)骨料含水率波動(dòng)±0.5%時(shí)，自動(dòng)修正減水劑摻量0.1%～0.15%；環(huán)境溫度每升高5℃，緩凝組分增加0.02%～0.03%。配合比關(guān)鍵參數(shù)執(zhí)行三級(jí)校驗(yàn)制度，28 d抗壓強(qiáng)度離散系數(shù)控制在4.7%以內(nèi)，56 d干燥收縮值≤310×10-6，達(dá)到JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅱ類環(huán)境要求。

借助上述優(yōu)化措施，項(xiàng)目實(shí)測(cè)基礎(chǔ)底板最大溫升47.8℃，核心筒剪力墻內(nèi)外溫差19.3℃，均低于規(guī)范限值，有效抑制溫度應(yīng)力裂縫產(chǎn)生。

4.2溫度控制措施

對(duì)于A建筑項(xiàng)目的大體積混凝土施工，溫度控制措施的實(shí)施十分重要。冷卻水管的布置需緊密結(jié)合基礎(chǔ)底板和核心筒剪力墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行合理規(guī)劃。以基礎(chǔ)底板為例，其面積約3000 m2、厚度達(dá)4 m，在已知混凝土各項(xiàng)熱工參數(shù)及預(yù)期散熱效果的情況下，經(jīng)傅里葉熱傳導(dǎo)定律公式計(jì)算得出冷卻水管間距應(yīng)設(shè)置在1.2 m～1.5 m之間，以此確保熱量能夠均勻散發(fā)。同時(shí)，執(zhí)行溫度調(diào)節(jié)策略，依據(jù)混凝土內(nèi)部溫度變化，實(shí)時(shí)調(diào)整水流速度。

在澆筑溫度控制方面，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)實(shí)施相應(yīng)的措施。夏季施工時(shí)，由于氣溫高，混凝土表面水分蒸發(fā)快，需采用遮陽(yáng)、灑水等措施，例如，在混凝土攪拌站和運(yùn)輸過(guò)程中，利用遮陽(yáng)設(shè)施降低溫度，并在施工現(xiàn)場(chǎng)采用霧化灑水，使?jié)仓囟冉档偷胶线m范圍；冬季施工時(shí)，降溫與保溫措施十分重要。當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度開始下降時(shí)，根據(jù)溫度下降速率，采用保溫材料覆蓋，例如，當(dāng)內(nèi)外溫差超過(guò)25℃時(shí)，及時(shí)增設(shè)保溫材料，防止溫度驟降產(chǎn)生裂縫。

4.3施工過(guò)程管理

在高層建筑大體積混凝土施工中，加強(qiáng)施工過(guò)程管理是確保裂縫控制效果的重要保障。以A建筑項(xiàng)目為例，采取以下施工過(guò)程管理措施：

（1）澆筑工藝優(yōu)化。采用分層分段澆筑的方法，每層澆筑厚度控制在500 mm～600 mm，分段長(zhǎng)度控制在30 m～40 m，如此可減少混凝土一次澆筑的體積，降低混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力。在澆筑過(guò)程中，采用斜面分層推進(jìn)的方式，使混凝土自然流淌，避免出現(xiàn)冷縫，并控制澆筑速度，避免過(guò)快澆筑導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度升高過(guò)快。

（2）振搗與抹面技術(shù)。在混凝土澆筑過(guò)程中，采用插入式振搗器和表面振搗器相結(jié)合的方式進(jìn)行振搗，插入式振搗器的振搗間距不超過(guò)振搗棒作用半徑的1.5倍，振搗時(shí)間為20 s～30 s，以確?；炷撩軐?shí)。表面振搗器用于混凝土表面的振搗和抹平，使混凝土表面平整光滑。在混凝土初凝前，進(jìn)行二次抹面，消除混凝土表面的早期裂縫，例如，在該寫字樓項(xiàng)目的核心筒剪力墻施工中，通過(guò)振搗與抹面技術(shù)的應(yīng)用，提高混凝土的密實(shí)度和抗裂性能。

4.4養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)

該超高層寫字樓大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)關(guān)系到裂縫控制以及養(yǎng)護(hù)制度的制定與執(zhí)行，應(yīng)依據(jù)不同季節(jié)和混凝土特性制定養(yǎng)護(hù)計(jì)劃。夏季高溫時(shí)，在混凝土澆筑完成后，立即覆蓋濕麻袋，并定時(shí)灑水保持濕度，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d；冬季低溫時(shí)，采用棉被等保溫材料覆蓋，保證混凝土養(yǎng)護(hù)溫度不低于5℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)至21 d。在裂縫監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)上，采用應(yīng)變片和光纖傳感器相結(jié)合的方式，在基礎(chǔ)底板和核心筒剪力墻關(guān)鍵部位，每隔2 m米布置一個(gè)傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土應(yīng)變和裂縫發(fā)展情況，一旦發(fā)現(xiàn)裂縫寬度超過(guò)0.2 mm，及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

5控制效果評(píng)估與驗(yàn)收

5.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立

在A建筑項(xiàng)目中，為評(píng)估裂縫控制技術(shù)效果，建立了專門的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)基礎(chǔ)底板面積和核心筒剪力墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)布置傳感器。選用高精度應(yīng)變傳感器和溫度傳感器，應(yīng)變傳感器精度達(dá)±1με，溫度傳感器精度為±0.1℃。在基礎(chǔ)底板按照2 m×2 m的網(wǎng)格狀布置傳感器，核心筒剪力墻每3 m高度設(shè)置一組傳感器。利用數(shù)據(jù)采集儀，采集頻率設(shè)定為每15分鐘一次，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)有線傳輸方式傳送至監(jiān)控中心，確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

5.2混凝土性能監(jiān)測(cè)

抗壓強(qiáng)度是重要指標(biāo)，按照規(guī)范要求，在不同齡期進(jìn)行測(cè)試，7 d強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%及以上，28 d強(qiáng)度必須達(dá)到C40或C50的設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)；抗?jié)B性能方面，以抗?jié)B等級(jí)P8為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)混凝土試塊進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，水壓施加至0.8 MPa并持續(xù)8 h，若試塊未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象則合格；混凝土的坍落度和擴(kuò)展度也需持續(xù)監(jiān)測(cè)，坍落度需穩(wěn)定在160 mm～180 mm，擴(kuò)展度不小于500 mm，確?；炷恋墓ぷ餍阅?。

5.3裂縫情況統(tǒng)計(jì)與分析

裂縫寬度是關(guān)鍵數(shù)據(jù)，采用裂縫寬度測(cè)量?jī)x，精度為0.01 mm。在基礎(chǔ)底板和核心筒剪力墻發(fā)現(xiàn)的裂縫，需按不同部位分類統(tǒng)計(jì)。其一，基礎(chǔ)底板裂縫，若裂縫寬度小于0.2 mm且不再發(fā)展，視為正?，F(xiàn)象；若寬度超過(guò)0.2 mm，需深入分析原因。其二，核心筒剪力墻裂縫，以0.15 mm為界限，小于此寬度且無(wú)擴(kuò)展趨勢(shì)的裂縫可不進(jìn)行特殊處理。其三，統(tǒng)計(jì)裂縫的走向和長(zhǎng)度，平行于結(jié)構(gòu)受力方向且長(zhǎng)度較短的裂縫，危害性相對(duì)較小，而垂直于受力方向且較長(zhǎng)的裂縫則需重點(diǎn)關(guān)注。

6結(jié)論

本文針對(duì)高層建筑大體積混凝土施工中的裂縫問(wèn)題進(jìn)行深入分析，從裂縫類型及成因入手，結(jié)合具體工程案例，詳細(xì)闡述了裂縫控制技術(shù)要點(diǎn)，并通過(guò)優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)、溫度控制、施工過(guò)程管理以及養(yǎng)護(hù)與監(jiān)測(cè)等措施，有效控制了裂縫的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[1]彭磊.房建筏板基礎(chǔ)大體積混凝土施工裂縫防控研究[J].建筑機(jī)械化，2024，45（12）：164-168.

[2]譚啟林.房建施工中混凝土裂縫控制技術(shù)研究[J].新城建科技，2024，33（10）：130-132.

[3]謝學(xué)偉.混凝土施工中裂縫防控研究[J].散裝水泥，2024（5）：17-19+22.

作者簡(jiǎn)介：郭炎（1989.08-），男，漢族，河南安陽(yáng)人，本科，中級(jí)，研究方向：建筑工程。