超长混凝土结构无缝设计及裂缝控制技术

温晓龙 时 炜 王 珂

1.陕西建工集团总公司 西安 710003；2.陕西建工集团混凝土有限公司 西安 710077

0 引言

近年来，随着建筑体量的增大，超长结构的混凝土建筑越来越多。为防止混凝土开裂，设置变形缝成为超长结构控制裂缝最常用的手段之一。然而上述措施给设计、施工和使用带来一定困扰：如构件多、工期长、成本高、使用面积小等。无缝设计及裂缝控制技术成为解决上述问题的有效途径。

1 工程概况

西安市某工程为地下2层，地上9层。建筑面积58 520 m2，采用“天然地基+筏形基础”，框架-剪力墙结构（局部为型钢混凝土组合结构）。主楼结构总长度156 m，总宽度28.20 m；地下室筏板总长度156.90 m，总宽度56.50 m。柱间距以8.40 m为主，柱网尺寸为8.40 m×9.60 m～6.00 m×9.00 m不等。基础筏板厚700 mm（局部500 mm），地下室楼板厚180～200 mm，地下室顶板厚180 mm，地上部分楼板厚120～150 mm，屋面结构板厚150～200 mm，地下室外墙厚400 mm。混凝土强度等级分别为C45（5层以下墙、柱）、C40（5层及以下梁、板，5～8层墙、柱）和C35（基础梁，筏板，5层以上梁、板，8层以上墙、柱）。混凝土抗渗等级为P8。

2 结构无缝设计措施

本工程属于超长结构混凝土范畴，未设计变形缝。为解决超长结构混凝土的收缩和温度应力对结构的不利影响，减少裂缝宽度，本工程设计中的主要结构抗裂措施如下：

1）采用纤维混凝土。结构设计中采用纤维混凝土，配合比中添加WPA纤维抗裂膨胀剂，掺量按水泥用量的6%控制。

2）设置后浇带（图1）。在主楼和地下室之间考虑不均匀沉降设计1条后浇带（后浇带A），在纵向超长结构上考虑环境温度变化、混凝土收缩等因素设计4条后浇带（后浇带B）将建筑纵向划分成5段，每段长30 m左右。后浇带宽度均为800 mm，采用高1等级的微膨胀混凝土进行封闭，后浇带A的封闭时间为主体封顶且沉降趋于稳定后，后浇带B的封闭时间为两侧混凝土浇筑60 d后。

图1 设计后浇带位置示意

3 混凝土施工方案选择

1）在地下室施工阶段，受土方工程流水开挖的限制，并考虑到混凝土的浇筑量大，根据图1（a）设计后浇带，于建筑纵向划分为5段，分5次浇筑，从东向西（～①轴方向）进行流水施工：第1次浇筑轴范围，第2次浇筑轴范围，第3次浇筑轴范围，第4次浇筑⑥～⑨轴范围，第5次浇筑①～⑥轴范围。

2）在地上结构施工阶段，梁、板的截面尺寸变小，经过与设计沟通，根据图1（b）保留中间2条后浇带，按两大部分轴和①～⑨轴进行浇筑，中间的轴（型钢混凝土组合结构部分）作为调整段，根据施工情况穿插进行施工。

3）在屋面结构部分按照跳仓法施工，根据图1（b）将4条后浇带按施工缝进行留设，划分为5段，分5次浇筑：第1次浇筑轴范围，第2次浇筑轴范围，第3次浇筑①～⑥轴范围，第4次浇筑轴范围，第5次浇筑⑥～⑨轴范围。分仓浇筑间隔时间7～8 d[1-3]。

4 混凝土配制

4.1 技术措施

经过试验室试配，决定使用SY-A型混凝土阻裂纤维，含量调至0.80 kg/m3。该纤维是经过化学改性和物理改性后获得的一种具有抗裂、抗渗、抗冲击、耐磨、耐冻融的新型高分子材料，并经过特殊的防静电及抗紫外线处理，使纤维在混凝土中分散均匀，能够长期发挥其抗裂功效。

在满足混凝土强度、耐久性和工作性要求的前提下，为防止有害裂缝的产生，在混凝土配制过程中采用“多掺”技术，即掺加多种胶凝材料、外掺料及外加剂，以改善混凝土的各项性能。

1）掺加缓凝型高性能减水剂，在确保强度的同时，能够减少水泥用量、降低水胶比、减少水化热，同时提高混凝土的和易性及可泵性。

2）掺加优质粉煤灰以起到改善混凝土施工性能、降低水泥用量、延缓水化热释放速度及减小收缩的作用，同时可有效提高后期强度及耐久性能，延长混凝土使用寿命。

3）掺加S95级矿粉以起到降低水泥用量、降低绝热温升的作用，同时可有效地改善混凝土施工性能，提高混凝土后期强度及抗硫酸盐侵蚀、抗碱骨料反应、抗氯盐渗析等耐久性能。

4）掺加AEA-CH膨胀剂，以补偿混凝土的硬化收缩，防止伸缩裂缝的出现，提高混凝土的抗渗、抗裂性能。

5）掺加SY-A聚丙烯纤维以改善混凝土的延展性能，提高混凝土的抗拉强度，同时有效地减少混凝土的收缩，防止有害裂缝的出现。

4.2 配合比设计

通过对大掺量粉煤灰混凝土的试配研究，最终确定本工程混凝土的配合比情况如表1所示。水胶比分别为0.34（C45）、0.37（C40）、0.39（C35）和0.41（C35P8），混凝土坍落度均为（180±20）mm。基础梁和筏板部位混凝土（C35P8）强度评定龄期为60 d，其他部位混凝土强度评定龄期为28 d。

表1 混凝土配合比（单位：kg·m-3）

试配所用的原材料为西安市场常见且质量和供应量较稳定的材料，保证与施工实际使用的原材料一致。混凝土所用各种原材料的技术指标如下：

1）水泥。本工程选用冀东P.O 42.5水泥，活性不低于45 MPa，安定性经检测合格，同外加剂及掺合料适应性良好。其主要性能符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）标准要求。

2）细骨料。本工程中选用质地坚硬、级配良好的渭河河砂，细度模数为2.70，不含碱活性矿物，经过筛分颗粒级配满足Ⅱ类Ⅱ区中砂要求，各项指标均符合《建设用砂》（GB/T 14684—2011）标准要求。

3）粗骨料。选用质地坚硬、级配良好的黑河卵石和泾阳碎石，经筛分分析分别为标准Ⅱ类5～31.50 mm卵石和标准Ⅰ类5～25 mm碎石，未见碱活性矿物，其主要技术指标符合《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）标准要求。

4）粉煤灰。本工程采用华能铜川电厂Ⅱ级粉煤灰，其主要性能指标符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）标准要求。

5）矿渣粉。采用西安德龙公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉，其主要性能指标符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T 18046—2008）标准要求。

6）泵送减水剂。采用陕西省高新科技开发有限公司生产的LGS-XC聚羧酸高性能减水剂，pH为7.0，减水率30%，具有优越的减水、保塑、泵送性能。符合《混凝土外加剂》（GB 8076—2008）标准要求。

7）膨胀剂。采用西安成银建材化工厂AEA-CH型膨胀剂，各项性能符合《混凝土膨胀剂》（GB 23439—2009）标准要求。

8）纤维。纤维在混凝土中可起到类似于加强筋的作用，能够减少混凝土在干缩进程中的拉应力，延缓混凝土开裂。本工程采用武汉源锦建材科技有限公司生产的SY-A型聚丙烯阻裂纤维，其主要技术指标符合《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》（GB/T 21120—2007）标准要求。

9）水。采用饮用自来水，水质符合《混凝土拌合用水标准》（JGJ 63—2006）的规定。

5 裂缝控制技术

5.1 钢筋施工中的裂缝控制技术

钢筋对混凝土具有一定的约束作用，合理有效的钢筋施工措施能够防止混凝土裂缝的产生。施工中除严格按照设计和规范规定的构造措施进行钢筋布置外，正确控制好钢筋的混凝土保护层厚度是钢筋施工中最重要却易被忽视的裂缝控制技术措施。

在本工程施工中，我们将钢筋的混凝土保护层厚度控制作为钢筋施工和验收的重点进行管理。对板筋采用与混凝土颜色相近的灰色大理石垫块；墙、柱钢筋采用高强塑料垫块。各种垫块尺寸准确、具有足够的强度和设置数量，能够承受钢筋质量且不易被压碎。垫块与钢筋之间相对固定牢固，不会因振捣混凝土而发生位移。隐蔽验收时认真检查垫块的位置、数量和固定情况。验收合格后，对后续施工人员加强交底和管理工作，要求操作人员不得破坏垫块，严禁撬、拆钢筋，防止因垫块、钢筋移动而造成混凝土保护层厚度过大、不足或露筋等问题。

5.2 模板施工中的裂缝控制技术

5.2.1 模板支撑体系

模板支撑体系的安全性对控制混凝土裂缝甚至结构安全具有重要意义。根据已审批的施工方案，本工程梁、板和框架柱选用厚15 mm清水木模板，背衬60 mm×80 mm木方，支撑体系为承插型盘扣式脚手架；剪力墙和异形柱选用全钢大模板。选择的模板及支撑体系应具有足够的承载能力、刚度和稳定性，能可靠地承受浇筑混凝土的质量、侧压力以及施工荷载。

施工中严格控制支撑体系杆件的纵距、横距、步距和垂直度。可调托撑的外伸长度控制在规定范围内，施工中未出现板面下沉、开裂现象。

后浇带部位的模板与其他部位同时支设但自成体系，拆除梁、板底模时保留后浇带部位的模板且不得扰动，既可供后期后浇带浇筑使用，又是后浇带两侧已浇筑混凝土结构的支撑，以杜绝后浇带附近梁、板出现裂缝。

5.2.2 模板拆除

墙、柱模板拆除时，在保证结构构件不缺棱掉角、表面不被损伤的情况下即可拆除。梁、板模板拆除时间根据同条件试件的强度报告，模板拆除施工经监理工程师批准后进行。模板拆除时做到文明施工，不对楼层形成冲击荷载。拆除的模板、支架宜分散堆放并及时清运，避免造成构件裂缝。

5.3 混凝土施工中的裂缝控制技术

5.3.1 混凝土拌制

纤维混凝土的拌制过程与普通混凝土有一定的差异，由混凝土公司安排专人负责SY-A型聚丙烯阻裂纤维的称重和投料工作。投料顺序为：水→外加剂→纤维→细骨料→粗骨料，湿拌1 min后再加入水泥和粉煤灰搅拌3 min。纤维在投放前需充分撕碎，搅拌后以碎裂纤维在混凝土中分散均匀为宜。

5.3.2 混凝土浇筑

混凝土应连续浇筑，一般部位选用φ50 mm振动棒进行振捣，振捣混凝土时振动棒不得碰触钢筋及梁、板模板。在梁、柱等节点钢筋密集处换用φ25 mm振动棒进行振捣，确保不破坏钢筋，不漏振。

梁、板混凝土采用斜面分层方式进行浇筑，流淌坡度控制在1∶4左右，分层厚度控制在500 mm以内。对已初凝的混凝土不应再次振捣形成“冷缝”，而是待其充分凝固后按施工缝接茬进行处理。

梁与板的截面高度相差较大，先浇筑较深的梁位，浇至板底以下20～30 mm，经过静停0.15～0.50 h、混凝土表面沉降基本完成后再浇筑较浅部分的板位，并应充分振捣使2次浇筑的混凝土合为一体。

浇筑完毕，在混凝土初凝前进行二次振捣，初凝后对其裸露表面进行人工抹面；终凝前，对混凝土裸露表面进行机械压光后用毛刷拉毛，防止收水作用产生的非结构性表面裂缝。当发现混凝土表面有细微裂缝时，应及时抹压以封闭干缩裂缝。

5.3.3 混凝土养护

板面混凝土养护时，待混凝土表面压光拉毛后立即覆盖1层塑料薄膜并洒水养护，以减少水分流失。对墙、柱等竖向构件必须做好混凝土早期的保湿养护工作，采用薄膜包裹、小水慢淋的方式，使新浇筑的墙、柱处于潮湿的、温度相对稳定的环境之中。

6 结语

本工程通过合理的结构设计、严格的原材料控制、认真的配合比设计和全方位的施工过程控制，达到了预期的裂缝控制目标，混凝土构件上未发现可见裂缝和渗漏现象，取得了工期缩短、成本降低、施工方便、质量可靠等良好的社会效益和经济效益，对其他类似超长结构混凝土无缝设计及裂缝控制有一定的参考和借鉴作用。