超高层建筑大体积混凝土裂缝分析与施工控制

陈士凯（浙江江南工程管理股份有限公司 深圳分公司， 广东 深圳518038）

0 引 言

由于土地资源的不可再生性，我国建设用地的供应长期处于紧张状态，建筑向高层和超高层方向发展已是共识，故超高层大体积混凝土施工技术在工程中也得到了极为广泛的应用。大体积混凝土显著特点包括：混凝土强度等级高，浇筑体厚实，钢筋排布密，施工环境复杂，混凝土体量大，水泥的水化热在短时间内难以散发，因温度应力或收缩应力过大而极易引发浇筑体产生裂缝。大体积混凝土施工中除了需控制强度和抗渗性能以外，还必须加强对其他影响因素的管控，防止有害裂缝的产生，以满足建筑工程的耐久性和安全性。

1 项目概况

本项目位于汕头市东海岸新城新津片区，是经围海造地形成的陆域，地貌形态属于韩江三角洲冲击平原，地下水属中性弱碱性水，对混凝土结构具有中等腐蚀性。工程建筑总面积为207450m2，其中地下建筑面积47806m2，地上建筑面积159644m2，结构形式为框架-剪力墙，设计使用年限为50a，抗震设防烈度等级为8度。工程主要包括 T1、T2公寓楼，T3商办楼，地下2层车库等。T1、T2、T3地上建筑层数分别为46层、36层、43层，建筑高度分别为194.7m、153.0m 、174.4m，主座筏板厚度分别为2.8m、2.2m、2.3m，混凝土强度等级为 C35，抗渗等级为 P8，属于大体积筏板混凝土工程。

2 工程重难点分析

（1）基础防水等级为一级，抗渗等级为 P8，地下水属中性弱碱性水，对混凝土结构体具有中等腐蚀，此对混凝土裂缝控制提出了更高要求。

（2）主座筏板厚度大，混凝土浇筑是面大量广，筏板施工期处于夏季，而大体积混凝土裂缝控制在高温环境下更加困难。

（3）筏板钢筋层数多，钢筋的间距小，混凝土振捣密实是难点。

（4）核心筒坑中坑部位的最低点至泵管出料口达8m，在混凝土浇筑时控制离析产生是重点。

（5）电梯井坑中坑的模板安装成型，箱底混凝土振捣密实是难点。

（6）大体积混凝土的保温保湿养护和温度升降监测是重点。

3 裂缝产生原因分析

大体积混凝土裂缝是由内外各种因素共同作用下产生的结果，主要有自身特性、塑性收缩、温度变化、沉陷收缩等原因所致。

（1）混凝土自身特性形成的裂缝.混凝土的组成是由粗骨料、细骨料、水泥石、水、气体等非均质材料堆聚而成，混凝土在凝结硬化时会产生体积变形收缩。当温度和湿度发生变化时，混凝土中水泥石的干燥和冷却收缩大，而骨料收缩量小，同时水泥石和骨料之间相互粘结而约束，会产生内部应力，从而导致混凝土的变形和裂缝产生。

（2）塑性收缩裂缝。混凝土中约20% 的水分是水泥及其他掺合料发生水化反应所需要的，而约80% 的多余水分是要蒸发掉的。多余水分在蒸发过程中会引起混凝土体积收缩变化，若水分蒸发过快则导致混凝土体积收缩变化大，混凝土处于塑性状态，稍微受到拉力，混凝土表面就会出现分布不均匀的裂缝。塑性收缩裂缝一般发生在天气炎热、大风或欠保湿养护的环境下出现，裂缝多呈现长短不一，互不连贯状态。

（3）温度裂缝。水泥在水化过程中产生大量的热量，使混凝土内部温度不断上升，由于大体积混凝土的体积厚大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，形成温度梯度，导致内部温度急剧快速上升，而混凝土表面散热较快，造成内外较大温差，形成热胀冷缩效应，使混凝土表面产生一定的拉应力，当拉应力超过混凝土和钢筋约束作用抗拉强度极限时便会产生裂缝。

（4）沉陷收缩裂缝。主要原因是结构地基土质不匀、松软或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降，或者因为模板刚度不足，模板支撑间距过大或支撑底部松动等，特别是模板支撑在冻土上，冻土化冻后产生不均匀沉降，致使混凝土结构产生裂缝。此类裂缝多为深进或贯穿性裂缝，其走向与沉陷情况有关，裂缝呈梭形。

4 大体积混凝土裂缝施工控制

大体积混凝土的裂缝控制应结合工程特定的工况环境，在施工实施阶段采取科学合理的防裂措施，才能有效地控制裂缝的产生。

4.1 落实施工技术准备，强化技术交底工作

工程开工前，首先组织人员掌握设计图纸的相关要求及验收标准，根据施工图纸、技术规格书、工程验收规范等编制《大体积混凝土专项施工方案》，确定管理人员组织架构，制定施工流程、施工方法以及技术参数、验收标准、温控措施、成品保护措施等。通过对大体积混凝土浇筑体温度的估算，对是否会出现温度裂缝进行验算，确定升降温度值，内外温差及降温速率，制定相应的技术控制措施，及时组织管理人员及工人进行岗前工作交底，特别是要将混凝土的施工要点、循环水降温控制、保温养护、温度监测等作为重点交底对象，使相关人员能够掌握本岗位的工作职责及要点，做到技术标准清晰，措施控制合理，为工程有序开展奠定基础。

4.2 加强原材料选择，抑制混凝土开裂

大体积混凝土的升温热源是由硅酸盐水泥熟料 C3S、C3A 含量所决定的，C3S、C3A 两种矿物在水中具有化学反应速度快、水化热大等特点，所以降低硅酸盐水泥用量是控制混凝土升温最根本方法之一。根据混凝土强度等级为C35要求，结合施工工况，选用硅酸盐42.5水泥，并掺入优质 II 级粉煤灰以代替部分水泥，降低水泥用量，改善和易性。因砂石含泥量对混凝土的强度与收缩裂缝相当敏感，故粗骨料选用5mm～31.5mm 碎石，含泥量 ≤1%，泥块含量 ≤0.5%，细骨料选中粗砂，含泥量 ≤3%，泥块含量 ≤1%，以保证材料的质量可靠。外加剂掺入缓凝型减水剂，在保证混凝土流动性不变的条件下减少水泥及拌合水用量，降低混凝土入模温度。另外，考虑混凝土有抗渗要求，按一定比例掺入低碱混凝土膨胀剂 UEA，拌合后生成大量膨胀性硫铝酸钙，产生的压应力可大致抵消混凝土干缩产生的拉应力，从而防止或减少混凝土的收缩开裂。

4.3 强化原材料温控，降低混凝土入模温度

根据混凝土出机总热量与原材料投料时总热量相等原理，控制混凝土原材料的投料温度是控制混凝土出机温度最有效的办法。在混凝土的原材料中，砂石的比热虽然较小，但占混凝土总质量75% 左右，水的比热较大，只占混凝土总质量7% 左右，因此，加强砂石料温度的控制是最根本措施之一。因大体积混凝土工程处于亚热带地区的夏季，故混凝土制备前对砂石原材采取遮阳覆盖措施，防止砂石在阳光下暴晒，并喷洒冷水进行预降温，经测温对比，可有效降低砂石原材料温度5℃ 左右。其次，鉴于高温天气，在拌合水中添加适量冰屑进行拌合，以达到对拌合料的温控目的。当然，应根据施工现场浇筑用量确定拌合量，减少混凝土在现场等待的时间。再次，将混凝土泵管用湿麻袋覆盖，并对罐筒采取浇水降温，以确保混凝土入模温度控制在30℃ 以内，当然，应尽量避开高温天气浇筑大体积混凝土。

4.4 严格落实施工措施，确保混凝土浇筑质量

根据 GB50666—2019《混凝土结构工程施工规范》第8.3.6条规定：当混凝土的粗骨料粒径大于25mm，且浇筑倾落高度超3m 时，应加设串筒、溜管、溜槽等防离析装置。鉴于核心筒坑中坑部位最低点至泵管出料口达8m 的倾落高度，故采用 DN150胶管作为坑中坑混凝土浇筑溜管，以防止离析产生。大体积混凝土浇筑采取由远至近、斜面分层、全面推进、连续浇筑方式进行，每层厚度控制在500mm 为宜，坡度按1∶5，分别在每层混凝土的坡顶、坡脚、中间位置布置振动棒，振捣做到均匀插拔，快插慢拔，插入下层50mm～100mm 左右，每点振捣10s～15s，以不再溢出气泡为准，不可过振或漏振。为排除泌水在粗骨料及水平筋下部生成的水分和空隙，对已浇筑的混凝土在初凝前进行二次振捣，以提高混凝土与钢筋的握裹力，增加密实度，提高抗裂性。对于电梯井坑中坑部位模板安装成箱型，采用外部振动器加强振动，以确保箱底混凝土密实。

4.5 利用冷却水循环降温，严控混凝土里表温差

利用冷却水循环进行温控，可有效降低大体积混凝土的内部温升，具有较强的适应性和可操作性。根据大体积混凝土的尺寸、配筋、留洞、夏天昼夜温度变化以及温升梯度等情况，采用 DN32镀锌钢管作为冷却循环管以承担混凝土内部降温水管，冷却循环水管在主座筏板区按一层循环系统进行安装，安装位于筏板中部，在主座核心筒筏板区按3层安装，上层与筏板区冷却循环管相连成片，最下层安装距板底1m 处，循环水管的水平向及竖向之间的距离控制约2m 为宜，最下层为进水口，最上层为出水口，形成冷却水循环降温系统。冷却水循环控制参数：水流量0.5m3/h～2.5m3/h，流速0.3m/s～1.4m/s，水压3kPa，混凝土浇筑前做通水试验，浇筑完成后12h 开始通水循环，排出水引流至筏板面作蓄水养护。在混凝土养护时，应根据冷却水循环出口温差监测情况及时调整水流量，以满足混凝土里表温差不宜大于25℃ 的温控要求，当出水口的水温基本稳定，混凝土里表温差不超过5℃ 时，可停止循环。

4.6 加强混凝土保温养护，减少内外温差

保温养护是大体积混凝土裂缝控制关键环节，主要通过减少混凝土表面的热扩散，降低降温速率，延长散热时间，从而进一步减少大体积混凝土的内外温度差，利用混凝土的抗拉强度，提高混凝土的抗裂能力，以达到控制温度裂缝的目的。在大体积混凝土初凝前，安排工人对混凝土表面进行二次抹压处理，并及时覆盖塑料薄膜，使之表面湿润，从而避免混凝土表面水分散失过快，防止产生塑性收缩裂缝，然后采用两层麻袋在其表面进行整体覆盖保温，可有效降低混凝土散热速度，减少内外温差，确保大体积混凝土温控指标符合 GB50496—2019《大体积混凝土施工规范》第3.0.4条规定：混凝土浇筑体的里表温差不宜大于25℃；混凝土浇筑体的降温速率不宜大于2.0℃/d；混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20℃。

4.7 采取温度监测措施，强调技术控制

根据现场情况，温度监测点分别在主座筏板区和主座核心筒筏板区典型部位设置6组测温点，当筏板钢筋绑扎完成后，在钢筋上安装固定热敏传感器，每组3个，分别设置在混凝土的上、中、下3个位置，上下位置测温点均位于上下表层50mm 处，热敏传感器用绝缘胶布绑扎在预定测点位置处的钢筋上，如果预定位置处无钢筋，则另增设钢筋。由于钢筋的导热系数较大，如果传感器与钢筋直接接触，会导致该部位的温度值失真，所以，必须用绝缘胶布固定。测温时间自混凝土浇筑完成后3h 开始进行，测温间隔按前4d 每隔4h 测量1次，5d～7d 每隔8h 测量1次，8d 后每隔12h 测量1次。当测量的里表温差大于25℃ 时，应立即对混凝土的表面再增铺1层麻袋，以达到保温的目的。当混凝土表面温度与大气温度接近，大气温度与混凝土中心温差 ≤25℃ 时，可停止测温，解除保温。

5 大体积混凝土裂缝控制的工作感想

大体积混凝土裂缝控制是一项系统性管理工程，倘若管控不到位，则必然对承载力和耐久性产生不良影响，所以混凝土裂缝的控制应采取全过程、全方位的管理模式。首先在工程设计方面采取必要的技术措施，坚持“抗与放”的设计原则，根据工程特点设置变形缝、后浇带，构造筋应采用细而密的钢筋以控制温度收缩；其次，在施工管理方面采取精细化管理，根据图纸设计要求以及施工环境编制科学可行的施工方案，组织人员进行方案技术交底，在施工中落实各项技术措施，加强质量检查是关键；再次，加强对混凝土浇筑体的保温蓄水养护，并通过温度监测及时掌握温度升降情况，采取必要的控制措施，避免产生温度裂缝是重中之重。总之，通过行之有效的策划、沟通、协调是管理工作的基本保障，专业、认真、务实是大体积混凝土裂缝控制的必要条件。

6 结 语

综上所述，大体积混凝土工程裂缝是一项影响因素多、技术标准高、控制难度大的特殊性工程。在对超高层大体积混凝土工程的重难点及裂缝产生机理在科学分析的基础上，因地制宜地提出裂缝控制措施，在实施过程中，经过一系列原材选择、级配设计、混凝土制备、浇筑、养护、监测等多项环节严格控制，大体积混凝土工程未发生浇筑体开裂，取得了预期的工作成果，并形成一套科学合理的施工控制方法，对抑制混凝土有害裂缝的产生、提高工程的承载力和耐久性具有广泛而深远的意义。