大体积混凝土梁施工温度及收缩裂缝的控制分析

刘大鹏 刘 彪 刘 通 赵 博 田振宇

大体积混凝土梁是现代大型建筑工程的主要结构之一，该结构的好坏直接关系到整个建筑建设质量与后续使用效果。但是，大体积混凝土梁由于结构体积较大，浇筑难度较高，很容易受到温度、收缩应力等因素影响而出现裂缝问题，影响整个建筑的后续使用，增加建筑出现安全事故的概率。因此在大面积混凝土施工过程中，应采取科学、合理的方式对温度裂缝、收缩裂缝进行控制。

大体积混凝土浇筑施工过程中很容易出现裂缝问题，根据裂缝宽度的不同，可将裂缝划分为2 种类型，一种为微观裂缝；
即宽度低于0.05 mm的裂缝，另一种为宏观裂缝，即宽度超过0.05 mm 的裂缝。建筑施工过程中出现裂缝问题，将会严重影响大体积混凝土的正常应用。

导致大体积混凝土出现裂缝的因素有很多，主要有以下3 点：第1，水化热。混凝土凝固时，水泥与水反应后会生成大量的水化热，使得混凝土结构内外温度存在较大的差异，最高可超过30 ℃。当内外温差达到一定水平后，会导致结构内部产生较高的温度应力，在温度应力的作用下，混凝土结构出现裂缝。第2，内外约束力。混凝土凝固过程中，为了防止混凝土结构出现变形问题，结构外部必然会受到一定的约束力，而当约束应力高于材料的抗拉强度后，即便不预留伸缩缝结构也很容易出现裂缝。第3，环境温度。大量实践研究表明，施工现场环境的温度变化是引发大体积混凝土裂缝的主要原因之一，若周边环境温度较高，混凝土浇筑温度也会较低。反之，若周边环境温度较低，混凝土浇筑温度也会较低。当施工现场温度出现巨大改变后，会使混凝土浇筑温度出现变化，使结构内部出现较高的温度应力，从而引发裂缝问题。

本文以西安华润国际文化商业中心项目三、五标段为例，介绍一种大体积混凝土梁施工温度、收缩裂缝的控制技术。项目位于城市中轴线，毗邻西安电视塔，是西安城市规划中的商业新地标，是华润置地打造未来商业市场里一线的购物中心。该项目致力于打造华润置地现象级的、具有示范意义的新一代商业综合体，从品牌层面打造华润现象级标杆综合体影响力。

项目总建筑面积约289516 m2，包 含2 栋1 5 0 m 高 塔 楼（ B 塔 办 公+酒店、C 塔公寓）和1 栋商业裙楼 ，塔楼和裙楼设计有大量超大跨、大截面框架梁，其中塔楼最大梁截面8 0 0 mm×2 0 0 0 mm ，裙 楼 最 大 梁 截面1 0 0 0 mm×1 7 0 0 mm、最大梁跨度2 3.4 m（截面尺寸为8 0 0 mm×14 0 0 mm ）。大体积混凝土梁施工过程中容易出现温度裂缝或收缩裂缝，因而该项目大体积混凝土梁施工时，施工单位应注重对温度裂缝与收缩裂缝问题的控制。

3.1 施工过程控制

3.1.1 做好施工准备工作

该项目在大体积混凝土梁结构施工过程中，为了防止出现温度裂缝与收缩裂缝的问题，施工单位要做好施工准备工作，具体为：

1）材料准备。根据大体积混凝土梁结构施工要求选择合理的施工材料。选择水泥时，应在保证水泥性质符合要求的基础上，选取水化热较低的水泥，通过水泥水化热反应释放热量的控制，降低结构内部温度水平，从而防止结构出现温度裂缝。同时，选择性质良好的矿渣粉或粉煤灰，用于增加混凝土坍落度，抑制混合料中碱-骨料反应等，以此达到控制结构裂缝的目的。混凝土骨料一般选取中砂，细度模数应超过2.3，级配良好，且含泥量控制在1.5%以内。还要根据工程实际情况，适当选择减水剂、抗冻剂、缓凝剂等，以此控制结构内部温度或应力水平，从而防止结构出现裂缝问题[1]。

2）施工现场准备。在施工现场合理位置处构建交通道路，为混凝土的运送提供支持，防止混凝土运送时间过长而导致结构出现裂缝问题。同时，搭建临时办公用房、临时材料存储用房等，为施工活动的开展打下良好基础，避免材料现场存储不当等问题而增加裂缝问题发生率。

3）设备准备。针对施工需求选择性能良好且数量充足的施工设备，以确保整个混凝土结构浇筑的连贯性，避免浇筑作业突然中断而导致大体积混凝土梁出现裂缝问题（表1）。

表1 西安华润国际文化商业中心项目大体积混凝土梁施工设备表

3.1.2 设计最佳的运输方案

若混凝土运输不合理，可能导致混凝土出现离析问题，增加大体积混凝土梁结构出现裂缝问题的概率。为了防止该项目大体积混凝土梁施工时出现裂缝问题，混凝土运输时，应使用混凝土罐车。混凝土装车前，需将车厢内部的水分排出，并自然晾晒一段时间，确保罐车车厢内部保持干燥。运输过程中，罐车应在3 ～6 r/min 的条件下慢速旋转，防止混凝土静置时间较长而影响均匀性与坍落度；
若发现混凝土离析，或是坍落度不符合要求时，应适当加快罐车搅拌速度。

在整个运输过程中，禁止向混凝土内添加水分。若发现混凝土出现严重问题，快速搅拌无法改良混凝土性能时，禁止继续用于大体积混凝土梁浇筑施工[2]。根据大体积混凝土梁规格尺寸，分别计算出混凝土输送泵数量与罐车数量，计算公式如式（1）、式（2）所示：

式（1）中，N为混凝土输送泵所需数量；
qn为大体积混凝土梁结构混凝土用量；
η 为混凝土泵车工作效率。

式（2）中，n为混凝土罐车所需数量；
qm为混凝土泵车排量；
Q为罐车容量；
l为搅拌站与现场之间的运输距离；
v为罐车行驶速度；
t为预估的停车时间。

3.1.3 混凝土浇筑的控制

大体积混凝土梁结构施工通常在夏季，天气较为炎热，应采取遮盖、洒水等方式控制混凝土温度，将混凝土入模温度控制在30 ℃以内，防止混凝土入模温度过高而出现温度裂缝。混凝土浇筑过程中，应采用分层浇筑的方式，由一端开始，逐渐向另一端进行浇筑，每层厚度控制在500 mm左右。前一层浇筑结束后，应在短时间内进行下一层浇筑，前一层禁止出现初凝现象，避免影响梁浇筑层之间的粘结效果。每层浇筑应连续进行，中间不可中断；
发生中断时应采用汽车泵继续浇筑，避免结构中出现施工冷缝。

3.1.4 混凝土振捣的控制

混凝土浇筑施工结束后，应以振动振捣棒为主要工具，对梁结构进行振捣处理，以提升结构的密实度，防止大体积混凝土梁结构后续出现温度裂缝或收缩裂缝问题。振捣施工过程中，应遵循“快插慢拔、上下抽动”的原则，选择并列式的方式进行振捣，并在梁结构表面均匀布置振捣点。此外，为了确保大体积混凝土梁结构的振捣效果，还应注重振捣参数的控制，如表2 所示。结构振捣结束后，应通过木抹子对结构表面进行抹平处理，以提升结构表面的平整性[3]。

表2 大体积混凝土振捣参数表

3.1.5 混凝土养护控制

确保大体积混凝土梁结构密实度符合规定要求后，立即对结构进行养护。第1，在结构表面铺设一层塑料膜与毛毡，根据结构表面情况与施工现场气候条件，向结构表面喷洒适量水分，用于控制结构内外温差水平，防止结构内外温差过大而出现裂缝问题。第2，为防止大体积混凝土结构出现裂缝问题，还应注重养护工作的控制（表3）。

表3 大体积混凝土梁养护控制要求表

3.2 温控设计

3.2.1 混凝土配合比设计

为了防止大体积混凝土梁结构出现温度裂缝或收缩裂缝问题，施工单位应针对施工需求设计出最佳的混凝土配合比。在配合比设计过程中，设计部门应先根据各种材料性质，结合以往工作经验，设计出相应的混凝土配合比方案。

再以此为基础，通过室内试验的方式，由设计方、施工方、监理方、业主方等多个部门共同检查配合比，判断配合比方案是否存在问题。若存在问题，应及时对配合比予以调节，从而得到最佳的混凝土配合比方案，如表4 所示。

表4 西安华润国际文化商业中心项目大体积混凝土梁配合比方案表

3.2.2 温度应力控制

在大体积混凝土梁整个施工周期内，应注重温度应力的控制，防止结构内部温度应力过高而产生裂缝。混凝土拌和时，温度应控制在约35 ℃；
混凝土储罐时，由于采用的是敞开式搅拌机棚，因而出料温度应与拌和温度相同，即35 ℃；
混凝土浇筑时，采用的是分两次卸料法，温度应控制在约31.3 ℃；
根据水泥发热量特性，计算出结构第7 d 的绝热升温量，即44.8 ℃；
根据混凝土结构厚度，结合绝热升温量，计算出结构内部最高温度，即约54.14 ℃。该项目大体积混凝土梁结构养护时，在结构表面铺设1 层塑料膜与2 层毛毡，养护保温层总厚度在约20 mm，以此计算出结构表面最高温度，即43.6 ℃[4]。

3.2.3 混凝土水化热温升与温降监测

大体积混凝土梁结构施工过程中，需要注重结构水化热温升与温降的监测，为结构内外温差的控制与调节提供支持。结构温度检测时，主要采用的是自动测温仪与PT100 型温度传感器，自动采集结构内外部温度数据。然后根据大体积混凝土梁结构形状和尺寸特点，分别布置竖向测温点与平面测温点，其中，竖向测温点主要根据结构顶表面、中心、底表面等区域温度监测需求而布置；
平面测温点主要根据混凝土浇筑方向、浇筑时间等因素而布置[5]。通过对该项目大体积混凝土梁结构的设计与计算，共布置了17 个监测点。混凝土浇筑施工结束7 d 以内，以1 h 为间隔定时检测结构温度；
超过第7 d 后，则以3 h 为间隔检测结构温度。检测人员应仔细记录，为判断结构内外温差是否超过规定要求提供支持。当结构内外温差连续一星期保持稳定，且结构表面与环境之间的温度差在30 ℃以内时，则停止对结构温度的继续监测。

大体积混凝土结构受到收缩应力、温度变化等因素出现裂缝病害时，应及时采取相应的方式修补，使大体积混凝土质量符合规定要求。其中，常见的裂缝修补方法有以下几种：

1）表面封闭法是在裂缝表面涂抹一层防水材料，用于对裂缝的填补。该方法用于深度较小（＜0.2 mm）的裂缝，以提升混凝土结构表面的防水性与耐久性，避免水分进一步渗透到混凝凝土结构内部造成更严重的损伤，但若裂缝较深则不能应用该方法。

2）压力注浆法。在一定压力条件下，将修复材料灌入裂缝中，待泥浆凝固后，即可完成裂缝修补。该方法常用于深度在0.2 ～0.3 mm 范围内的裂缝，修复材料主要包括水泥、环氧树脂等。

3）开槽法。用于处理宽度较大的裂缝。先在裂缝周边一定范围内开槽，然后均匀涂抹适量的弹性止水剂或刚性止水剂，对裂缝进行密封，避免裂缝进一步扩大而产生更加严重的问题。

4）结构加固法。主要用于对长度较长、面积较大或是贯穿裂缝的处理。例根据原混凝土结构强度、稳定性等要求，配置出相应的混凝土，并将该混凝土均匀喷射到混凝土结构表面，待新喷射混凝土凝固后，达到结构加固的目的；
或是将原混凝土结构表面进行清理，根据结构具体情况确定预应力杆位置，之后根据要求制作预应力杆，并将预应力杆安装到预设位置处，通过张拉力的控制后，即可完成裂缝的修复。

5）仿生自修复法。一种新的混凝土结构修复方法，要求配制混凝土时，在不影响混凝土性质的条件下，向混凝土中添加相应的仿生材料，利用这些仿生材料赋予混凝土自我修复的功能。当大体积混凝土结构出现裂缝后，这些仿生材料会自动对混凝土结构进行修复，提升结构强度，使混凝土结构逐渐恢复到正常水平。现代工程领域主要有3 种仿生材料，分别为含有粘合剂的囊状态、沥青玛蹄脂碎石混合料及一些活性微生物，具体应根据工程实际情况选择。

现代建筑大体积混凝土梁施工过程中，不仅要注重施工过程的控制，做好施工准备工作，设计出最佳的混凝土运输方案，严格按照规定要求对混凝土浇筑、振捣及养护，还应通过配合比设计、温度应力控制、水化热温升与温降的监测，加强对大体积混凝土梁结构温度的控制，以防止梁结构受到温度、收缩应力等因素的影响而出现裂缝问题。

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