淺談大體積混凝土防裂施工技術(shù)

王棟梁

(井研縣人民政府研城街道辦事處, 四川井研 613100)

近年來，隨著城市化進(jìn)程和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，我國在高層建筑、市政公用、水利大壩、橋梁基礎(chǔ)等工程中常常存在大體積混凝土施工,混凝土在硬化過程中，由于水化熱引起的溫度變化和混凝土收縮的共同作用，使溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力發(fā)生劇烈變化，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)有害裂縫而產(chǎn)生滲漏治理難的問題，造成工程質(zhì)量和安全隱患。因此，防止大體積混凝土裂縫作為大體積混凝土施工的主要技術(shù)，對其進(jìn)行不斷研究具有重要意義。

1 大體積混凝土的特點(diǎn)

(1)構(gòu)件厚大，配筋多，混凝土量大。大體積混凝土是結(jié)構(gòu)實(shí)體超長超大、最小尺寸在1.0 m及以上、需一次性澆筑大量混凝土，且因構(gòu)件配筋粗、配筋密、振搗難度大、易產(chǎn)生裂縫[1]。

(2)環(huán)境復(fù)雜，技術(shù)要求高。大體積混凝土施工需現(xiàn)場連續(xù)澆筑，往往不許留施工縫，不僅施工持續(xù)時間長、現(xiàn)場條件復(fù)雜，受環(huán)境影響大，而且還需混凝土既要具有良好的工作性能，又要滿足結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性和安全性。

(3)水化熱大、易產(chǎn)生裂縫。澆筑后的混凝土產(chǎn)生的水化熱大，內(nèi)部溫度高，表面溫度低，內(nèi)外溫差大，形成較大溫度應(yīng)力，易導(dǎo)致發(fā)生有害裂縫[2]。

(4)裂縫治理難。大體積混凝土的裂縫難以發(fā)現(xiàn)和檢測，如發(fā)生裂縫，難以修補(bǔ)，后果十分嚴(yán)重。

2 大體積混凝土裂縫的主要類型及危害

2.1 大體積混凝土裂縫的主要類型

2.1.1 干縮變形裂縫

混凝土澆筑后處于塑性狀態(tài)時，因混凝土水化熱高，以及炎熱風(fēng)大、蒸發(fā)過快引起產(chǎn)生的裂縫。其裂縫一般為不規(guī)則龜紋狀、或放射狀裂縫，以及每隔一段距離出現(xiàn)一條裂縫。

2.1.2 溫度變形裂縫

混凝土在硬化中，釋放大量水化熱，使內(nèi)部升溫快而散熱慢、但表面散熱快而溫度低，導(dǎo)致內(nèi)外溫差大，產(chǎn)生內(nèi)脹外縮，當(dāng)內(nèi)部壓應(yīng)力超過外部拉應(yīng)力時，易產(chǎn)生表面裂縫；在內(nèi)部逐漸散熱冷卻收縮時，由于接觸處受到約束，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時，易產(chǎn)生貫穿性裂縫。其裂縫形狀、部位又因溫差大小、構(gòu)件類型、約束程度不同而存在較大差異，且隨時間變化，裂縫還會逐漸擴(kuò)大加深，將嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)整體性，對承載能力和安全極為不利[2]。

2.1.3 塑性坍落裂縫

多發(fā)生在初凝前的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于骨料在自重作用下沿鋼筋方向逐漸下沉，混凝土被上方的鋼筋支頂，沿鋼筋表面產(chǎn)生順筋裂縫，使用流動性大或水灰比大的混凝土裂縫尤其嚴(yán)重。

2.2 大體積混凝土裂縫的危害

(1)影響建筑物的功能。裂縫后產(chǎn)生的滲漏問題處理難，有時多次治漏，不但延誤了工期、增加了成本，而且降低了結(jié)構(gòu)使用功能。

(2)降低建筑結(jié)構(gòu)的剛度。貫穿性裂縫使結(jié)構(gòu)剛度降低，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)正常發(fā)揮其設(shè)計功能。

(3)影響混凝土的耐久性。裂縫的出現(xiàn)使侵蝕介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致鋼筋銹蝕及混凝土腐蝕和碳化，使混凝土表面損壞且強(qiáng)度降低，對混凝土的耐久性影響甚大。

3 大體積混凝土的防裂技術(shù)措施

由于大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生主要與設(shè)計水平、材料質(zhì)量、施工技術(shù)、溫度控制、養(yǎng)護(hù)方法等措施不當(dāng)密不可分，因此大體積混凝土防裂，應(yīng)堅持抗放兼施，遵循設(shè)計是前提、材料是基礎(chǔ)、施工是關(guān)鍵、溫控是重點(diǎn)、養(yǎng)護(hù)是保證的原則，采取以下五個方面的措施，有效控制產(chǎn)生裂縫。

3.1 設(shè)計方面

(1)施工方案先進(jìn)合理。項目負(fù)責(zé)人組織編制大體積混凝土施工技術(shù)方案，方案應(yīng)主要包括施工工藝流程、施工方法、防裂措施等，應(yīng)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠，經(jīng)項目技術(shù)負(fù)責(zé)人審批后實(shí)施[3]。

(2)優(yōu)化設(shè)計配合比。混凝土強(qiáng)度等級宜為C25～C50，且應(yīng)根據(jù)原材料性能及混凝土強(qiáng)度、耐久性、工作性能等技術(shù)要求，由具有資質(zhì)的試驗室計算和試配優(yōu)化設(shè)計配合比，再根據(jù)現(xiàn)場砂、石的實(shí)際含水率，確定施工配合比。經(jīng)設(shè)計單位同意，也可采用60 d或90 d的強(qiáng)度作為混凝土配合比設(shè)計、強(qiáng)度評定及驗收的依據(jù)[4]。采用商品混凝土?xí)r，技術(shù)人員應(yīng)事前嚴(yán)格審核分析商品混凝土的技術(shù)參數(shù)。

(3)設(shè)置變形縫、后澆帶。超長大體積混凝土采取設(shè)置變形縫、后澆帶或采取跳倉法合理分塊施工，控制結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)有害裂縫。

(4)設(shè)置滑動層。宜在位于基巖上的大體積混凝土墊層上設(shè)置滑動層，或采取減少與大體積混凝土接觸處的約束措施，控制因拉應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫[4]。

(5)設(shè)置構(gòu)造鋼筋。結(jié)合混凝土構(gòu)件結(jié)構(gòu)配筋，設(shè)置控制溫度和收縮的構(gòu)造鋼筋。

(6)優(yōu)化施工時間段。選擇適宜溫度時段澆筑，避開高溫高熱天氣進(jìn)行施工。

3.2 材料方面

大體積混凝土使用的原材料、摻合料、外加劑均應(yīng)具有產(chǎn)品合格證書和性能檢測報告，其品種、規(guī)格、性能必須符合現(xiàn)行國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同時符合施工組織設(shè)計的規(guī)定。

3.2.1 水泥

3.2.1.1 選用低、中水化熱水泥

大體積混凝土所選用的水泥，要求具有凝結(jié)硬化慢，強(qiáng)度早期低、后期高，水化熱低。宜選用低水化熱的Ⅱ族水泥，如有抗?jié)B要求時，優(yōu)選火山灰水泥。其水化熱為：使用42.5級及以下水泥時，3d不宜大于240 kJ/kg、7d不宜大于270 kJ/kg[5]，使用52.5級水泥時，7d不宜大于300 kJ/kg。

3.2.1.2 降低水膠比，減少水泥用量

在滿足大體積混凝土設(shè)計配合比、強(qiáng)度等級及施工工藝要求的前提下，降低水膠比(不大于0.45)，減少水泥用量，可有效降低混凝土溫升值。如設(shè)計無要求，用量控制在350 kg/m3內(nèi)，膠凝材料總量不宜超過420 kg/m3。

3.2.1.3 強(qiáng)度等級要相互匹配

低強(qiáng)度等級水泥配制高強(qiáng)度等級混凝土，水泥用量大，不經(jīng)濟(jì)，且使混凝土收縮和水化熱增大；高強(qiáng)度等級水泥配制低強(qiáng)度等級混凝土，水泥用量少，影響和易性、密實(shí)度，導(dǎo)致耐久性差。一般以水泥強(qiáng)度等級為混凝土強(qiáng)度等級的1.5～2倍為宜、高強(qiáng)度等級混凝土可取0.9～1.5倍[1]，即C30及以下混凝土宜選32.5級水泥，C30以上混凝土宜選42.5級及以上水泥，且優(yōu)選中、低水化熱水泥[6]。

3.2.2 嚴(yán)控骨料粒徑和含泥量

骨料粒徑粗，收縮小；粗骨料粒徑越細(xì)，砂率越高，收縮越大；嚴(yán)控骨料含泥量，骨料中含泥越大，收縮越大。一般情況下，粗骨料宜選用強(qiáng)度高，連續(xù)級配好，低堿活性，產(chǎn)地、規(guī)格一致的天然卵石或碎石，其粒徑5～40 mm、含泥量和泥塊含量分別不大于1 %和0.5 %。細(xì)骨料宜選用Ⅱ類中砂，粒徑為0.35～0.5 mm，含泥量和泥塊含量分別控制在3 %和1.0 %以內(nèi)的天然河砂最佳[1]，砂率宜為38 %～45 %[4]。

3.2.3 拌和用水

拌和用水(不宜大于170 kg/m3 [4])及養(yǎng)護(hù)用水相同，不得使用含有害物質(zhì)的水。

3.2.4 摻入外加劑

宜選用減水率高、緩凝效果好，坍落度損失小的高效緩凝、減水、微膨脹的外加劑，可降低水化熱峰值，對混凝土收縮具有補(bǔ)償功能，可提高混凝土抗裂性[7]。摻量一般不大于水泥用量的5 %。

3.2.5 摻入活性摻和料

選用Ⅰ級粉煤灰，可降低混凝土水泥用量、改善混凝土施工性能，降低溫升、改善和易性，延緩混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展、增加后期強(qiáng)度，有利于提高混凝土耐久性。摻合料摻量應(yīng)根據(jù)通過試配的配合比摻加[5]，但不宜大于膠凝材料用量的50 %[4]。

3.3 施工方面

大體積混凝土工程施工應(yīng)按施工工藝流程施工和投料順序投料，其工藝流程為：預(yù)先澆水降溫→測定混凝土入模溫度→混凝土攪拌→混凝土運(yùn)輸、泵送與布料→混凝土澆筑、振搗和表面抹壓、清除表面浮漿→二次抹壓→混凝土養(yǎng)護(hù)；其投料順序為：粗骨料→水泥、粉煤灰→細(xì)骨料→水→外加劑；其余應(yīng)符合GB 50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》和其他相關(guān)枝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3.3.1 嚴(yán)控攪拌配比，滿足施工要求

應(yīng)嚴(yán)控設(shè)計和施工配合比，確保材料合格，計量偏差符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，投料順序及攪拌時間合理、準(zhǔn)確，確保質(zhì)量滿足設(shè)計、施工要求。當(dāng)摻有外加劑時，攪拌時間適當(dāng)延長。由于大體積混凝土施工質(zhì)量要求高、用量大、澆筑時間長，應(yīng)提前與攪拌站確定供應(yīng)質(zhì)量、時間、用量要求，或采用2個攪拌站同時供應(yīng)，確保混凝土澆筑連續(xù)不中斷。

3.3.2 縮短運(yùn)輸時間，確保初凝前澆筑完畢

在運(yùn)輸中不宜發(fā)生分層、離析，否則應(yīng)在澆筑前進(jìn)行二次攪拌。盡量縮減運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)和運(yùn)輸時間，確保初凝前運(yùn)到現(xiàn)場并澆筑完畢。混凝土應(yīng)采用混凝土罐車運(yùn)輸，入模采用混凝土輸送泵泵入(泵送混凝土坍落度不宜低于100 mm、水膠比不宜大于0.6、膠凝材料總量不宜小于300 kg/m3[6])，輸送罐車配合進(jìn)行。

3.3.3 采用分層澆筑，保證結(jié)構(gòu)整體性

澆筑前，應(yīng)根據(jù)施工方案逐級交底、清除雜物、做好模板支架驗收及鋼筋隱蔽驗收，調(diào)試并確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好、且預(yù)留1套機(jī)械設(shè)備備用，機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、調(diào)試、使用均由專人負(fù)責(zé)。混凝土澆筑厚度越大、溫升值越高，應(yīng)采用全面(分段、斜面)分層澆筑，可增加散熱面，延長散熱時間，有效降低水化熱溫升值，保證結(jié)構(gòu)整體性。澆筑時，應(yīng)從短邊(低處)開始，沿長邊方向自一端向另一端進(jìn)行，每層厚度不超過30～50 cm，第一層澆完后，為避免出現(xiàn)冷縫，應(yīng)及時回頭再澆第二層，依次逐層連續(xù)進(jìn)行，直至澆筑完畢為止。澆筑的自由傾落高度不超過2 m，如超過2 m應(yīng)設(shè)串筒或溜槽。

3.3.4 采用二次振搗，提高抗裂性

澆筑后采用分層振搗，振搗上層應(yīng)插入下層混凝土5 cm一并振搗，確保融合不分層分縫；每點(diǎn)的振搗時間，以混凝土不再冒氣泡，表面不再呈現(xiàn)浮漿和不再沉落為止；每2 m左右間距設(shè)置1臺插入式振動器，混凝土入模后，立即沿1個斷面同向同時振搗或由兩端往中間振搗，振搗密實(shí)后，方可移至下一段振搗，同時要避免漏振、欠振、過振。其次，在初凝前采用二次振搗，排除混凝土內(nèi)部水分和空隙，防止因混凝土沉落而出現(xiàn)裂縫。

3.3.5 采用多次抹壓，防止表面收縮裂縫

大體積混凝土初凝前表面水泥漿較厚，澆筑后要認(rèn)真處理。在混凝土初凝前1～2 h，先用長靠尺按標(biāo)高刮平，除去多余浮漿，用滾筒碾壓及機(jī)械抹壓后，再用木抹子人工抹平壓實(shí)。澆筑面應(yīng)及時進(jìn)行多次抹壓處理，用木抹子反復(fù)抹壓，使其表面密實(shí)，用鐵板壓光，減少表面水份揮發(fā)，控制表面收縮裂縫。

3.3.6 適時拆模施工，有效減少裂縫

在混凝土未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度前，不得拆模及支架；在混凝土強(qiáng)度未達(dá)到1.2 MPa前，不得在其上踩踏或安裝模板及支架，禁止傾倒施工材料，避免出現(xiàn)較大的振動沖擊對大體積混凝土造成危害，從而避免產(chǎn)生裂縫[6]。

3.3.7 采取應(yīng)急措施，應(yīng)對特殊天氣

澆筑混凝土中如遇大雨、大雪天氣，應(yīng)在合理部位留設(shè)施工縫、中止?jié)仓涣⒓锤采w已澆筑未硬化混凝土，防止被雨水沖刷[4]。

3.4 養(yǎng)護(hù)方面

(1)采用保溫保濕養(yǎng)護(hù)，防止收縮裂縫。大體積混凝土澆筑完畢后8～12 h內(nèi)，除按溫控措施覆蓋保溫養(yǎng)護(hù)、提高混凝土表面及周圍散熱面的溫度和專人測溫外，還應(yīng)澆水連續(xù)保濕養(yǎng)護(hù)不少于14 d，使混凝土保持處于濕潤狀態(tài)，縮小內(nèi)外溫差，防止收縮裂縫。保溫覆蓋層應(yīng)分層拆除，當(dāng)混凝土表面與環(huán)境最大溫差小于20 ℃時可全部拆除[4]。

(2)拆模后養(yǎng)護(hù)。混凝土拆模后，按施工方案要求繼續(xù)做好保溫保濕養(yǎng)護(hù)。

3.5 溫控方面

大體積混凝土工程施工前，宜對施工階段的大體積混凝土澆筑體的溫度、溫度應(yīng)力及收縮應(yīng)力進(jìn)行計算，制定相應(yīng)的溫控技術(shù)措施，確保符合溫控指標(biāo)。

3.5.1 溫度控制指標(biāo)

(1)入模溫度。混凝土入模溫度不宜大于30 ℃，混凝土澆筑體最大溫升值不宜大于50 ℃。

(2)里表、表外溫差。混凝土澆筑體表面內(nèi)50 mm處與表面溫差不宜大于25 ℃，拆除覆蓋層時，混凝土澆筑體表面與環(huán)境溫差不應(yīng)大于20 ℃。

(3)相鄰兩測溫點(diǎn)溫差。混凝土澆筑體內(nèi)部相鄰兩測溫點(diǎn)溫差不應(yīng)大于25 ℃。

(4)降溫速率。降溫速率不宜大于2 ℃/d，冬季施工不宜大于3 ℃/d；當(dāng)有可靠經(jīng)驗和措施時，可適當(dāng)放寬[6]。

3.5.2 溫度控制技術(shù)措施

(1)采取灑水降溫。當(dāng)環(huán)境溫度高于35 ℃時，對模板、鋼筋、機(jī)具灑水降溫，但不得留有積水。

(2)采用遮陽覆蓋降溫。對裸露材料、入模混凝土、混凝土罐(泵)車及施工作業(yè)面采用固定或移動遮陽棚覆蓋降溫，對混凝土輸送泵管采用包裹措施降溫。

(3)降低混凝土入模溫度。混凝土入模溫度越低，越有利于控制混凝土內(nèi)外溫差，應(yīng)盡量避免高溫時段施工，選擇氣溫較低時段施工；夏季高溫施工時，采取骨料用水沖洗、避免暴曬降溫、降低拌和用水溫度(加冰屑或用地下水)及控制混凝土出機(jī)溫度(不大于30 ℃)等方式將混凝土入模溫度控制在5～30 ℃[4]。

(4)預(yù)埋冷卻水管導(dǎo)熱降溫。混凝土內(nèi)預(yù)埋冷卻水管，通入循環(huán)冷卻水導(dǎo)出內(nèi)部熱量，將冷卻水與混凝土內(nèi)的溫差控制在20～25 ℃。

3.5.3 溫度監(jiān)測要求

溫度監(jiān)測點(diǎn)布在混凝土澆筑體內(nèi)，應(yīng)全面準(zhǔn)確反映相關(guān)溫控指標(biāo)；溫度測試時，應(yīng)每臺班對入模溫度測試不少于2次，每晝夜對澆筑后的混凝土的其余溫控指標(biāo)測量不少于4次[4]。

4 結(jié)束語

總之，大體積混凝土的施工及裂縫問題十分復(fù)雜，涉及建材、施工、環(huán)境、結(jié)構(gòu)等各方面。在工程建設(shè)中，應(yīng)堅持施工前的事前控制和施工中的事中控制，嚴(yán)控有害裂縫的產(chǎn)生，盡量避免出現(xiàn)事后治漏，將影響和危害降到最低，確保工程質(zhì)量和安全。目前，對大體積混凝土施工技術(shù)的研究在不斷進(jìn)行中，其防裂技術(shù)仍在不斷推陳出新，因此，對大體積混凝土的防裂施工技術(shù)研究還任重而道遠(yuǎn)。