100 年高耐久、大體積混凝土裂縫控制技術的研究與應用

馬安，沈向陽，馬鑫峰

（南通固盛建材有限公司，江蘇 南通 226000）

1 概述

對本地區混凝土結構長期的觀察發現，非大體積的構件尺寸的結構混凝土，其開裂的現象較以往增多，混凝土裂縫會顯著劣化混凝土的耐久性，顯著加速外部介質的侵蝕，如加快 Cl-、O2、CO2、SO42-等進入混凝土內部的過程，加快混凝土碳化、鋼筋表面脫鈍銹蝕以及混凝土受硫酸鹽腐蝕的速度，同時裂縫還會成為水的便利通道，在混凝土經歷干濕、凍融循環時裂縫會繼續擴張，從而對耐久性產生顯著影響[1]。澆筑成型的混凝土結構處于水化—溫度—濕度—約束多場耦合作用的環境，在這種多場耦合作用下會導致混凝土產生收縮變形及內應力，當混凝土的抗拉強度不足以抵抗多場耦合作用產生的拉應力時，就會產生裂縫[2]。經不同的機構長期研究發現水化熱及溫度變化已經成為引起混凝土開裂的主導原因[3]。傳統的利用膨脹材料在水化過程中產生的體積膨脹來補償混凝土的收縮變形是抑制混凝土收縮開裂的措施之一，但經過長時間的工程實踐，發現以往單一類型的膨脹劑受其水化特性的限制，對混凝土收縮補償有限[4]。因此，針對南通軌道交通控制中心的 100年耐久混凝土，主要在溫度控制及補償收縮兩方面進行方案設計并實施。

2 工程特點分析

南通軌道交通控制中心及附屬工程總建筑面積98800 平方米，其中地下部分 27084 平方米。本工程地下室 2 層，側墻厚度為 500～600mm，底板厚度一般為1800mm（部分厚 2100mm），通過 2 條后澆帶、1 條膨脹加強帶將整個地下工程劃分四個部分，板式結構一次澆筑超 4500m3，側墻一次澆筑在 40～80m，受大截面、大體量、超長結構形式及施工工藝等因素影響，構筑物容易在施工階段就出現因溫度收縮以及約束等原因而產生的危害性裂縫。結合本工程的實際情況，工程特點與控制難點如下：

（1）2020 年 9 月中旬開始澆筑底板，10 月中旬澆筑側墻。9 月份南通地區氣溫較高，難以有效控制入模溫度，控裂難度加大。

（2）側墻一次性澆筑較長，澆筑后混凝土溫度收縮與自收縮疊加且受到較強的外約束，產生的拉應力易超過混凝土抗拉強度，開裂與滲漏風險突出。

（3）底板混凝土屬于大體積混凝土結構，澆筑體量大，內部因水化熱影響溫升高，內外溫差與降溫收縮易產生溫度裂縫的風險，且板式結構暴露面積較大，凝結硬化前還存在塑性開裂風險，此外后期的干燥收縮也不能忽視。

因此，對于該工程結構，需從原材料控制、配合比優化、抗裂功能材料應用、施工措施優化等方面出發，綜合運用多項技術，降低工程開裂風險，確保工程質量，提升工程建設水平。

3 工程開裂風險評估

施工期混凝土開裂風險以開裂風險系數 η 作為評價依據。

式中：σ(t)——t 時刻的混凝土最大拉應力，N；

ft(t)——t 時刻的混凝土抗拉強度，MPa。

根據 DB 32/T 3296—2019《江蘇省高性能混凝土應用技術規程》混凝土開裂風險評判準則：一般認為 η＞1.0 時混凝土一定會開裂；0.7＜η≤1.0 時混凝土存在較大的開裂風險；η≤0.7 時混凝土基本不會開裂，不開裂保證率≥95%。

為本工程混凝土開裂風險評估建立地下室全斷面三維模型如圖 1 所示，并計算底板及側墻混凝土的開裂風險系數 η，如圖 2、圖 3 所示。

圖 1 本工程底板、側墻三維模型

圖 3 C35 側墻開裂風險評估結果

故南通地區 9 月份澆筑 1.8～2.1m 厚的普通 C35 底板存在開裂風險；0.6m 厚、一次性澆筑長度 60m 的普通 C35 側墻澆存在極大的開裂風險。

4 裂縫控制總體方案

4.1 控制總則

（1）控制本工程混凝土結構任何時刻開裂風險系數（任意時刻收縮拉應力與抗拉強度比值）不高于閥值。控制 η≤0.7 時，可基本避免收縮開裂；控制η≤1.0 時，可有效降低收縮開裂。

（2）在結構尺寸、約束等條件確定的基礎上，采取混凝土材料和施工工藝相結合的措施降低開裂風險，同時充分考慮方案的可行性和經濟性。

（3）本方案制定過程中，優先依靠自身材料性能的優化控制開裂風險，若無法將風險系數控制在閾值之下，則采取施工工藝優化以及功能材料等措施。

4.2 裂縫控制總體思路

（1）采取低溫升、低收縮的高性能混凝土。

（2）根據施工季節、材料性能、施工工藝等，確定一次性最大澆筑長度，合理分段。

（3）采取技術措施，降低混凝土溫升及收縮，以進一步降低混凝土的開裂風險。

（4）采取養護措施，降低早期塑性開裂。

4.3 混凝土配合比方案

一般針對有抗裂要求的混凝土，會考慮低水膠比，以及在同樣強度的情況下盡量降低膠材用量，另外一般會采取增加礦物摻合料降低水泥用量以降低水化熱，有研究發現，對于摻合料對混凝土的開裂，礦渣對開裂的抑制作用較低，隨摻量的增大抑制作用降低，表現為開裂時間提前和裂縫寬度增大，與礦渣微粉相比，粉煤灰隨摻量的增加，混凝土抗裂性能得到提高，表現為開裂時間的延長和裂縫寬度減小。[2]

（1）功能材料：選用 HME?-V 混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑。一方面通過鈣類高效膨脹材料有效補償混凝土的收縮；一方面利用水化熱抑制劑調控水泥水化放熱速率。

（2）底板混凝土：可以摻加適量礦粉（粉煤灰、礦粉雙摻）；由于硬化階段開裂風險相對較低，摻加5% 抗裂劑。

（3）側墻混凝土：側墻以硬化階段開裂為主，側墻混凝土不摻礦粉，摻加 8% 抗裂劑。

5 裂縫控制具體措施

5.1 混凝土原材料

5.1.1 原材料性能控制指標

本工程主體結構混凝土所選用原材料應性能穩定，且符合相關現行國家和行業規范、標準和規定的要求，配制的混凝土應滿足設計要求的工作、力學、體積穩定性和耐久性要求，混凝土各原材料重點控制要求如下：

（1）水泥：采用品質穩定、水化熱低、收縮小的南通海螺 P·O42.5，其性能應符合國家現行標準 GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的規定，比表面積不宜大于 350kg/m3、堿含量 0.52%、C3A 含量 6.5%、3 天強度 26.5MPa、28 天強度 50.5MPa、進場溫度 55℃。

（2）粉煤灰：選用南通華能電廠Ⅱ級，細度16.2%、燒失量 3.12%、含水量 0.1%、需水量比 1.2%。

（3）礦渣粉：選用聯峰 S95 級，比表面積不宜超過 450m2/kg、7 天活性指數 90%、28 天活性指數103%、流動度比 100%。

（4）細骨料：選用級配合理、質地均勻堅固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然Ⅱ區河砂，細度模數2.5、含泥量 0.3%、泥塊含量 0.1%。

（5）粗骨料：選用級配合理、粒形良好、質地堅固、線膨脹系數小的潔凈 5～25mm 連續級配碎石，壓碎值 9.1%、泥含量 0.3%、松散堆積空隙率 42%。

（6）減水劑：選用蘇博特聚羧酸高性能減水劑PCA-10，減水率 20%、固含量 13.5%、pH 值 6.1。

（7）拌合水：自來水。

5.1.2 抗裂功能材料要求

本工程地下室主體結構混凝土一次性澆筑面積與長度較長，收縮變形發展受約束較大，且面臨夏季高溫施工，混凝土開裂風險較高，而開裂主要由于早期自收縮和溫度收縮且受約束而引起。針對本工程具體情況，為降低開裂風險，在原材料控制、配合比優化的基礎上，摻入江蘇蘇博特新材料股份有限公司 HME-V 混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑，降低早期水化放熱速率和膨脹補償收縮，且既要能夠補償早期收縮，又要能夠補償混凝土降溫期實時收縮，同時膨脹的歷程發展匹配混凝土的收縮過程。混凝土抗裂技術指標詳見表 1。

表 1 混凝土抗裂劑技術指標與檢驗方法

5.2 混凝土配合比設計及性能控制

5.2.1 混凝土性能控制指標

本地下室工程現澆混凝土配合比應按強度、耐久性能和抗裂性能進行設計，并應滿足混凝土配制強度及其它力學性能、拌合物性能、長期性能和耐久性能的設計要求（見表 2 ），與抗裂性相關指標（見表 3）。

表 2 地下室主體結構混凝土力學性能及耐久性指標

表 3 地下室主體結構混凝土抗裂性能控制指標

5.2.2 混凝土配合比設計

混凝土配合比設計應符合現行行業標準 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》的有關規定外，還應根據實際結構部位、施工工藝及環境條件等進行設計。在滿足混凝土上述要求的基礎上，應遵循低用水量、低膠凝用量、適當水膠比、最大堆積密度的原則，本工程主體結構 C35P8 混凝土配合比見表 4。

5.3 混凝土施工工藝

5.3.1 入模溫度控制

控制混凝土入模溫度是抑制裂縫非常重要的技術措施，已在相關的工程中廣泛采用。澆筑入模溫度影響因素可概括為：原材料溫度；攪拌、運輸、澆筑、振搗過程中的摩擦升溫；新拌混凝土與環境介質熱交換。其中原材料溫度對澆筑溫度起著決定性作用。

本工程混凝土處于炎熱的初秋施工，為降低混凝土入模溫度，應避免白天高溫時段澆筑，選擇在夜間施工。根據 GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》、JGJ/T 385—2015《高性能混凝土評價標準》，夏季混凝土開裂風險最高，施工時應控制入模溫度不應高于 35℃，并應通過試驗，考慮運輸、泵送等因素時對混凝土入模溫度的影響。本工程具體控溫措施如下：

（1）骨料提前進場入庫儲存，在砂石遮陽棚的基礎上，對砂石料進行不間斷噴霧降溫，降低料倉溫度。

（2）混凝土罐車采用灑水降溫，控制混凝土罐車運輸時間和等待時間不超過 1.5h。

（3）對進站高溫粉料（如：水泥）進行提前儲存冷卻并設置中間倉儲存倒運，至少提前 7d 以上備料。

（4）施工現場安排調度人員，根據澆筑情況調配兩側罐車卸料次序及拌合站是否攪拌，避免混凝土因罐車在現場停留時間過長而升溫。

5.3.2 混凝土制備、運輸

（1）混凝土制備及運輸能力應滿足混凝土澆筑工藝要求，預拌混凝土質量應符合國家現行標準 GB/T 14902—2012《預拌混凝土》和 GB 50164—2011《混凝土生產控制標準》的有關規定。

（2）開盤前應檢查砂、石的質量情況，核實使用原材料與配合比通知單是否相符，數量是否足夠并有20% 的富余量。

（3）對于原材料計量，應根據粗、細骨料含水率的變化，及時調整粗、細骨料和拌合水的稱量，嚴格測定骨料含水率，按料線準確上料。

（4）開機后應測定初始拌合的前 2～3 盤混凝土拌合物的坍落度、溫度等參數，如不符合要求，應立即分析情況處理，直至拌合物性能符合要求方能持續生產，生產過程中發現問題應及時解決。

（5）混凝土運輸至現場直至澆筑前，當出現坍落度損失過大不滿足要求時，應通過二次添加適量減水劑并在攪拌車中快速攪拌不少于 3min 的方式進行調整。嚴禁直接加水。

（6）澆筑前應根據澆筑方量合理安排施工組織，控制澆筑體凝結時間 6～8h 左右，以保證施工連續性，避免冷縫。

5.3.3 混凝土澆筑與振搗

混凝土結構工程施工除應符合現行國家標準 GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》和 GB50164—2011《混凝土質量控制標準》的規定外，尚應符合下列規定：

表 4 主體結構 C35P8 混凝土配合比

（1）按規范的檢測頻率進行坍落度測定、制作混凝土試塊，并觀察混凝土的和易性，符合要求才能使用。側墻混凝土入模坍落度宜控制在 160～200mm 之間，板式結構混凝土入模坍落度宜控制在 180～220mm之間。當對外觀有嚴格要求時，應加強對到場罐車內混凝土工作性能的測試，至少每 2～3 車檢測一次。

（2）混凝土澆筑傾落高度不宜超過 2m，當不滿足要求時，應加設串筒、溜管、溜槽等裝置。傾落高度過高時，應設置減速裝置，在串筒出料口下面，混凝土堆積高度不宜超過 1m，并嚴禁用振動棒分攤混凝土。

（3）混凝土拌合物應分層澆筑，單層澆筑厚度不超過 500mm，分層間隔澆筑時間不得超過混凝土初凝時間。

（4）板式結構采用斜面分層、自然流淌、薄層澆搗、連續澆筑法。由澆筑時較低一端中間位置向兩側澆筑，逐漸向較高一端推進。從一頭澆筑嚴格控制澆筑間隙，間隙時間不大于 1.5h，同時澆筑速度不宜過快。

（5）采用振動棒振搗混凝土時，振動棒的前端應插入前一層混凝土中，插入深度不應小于 50mm，與側模應保持 50～100mm 的距離。振動棒應垂直于混凝土表面并快插慢拔、均勻振搗，當混凝土表面無明顯塌陷、有水泥漿出現、不再冒氣泡時，可結束該部位振搗。

（6）宜對澆筑后的混凝土進行二次振搗，以排除混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土與鋼筋的握裹力，使實體結構混凝土的抗拉強度提升，從而提高抗裂性。

（7）在混凝土澆筑完畢后、終凝前對澆筑面進行抹面處理。

5.3.4 拆模時間控制

（1）頂板結構拆模時間：應以強度控制參考依據，拆模強度的確定應依據 GB 50666—2011 規范對拆模強度要求，跨度大于 8m 的板式結構需達到設計強度要求的 100%，才能拆除底模。

（2）側墻結構拆模時間：本工程采用木模板施工，考慮到木模的保溫效果較好，延長拆模時間至不少于 7d。

5.3.5 混凝土養護控制措施

混凝土的養護包含濕養護及保溫養護。濕養護能使混凝土盡可能接近于飽和狀態，使之充分水化，防止混凝土表面脫水產生干縮裂縫；而保溫養護的目的主要是降低混凝土降溫速率，以充分利用混凝土徐變，降低溫度開裂風險，達到防止產生和控制裂縫的目的。對于不同結構養護控制規定如下：

（1）板式結構

高溫、干燥、大風天氣澆筑混凝土時，宜在作業面采取遮陽、擋風措施，對于板式結構（頂板與底板）頂面澆筑完成后應第一次收漿抹面并覆蓋塑料薄膜，薄膜上面噴霧保持濕潤狀態，并在終凝前進行二次抹面消除表面可能出現的失水缺陷、微裂紋，終凝后可在表面覆蓋 1～2 層帶有塑料內膜的土工布或其他相當物并蓄水，蓄水養護水溫與混凝土表面溫度之差≤15℃，控制混凝土內外溫差≤15℃，養護時間不少于 14d。

（2）側墻結構

采用木模板施工，模板拆除后，宜立即在墻體暴露于空氣中的外立面表面貼覆保溫、保濕養護材料（如圖 4 所示的自粘式養護布。該材料由防護層、保溫層、保濕層以及自粘材料構成，可根據實體結構散熱條件進行定制，并且可以多次重復利用。混凝土拆模后，可自由貼合于混凝土表面，實現混凝土溫降速率的有效控制），或其他類似保溫、保濕養護材料，控制結構溫降速率≤3℃/d，拆除外保溫措施時混凝土中心溫度與環境溫度之差不宜超過 15℃，外保溫拆除后應進一步做好保濕養護，原則上養護時間不少于 14d。

混凝土 7d 后拆模后需進一步做好必要的封閉保濕養護，采用專門外貼覆養護材料，保濕養護時間不少于7d。

圖 4 外貼覆養護材料

6 檢測、監測與驗收

6.1 混凝土強度及耐久性檢驗

本工程混凝土 9 月 10 日開始澆筑，對強度及耐久性指標進行了檢測，具體數據見表 5。

表 5 混凝土強度及耐久性指標

6.2 實體結構溫度及變形結果

應對結構混凝土收縮變形、溫度等性能進行監測，一方面對結構混凝土抗裂性進行有效評估，另一方面指導精細化施工（如拆模時間、保溫措施等），最終實現設計、材料、施工等的閉環控制。

混凝土澆筑體內監測點的布置，應真實地反映出混凝土澆筑體內最高溫升、里表溫差、降溫速率、環境溫度。具體如下：

（1）在底板、頂板的中心沿厚度方向，上、下表面各布置 1 個溫度計、厚度中心位置布置 1 個應變計。

（2）在側墻長度、高度和厚度方向的中心位置埋設 1 個溫度計，內、外表面各埋設 1 個溫度計。

圖 5 側墻部位傳感器埋設示意圖

監測探頭（溫度—變形監測）的綁定位置見圖 6。監測分四個通道，1 號通道為中心部位（長度方向），2 號通道為中心部位（寬度方向），3 號通道為中心部位（厚度方向），4 號通道底板接近上表面的溫度。

圖 6 底板部位傳感器埋設圖

9 月 10 日開始澆筑的南通地鐵軌道控制中心的底板。混凝土總方量約 4500 方。底板澆筑時間：2020 年9 月 10 日 10:00～2020 年 9 月 12 日 9:00。具體溫度監測情況見圖 7 和表 6。

由圖 7 和表 6 可知，底部混凝土厚度中心位置澆筑時間為 2020 年 9 月 11 日 13:00 左右；測點位置的上部混凝土澆筑時間為 2020 年 9 月 11 日 20:00 左右。測點底板厚度中心位置混凝土入模溫度 32.9℃，上表面混凝土入模溫度 28.1℃。

從曲線看出混凝土中心最高溫度為 65.6℃，相對入模溫度 32.9℃溫度提高了 32.7℃，相對常規的混凝土溫升速率及溫升值有所降低，混凝土內部與上表面及上表面與環境溫度（白天 30℃ 左右，夜里 20～25℃）相差20～25℃，基本滿足控制要求。

圖 7 測點的實時溫度數據（以 2020 年 9 月 10 日 8:00 為起點）

表 6 測點（C35 底板）的溫度數據

圖 8 為混凝土中各測點的實時變形曲線。從整體曲線來看變形曲線變化平穩，未出現開裂，表明實體結構無裂縫產生，并與實際觀察結果相對應。

7 結論與展望

（1）針對相應的工程特點，通過采取適當的抗裂技術措施是可以有效降低甚至避免貫穿裂縫的，裂縫形成的因素較復雜，需綜合考慮材料、配比、施工、養護、環境等各項指標以及這些指標的疊加的作用影響，針對這些指標指定相應的方案并切實落實才能達到控制開裂的最終效果，因此抗裂技術是個系統工程，傳統的控制單一補償收縮的措施作用有限。

圖 8 測點的實時變形數據（以初凝為零點）

（2）判斷混凝土的開裂風險需要做到各指標量化，定性的判斷不能準確反映技術的有效性，通過長時間的工程數據積累完善方案建立數據庫可為今后的工程提供指導。

（3）傳統的膨脹劑等抗裂功能材料對于控制混凝土裂縫有一定的貢獻，但要考慮到混凝土早期的塑性開裂，后期的溫度收縮、干縮開裂等多重影響因素，水化速率和膨脹歷程雙重調控技術對于解決硬化階段墻體結構的開裂有顯著的效果。另外，高溫季節降低混凝土入模溫度，拆模后的養護（保溫、保濕）等施工措施也是抗裂技術的重要組成部分。