大溫差低濕度環境超大建筑屋面混凝土裂縫控制研究

摘 要：鑒于超大建筑屋面的結構特點，裂縫防控一直以來便是其施工管控的重點與關鍵，尤其是在晝夜溫差大、環境濕度低且澆筑面積大、保護層厚度小、不可設伸縮縫的情況下，更應多舉措妥當防控，以免出現各類裂縫，從而影響屋面的結構受力。結合某工業廠房項目施工實際，首先剖析了各類裂縫的主要成因，然后分別從混凝土原材篩選、配合比設計、膨脹帶設置、澆筑施工、澆筑后處理、工后養護等方面提出了相應控制舉措，供廣大施工同仁閱鑒參考。

關鍵詞：大溫差低濕度；超大建筑屋面；裂縫控制

中圖分類號：TU755 " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2022）10-0032-03

1 項目背景

1.1 工程概況

某工業廠房項目所處地區晝夜溫差大、降水稀少、環境干燥，項目總建筑面積36 478.96㎡，地上2層，總高14.75 m，廠房屋面面積約19 000㎡，為超大面積現澆混凝土屋面，屋面板厚度為12 cm，結構找坡，坡度3%，屋面保護層采用4 cm厚的C20細石混凝土。超大面積屋面以及大溫差、低濕度是該項目的主要特點，同時也使得混凝土裂縫控制成為項目施工管控的重點與難點。

1.2 工程難點

該建筑屋面長度長、面積大，且由于工藝要求無法設置伸縮縫，由此導致屋面混凝土施工質量難以把控，極易因施工控制不當而形成裂縫。

該項目所處地區溫差大、濕度低，屋面保護層厚度偏小、面積超大，由于暴露面大、包裹面小，使得裂縫控制難度大，一旦養護不到位就會形成干縮裂縫。

當地晝夜溫差較大、氣候干燥，受外界環境影響混凝土澆筑后極易產生開裂，因此，對混凝土施工工藝及后期養護要求也相對較高。

2 大溫差低濕度環境超大建筑屋面混凝土裂縫成因

2.1 干縮裂縫

混凝土澆筑完成后7 d或養護完成一段時間后，水泥漿中水分大量蒸發而產生干縮，且因干縮而導致的裂縫往往不可逆轉。造成干縮裂縫的成因主要為：受外界環境因素的影響，導致混凝土外表面水分散失快濕度變化大，變形也相對較大；而混凝土芯部水分散失慢濕度變化小，變形也相對較小；外表面干縮變形受到內部約束產生較大變形，形成較大的拉應力進而造成開裂。尤其是在濕度較低的環境下，如若保濕養護不到位，混凝土干縮越大，則產生干縮裂縫的幾率也越大，尤其是在空氣濕度不超過30%～50%的環境下，干縮裂縫更加明顯[1]。

2.2 溫度裂縫

溫度裂縫主要發生于大體積混凝土的表面，或在溫差變化相對較大的環境下。造成溫度裂縫的成因主要為：混凝土澆筑后的硬化階段，水泥水化會生成大量的水化熱，而體量較大的混凝土芯部熱量集聚且散熱較慢，導致混凝土芯部溫度驟升；而混凝土外部熱量散失快，或受外界大溫差影響晚上溫度驟降，如此就會導致混凝土內外形成較大的內外溫差。較大的溫差導致內外熱脹冷縮程度存在較大差異，并在混凝土表面形成一定的拉應力，在拉應力不斷增長并超過混凝土的極限抗拉強度時，就會導致混凝土表面出現開裂，此種裂縫多發生于混凝土澆筑完成的中后期。

2.3 塑性裂縫

塑性裂縫主要發生在混凝土未凝固前，由于混凝土表面過快失水產生塑性收縮。造成塑性裂縫的原因主要為：混凝土未凝固前，強度較小或幾乎無強度時，在受到外界高溫、低濕、大風天氣的影響下，混凝土外表面水分迅速散失，導致毛細管產生較大負壓。混凝土體積急劇收縮，一旦混凝土收縮超過其抗拉強度，就會導致在混凝土外表面形成龜裂[2]。該項目所在地區晝夜溫差較大，且白天溫度高、濕度小，如若混凝土保濕養護不到位就會出現塑性裂縫。

3 大溫差低濕度環境超大建筑屋面混凝土裂縫控制

3.1 嚴選混凝土原材

3.1.1 水泥

在大溫差環境下，降低水泥水化反應釋放的水化熱、減小混凝土內外溫差是防止溫度裂縫的關鍵舉措。因此，對于大體積混凝土尤其是該項目中的超大建筑屋面而言，應優先選擇低水化熱或中熱水泥，如火山灰水泥、粉煤灰水泥、礦渣水泥等。水泥除應滿足國家的相關規范要求外，應控制水泥的比表面積≤350㎡/㎏，進場溫度≤60℃，對于溫度超過60℃的水泥不得用于施工。

3.1.2 骨料

在保證建筑屋面混凝土強度的前提下，優先選擇連續級配骨料，其中，粗骨料為粒徑5～15 mm的石子，針片狀顆粒含量不得超過15%，細骨料選擇細度模數25左右的中砂，含泥量不得超過1%，如此才能保證獲得足夠小的孔隙率，進而減少單位體積的水泥用量，降低水泥水化熱、減少干縮、控制裂縫的發展[3]。

3.1.3 外加劑

摻加適宜比例的粉煤灰，能夠顯著增加混凝土密實度、減少水泥用量、提高混凝土抗滲性，進而大大改善混凝土的工作性能，減少最終混凝土的干縮值，并降低混凝土內因水泥水化熱而導致的內部溫度驟升，減小混凝土內外部溫度差，防止混凝土結構出現溫度裂縫，是控制混凝土溫度裂縫生成最重要的摻合料之一。

防水劑能夠在不改變混凝土配合比的前提下，有效提升混凝土的和易性，并促使混凝土硬化后水泥漿形成較為均勻密實的微晶結構。同時，通過合理摻加防水劑，能夠有效減少混凝土中的用水量，進而提高混凝土的抗凍性與耐久性。該建筑屋面施工中，混凝土中摻加了WK-HEA抗裂型防水劑，大大提高了混凝土的抗裂性能，減少了屋面干縮裂縫的生成幾率。

3.2 優化配合比

混凝土配合比是否合理直接決定著混凝土的強度、抗滲性、坍落度、收縮率以及初終凝時間等關鍵性能參數，因此，混凝土配合比設計務須要結合項目工藝特點、設計要求、當地氣候環境以及摻加粉煤灰的影響、施工現場情況等因素，并經試驗室試配后最終確定。該項目原混凝土設計摻加抗裂型防水劑，摻量為水泥用量的8%，摻加的外加劑與水泥用量進行等量代替，同時結合現場實際在混凝土中摻加25%～30%不低于Ⅱ級的粉煤灰。

正式施工前，按照設計配合比進行試配后檢測試塊強度，檢測發現設計配合比中的水泥用量不合理，水泥用量不足致使混凝土強度增長較慢且終凝后強度偏低，尤其是在超大面積混凝土施工中，極易因抗拉強度不足而出現收縮裂縫。因此，經現場試驗后對水泥用量進行調整，優化配合比，有效保證了混凝土的強度，降低了裂縫的生成幾率。

3.3 設置膨脹帶

在建筑屋面混凝土長度超長且超過伸縮縫規定的最大間距時，則不分段設置伸縮縫，而是采取在混凝土內摻加適宜比例的微膨脹劑，并在收縮應力最大位置設置膨脹帶，使其在相應結構位置建立預應力場，以減小或消除因混凝土干燥收縮或溫度變形而引發的拉應力。

該建筑屋面因工藝要求，導致長度超長且無法進行伸縮縫設置，故而采取增設膨脹帶的無縫技術。通過合理設置膨脹帶能夠有效降低或消除混凝土收縮裂縫、減小或取消伸縮縫設置且能延長構件連續澆筑長度，在該建筑屋面不能設置伸縮縫時，有效確保混凝土的施工質量[4]。該項目建筑屋面每間隔約35 m設置1道膨脹帶，膨脹帶寬度為2 m，并增設φ8 mm@200 mm的附加鋼筋，同時，膨脹帶內所用混凝土等級應高出一級。

3.4 增設鋼筋網片

該項目超大建筑屋面保護層最初設計為厚度4 cm的C20細石混凝土，保護層混凝土厚度較小，在大溫差、低濕度環境下，混凝土水分散失快而易于出現干縮裂縫。為防止混凝土過早出現開裂，改為在混凝土內增設鋼筋網片，規格為φ6.5 mm@200 mm，以進一步提升保護層混凝土的抗開裂能力。同時，考慮到保護層混凝土分格縫設置間隔（大縫2 m一道），故在鋼筋網片制作時按照1.9 m×1.9 m的尺寸進行綁扎，網片之間按照20 cm間距進行留設，以便于進行切縫。

3.5 施行分倉澆筑

該項目建筑屋面面積超大，為改善施工約束條件，減少溫度應力及水分蒸發收縮的影響，故將屋面混凝土施工劃分為若干小塊，即采取分塊分倉澆筑。按照“分倉施工、整體成型”的原則，使先澆筑混凝土進行充分收縮變形后，再進行另一分塊混凝土的澆筑，將屋面連接澆筑成為一個整體，利用先澆筑混凝土的抗拉強度來抵抗后澆筑混凝土的收縮應力及溫度應力。同時，采用分倉澆筑不僅可以合理組織流水交叉作業，而且能夠最大限度減小現場施工機械與勞務分配壓力，使作業效率得到大大提升。

3.6 落實溫控舉措

3.6.1 出機溫度控制

為滿足施工現場大溫差、低濕度的作業環境，在攪拌站拌制混凝土時，現場配備專業制冷設備，采用冷水+冰拌合的方式，充分降低混凝土出機溫度。該制冷設備每1 h能夠制5℃冷水12 m3、1.5 mm厚的片冰約1.8 t，冰庫容量為75 t。拌制時通過合理摻加冰片及冷水拌合，保證混凝土出機溫度＜25℃。

3.6.2 入模溫度控制

混凝土澆筑施工中，為有效控制混凝土入模溫度，減少混凝土中水泥的水化熱，該項目安排于夜間溫度較低時進行混凝土澆筑。如此一來便可有效降低了混凝土澆筑后的初始溫度，防止澆筑時溫度過高出現過早硬化而導致的裂縫問題。

3.6.3 溫度監測控制

在超大混凝土結構內部、混凝土外表面以及埋設的冷卻管進出水口設置溫度監測點，從澆筑混凝土時即安排專人對入模溫度、環境溫度以及各個測溫點進行監控，通過溫度監控實現了對混凝土溫度的精準控制，并按要求做好記錄與分析，使混凝土內外溫差不超過25℃，且冷卻管出水溫度不超過40℃。監測過程中一旦發現溫度超標則及時降溫或蓄熱，以有效防止因溫差過大而導致的溫度裂縫。

3.7 施行二次抹壓

混凝土澆筑完成后，采用平板振動尺振搗，邊角位置由人工輔助振搗，振出混凝土內的氣泡，采用刮尺將混凝土面初步整平，并在混凝土初凝前用抹光機將混凝土面抹壓平整，壓實提漿，保證屋面的平整度及觀感。最后，在混凝土終凝前再次采用抹光機對混凝土面予以壓實抹平，初凝前抹壓的作用是壓實、提漿及抹光，終凝后抹壓能夠大大降低混凝土面水分過快蒸發而導致的干縮裂縫，防止細小裂縫的生成及發展，保證混凝土面的外觀質量。需要注意的是，抹壓時應把握好抹壓時機，避免抹壓過晚形成細微裂縫，同時，應結合項目實際適當延長抹壓時間，防止屋面抹壓不足而出現起皮、麻面、蜂窩等質量缺陷[5]。

3.8 設置分格縫

為防止混凝土后期收縮產生裂縫，應在混凝土終凝后且強度達到25%～30%的設計強度時（即開始自由收縮前），對大面積屋面切割分格縫[6]。由于該項目施工正處于夏季，當地白天氣溫高，因此，在完成混凝土澆筑的24 h后即可進行分格縫切割。

切縫應把握好時間，切縫過早縫邊會形成毛邊，切縫過晚會導致混凝土開裂。具體工藝流程如下：首先，分格縫切割前，應結合分格縫間距要求繪制分格縫布置圖，切割時嚴格依照布置圖先嘗試性進行切縫并檢查切縫效果，若切縫無毛邊則可開始大面積切縫，按照“先切大縫，再切小縫”的原則進行切割。其次，切割分格縫時，縫間距通常為4～6 m，該項目由于特殊的氣候，按照1 m間隔設置分格縫，大縫2 m一道，縫寬為1 cm，大縫中間切寬度為8 mm的小縫，縫深為15 mm。最后，在混凝土強度滿足設計強度的要求時，將切縫內的垃圾清理干凈，用熱瀝青將縫逐條灌滿。設置分格縫，有利于混凝土收縮應力釋放，尤其在剪力墻、柱腳位置的應力集中位置，大大緩解了應力傳遞，避免了混凝土裂縫的生成。

3.9 抓好工后養護

該項目超大建筑屋面由于面積較大，因此，加強后期混凝土保溫保濕養護，防止混凝土外表面過快降溫及失水是控制裂縫的關鍵。傳統混凝土養護多采用覆蓋塑料薄膜、棉氈或灑水保濕進行養護，養護方式也較為單一，對于超大面積混凝土而言，單一的養護方式對混凝土裂縫控制極為不利。

本項目結合當地氣候環境特點以及混凝土硬化過程中內外部溫差變化、環境溫度變化等，針對性采取覆蓋PVC薄膜、棉氈+灑水保濕的復合養護方式（圖1）[7]，實行動態養護管理，有效保證了混凝土的質量。具體工藝流程為：混凝土澆筑完成后，邊收光邊覆蓋養護，初凝前采用塑料薄膜覆蓋，防止混凝土表面水分過快散失；然后，在混凝土初凝后將塑料薄膜取掉，并采用打磨收光機及時打磨收光，收光后改用棉氈覆蓋減少混凝土表面熱量快速散失，降低混凝土內外溫差的影響，同時，根據屋面混凝土情況每天定期澆水，棉氈+澆水養護時間應不得少于7 d，養護過程中應確保混凝土時刻保持濕潤，且強度緩慢逐步增長，防止混凝土表面過快失水收縮而產生裂縫。

4 結語

大溫差、低濕度環境下的大體積混凝土本身便極易發生開裂，加之超大建筑屋面的混凝土澆筑面積大、混凝土包裹面小、保護層厚度也小，且因工藝限制往往無法設置伸縮縫，因此多舉措妥當防裂極為關鍵。本項目結合實際，通過嚴選混凝土原材、優化配合比、設置膨脹帶、增設鋼筋網片、施行分倉澆筑、落實溫控舉措、施行二次抹壓、設置分格縫、抓好工后養護等多種舉措，最大程度上減少了超大建筑屋面混凝土裂縫的出現，可供類似項目借鑒參考。

參考文獻

[1] 王馨.炎熱干燥地區大面積混凝土裂縫成因分析與預防措施[J].建材與裝飾，2017（16）：18-19.

[2] 王力軍，王朗坤，項海玲.重型動荷載電站開關柜室屋面裂縫分析及防水技術探討[J].水利建設與管理，2019，39（5）：30-33+29.

[3] 孟召虎，胡志文，袁科明，等.大溫差干燥環境下超大屋面混凝土裂縫控制關鍵技術[J].建筑施工，2020，42（1）：48-50.

[4] 姜順宏，熊濤，肖高專.高海拔大溫差氣候大體積混凝土裂縫控制技術[C]//.水庫大壩和水電站建設與運行管理新進展，2022：572-579.

[5] 蔡暢，熊濤，肖高專.高海拔大溫差氣候大體積混凝土裂縫控制技術[J].水電與新能源，2021，35（11）：38-41+44.

[6] 潘智.淺析降低高溫差地區混凝土溫度裂縫缺陷率[J].黑龍江水利科技，2020，48（2）：124-127.

[7] 羅奮強.中東地區分布基礎混凝土裂縫成因與預防措施[J].中國水電三局施工技術，2021（2）：65-69.