超長混凝土結構裂縫控制施工技術研究

黃建偉，王寧龍，王遠航

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

1 引言

本文對超長混凝土結構裂縫控制技術展開研究，從相關調查中了解到：常見裂縫多有微觀與宏觀兩種類型。前者指肉眼難見的裂縫，可在工業酒精輔助下得以顯現。后者是指肉眼清晰可見的裂縫，整體呈現同向開裂特征。裂縫的出現既會破壞結構性能、影響建筑物質量，又會縮短工程項目的使用年限。因此，應對其實施有效控制，以技術手段避免結構開裂，是目前維護超長混凝土結構完整度的重要舉措。

2 超長混凝土結構裂縫形成原因

外界環境的變化容易引發超長混凝土結構裂縫，原因是溫度驟然變化形成較大的溫差時，混凝土結構內部出現溫度應力，當溫度應力超過混凝土結構的抗拉強度時，就會產生裂縫。根據對溫差條件相關資料的整理，能夠推斷出溫度對結構裂縫的影響程度（見表1）。同時，裂縫的形成還源于高荷載與地基變形。前者是在超出結構荷載極限的前提下，造成混凝土結構達不到抗壓標準，因此出現裂縫，其形態如圖1 所示。后者是在地基產生不均勻沉降的情況下，混凝土結構受力不均勻，致使混凝土結構剛度下降而出現裂縫[1]，尤其是地基變形可能會產生較大的應力差，嚴重情況下可能會導致混凝土結構表現出現貫穿性裂縫，嚴重影響了建筑結構的穩定性[2]。另外，在施工結束后受到水分蒸發速度以及混凝土干縮等問題影響也會引發裂縫。

圖1 混凝土結構裂縫現場圖

表1 溫度因素下對結構影響程度的調查結果

3 超長混凝土結構裂縫控制施工技術關鍵點

3.1 混凝土開裂評價

為保證超長混凝土結構的裂縫控制與精準施工，需要借助有限元軟件對超長混凝土結構相關參數進行確定，結合仿真建模結果展開動態分析，而后經過對施工方案的完善，消除裂縫隱患。或及早進行裂縫修復，并針對施工流程予以監管，然后判斷在現有施工方案下，是否會加劇開裂風險，以此幫助施工企業提高超長混凝土結構的施工質量[2]。

通常情況下，在混凝土施工過程中，常因施工環境影響混凝土結構的性能，和施工質量，進而使之呈現收縮趨勢，最終產生裂縫。結合三維有限元評價技術，可以利用下述公式求取抗裂指數K：

式中，fcp為混凝土塑性抗拉強度，MPa；kcp為混凝土結構毛細負壓，MPa。

在該技術導向下，可以提前預測混凝土材料出現裂縫的可能性，然后在攪拌站加強對混凝土材料的科學配制，如調整配合比等。同時，在三維有限元分析中，還可以對比不同砂漿材料對混凝土質量參數的影響。如砂漿材料的強度越高，對應的毛細負壓指標越高，其間形成的抗裂能力越強。

另外，在抗裂評價中，還可以利用式（2）確定抗裂性能評價指標：

式中，E為彈性模量；R為約束系數；ε 為徐變；α 抗拉強度指數；ΔT為形變溫度差，℃；φ 為收縮量，mm。在三維有限元軟件的輔助下，對混凝土材料的最佳配合比及其性能關系進行比較，從中選出最優配合比及材料，由此保證當前建筑工程施工中使用的混凝土材料具有較強的抗裂性能。

3.2 預應力技術

在建筑工程施工中控制混凝土裂縫時，最有效的施工技術還包括預應力技術，主要通過為超長混凝土結構施加預應力抵抗結構產生的拉應力，從而避免或延緩裂縫的產生。

以某建筑工程為例，該工程項目為有效杜絕超長混凝土結構裂縫問題，在施工中選擇無黏結預應力施工技術，其中，無黏結預應力筋為抗拉強度標準值達到1 860 MPa 的高強低松弛鋼絞線。同時，考慮到無黏結預應力筋的布設間距與樓板厚度有關，若間距偏大可能會影響樓板的抗裂性能，所以，案例工程項目在綜合上述考慮后，最終計算出地下室頂板無黏結預應力筋的分布間距為300 mm，而第二、第三層樓板的預應力筋間距為500 mm；屋面板的預應力筋間距為400 mm。同時考慮到抵抗溫度應力等因素影響后，項目中預應力筋采用直線布置方法，使張拉期間產生的應力損失較小。根據計算結果顯示屋面板壓應力達到了2.3 MPa，能夠抵抗溫度應力，使樓板處于合理的受壓狀態下，避免開裂問題發生。

3.3 混凝土施工技術

在超長混凝土結構裂縫控制中，施工工藝的改進也是避免裂縫發生的關鍵，根據施工經驗，在施工管理中應重點關注以下幾方面內容。

3.3.1 控制混凝土的出機以及澆筑溫度

在超長混凝土結構施工期間，應盡可能控制混凝土總溫升，以減小結構內外的溫差。在我國的相關規定中明確提出，混凝土澆筑最高溫度應小于28 ℃，并且應選擇在冬季或者夜晚等低溫環境下澆筑混凝土，避開高溫時段澆筑混凝土。為實現這一目標，目前可采取的工藝是降低混凝土原材料的溫度，例如，混凝土材料中的石子比熱小，但是在混凝土材料中的占比較高，因此，相關人員可以采取相關措施降低石子的溫度，例如，在高溫環境下避免陽光直接照射石子；在使用前灑冷水等，達到快速冷卻的效果。

3.3.2 改進攪拌工藝

1）在混凝土材料攪拌過程中，使用砂漿裹石工藝是降低水分聚積的有效方法，通過該工藝可以增強材料的黏結力，進而顯著提升混凝土強度。

2）針對已經完成澆筑的混凝土材料，可在終凝前做二次振動，這種施工方法有助于清除因為混凝土泌水產生的水分與孔隙，強化混凝土結構的抗拉強度，提升抗裂性能。

3）改進養護工藝中，通過保溫的方法減少超長混凝土結構內外部的溫差，避免裂縫產生[3]。

3.4 優化混凝土配比方案

根據現有工程項目的施工經驗，混凝土配比設計優化對于超長混凝土結構抗裂有積極作用，這也是實現混凝土結構抗裂的最常見手段。在混凝土配比優化期間，相關人員應重點關注以下內容：

1）應優先選擇凝結時間長、水化熱低的原材料，包括中熱硅酸鹽水泥或者迪特礦渣硅酸鹽水泥等，并向原材料中添加少量的減水劑以及粉煤灰等，其中，粉煤灰等級應≥1 級，這種處理方案的目的是減少水化熱，并推遲混凝土結構中溫度峰值出現的時間。

2）控制粗細集料的級配以及含泥量。目前粗集料普遍選擇粒徑為5～30 mm 的連續級配、干濕變形小的碎石；細集料可選擇細度模數為2.3～2.9 的中砂，理想砂率為45%。同時考慮到現場泵送施工的要求，可盡量控制混凝土材料的坍落度。

3）可在原材料配比方案中用混凝土后期強度（60 d 強度）來取代28 d 強度完成配比。

隨著相關技術的發展，越來越多的學者開始在超長混凝土原材料結構中進行創新，并將其作為預防混凝土結構破壞的重要組成部分，也取得了令人滿意的效果。例如，某項目在筏板基礎、地下室外墻等混凝土結構施工中摻加了約8%的高性能纖維復合膨脹劑，在后澆帶施工中將高性能纖維復合膨脹劑的摻加量提升至12%。因為該膨脹劑在原材料上進行了創新，其中添加的聚丙烯纖維可以提供較高的彈性模量，這一物理性質可以有效降低混凝土孔隙率，實現了超長混凝土結構抗裂性能的提高，并且從物理性能上來看，使用該材料后的超長混凝土結構的抗沖擊力更強，能夠抵擋因為溫度應力而出現的混凝土裂縫。

3.5 施工現場智能測溫技術

定期測溫也是施工中抵御裂縫風險的重要途徑。為了減輕現場負責人以及施工員的測溫工作負擔，可以在施工現場采用智能測溫技術，例如，可以在混凝土結構表面安裝溫度傳感器，隨時掌握結構表面溫度的變化規律，以便在灑水養護、覆膜養護等措施輔助下，有效避免溫度裂縫。另外，也可以使用測溫儀。如市面上推廣范圍較大的HC-TW80 大體積無線混凝土測溫儀，若在施工期間使用該系統，可以加強對溫度的合理控制。對于施工企業使用的智能測溫手段，除了考慮測溫性能外，還要對技術成本予以考慮，防止投入較大，導致后續工程成本超出預期標準，并且進行規范化、信息化施工，并改善結構性能，建設高質量建筑物。

4 結語

本文對超長混凝土結構裂縫進行研究調查，分析裂縫形成原因，提出通過開裂評價技術、預應力施工技術、混凝土施工技術以及現場智能測溫技術的有效應用，確保超長混凝土結構裂縫得到合理控制，為高質量施工目標的達成提供新思路。