大體積混凝土防裂控制技術及管理措施

呂立志（中國核工業二四建設有限公司，河北 廊坊 065000）

混凝土材料是核電站建設過程中所需的重要基礎材料，施工單位在混凝土材料的使用過程中，依舊存在著管理意識不足、施工不規范、監管力度不足等問題。若想使混凝土施工充分發揮基礎性作用，施工單位要把握好每一個施工環節的質量監控，以質量控制為目標，完善自身管理能力，最大限度減少混凝土裂縫的產生，并針對裂縫現象采取積極有效的補救措施。

1 大體積混凝土裂縫出現的原因

1.1 施工人員專業性不足

施工人員是建筑施工工作的主體，其綜合素質、專業能力直接影響著混凝土施工質量，其專業性不足主要體現在以下幾個方面：首先是文化水平不高。施工人員以農民工群體為主，他們受教育和學習能力有限，無法認識到混凝土施工中質量管控的重要性，對于現場施工技術知識和注意事項認識不足。因此，對于施工過程中采取的先進技術了解較少，在實際操作過程中會產生很多失誤，造成工程質量缺陷。同時，土木工程建筑建設周期較長，農民工群體的流動性較強，導致一個建設項目會更換好幾批施工人員，員工施工素質和綜合能力得不到有效培養，在施工過程中極易造成偏差，影響工程質量。其次是綜合素質不足。建筑施工過程中，工序和部門之間存在交叉，有時需要不同部門共同進行，導致施工人員之間不可避免地會產生矛盾，而施工人員綜合素質不足，難以很好地解決矛盾，導致在工作中帶著情緒，對工程質量造成影響。最后是現場技術人員缺失。綜合以往混凝土裂縫導致的工程質量問題來看，施工工程中所配備的技術人員數量遠遠達不到要求，這導致現場施工時缺乏專業人員指導，施工人員盲目進行施工。

1.2 缺乏有效的溫度控制措施

大體積混凝土建筑施工一般都是在室外進行，很容易受到溫度變化的影響，另外在施工的過程中，混凝土澆筑時會散發出大量的熱量，其內部和表面會存在較大的溫差，從而導致一定的溫度應力產生，隨著溫度的不斷升高，應力會不斷增大，最終導致混凝土裂縫的產生。在夏季與冬季施工過程中，晝夜溫差較大會導致混凝土內部與表面溫差加大，而建筑工程中對混凝土的保溫措施僅僅是采用土工布覆蓋以及灑水保濕，這在一定程度上有助于緩解內外溫差過大的問題，但是難以對混凝土溫差進行精準把控。另一方面混凝土自身也存在塌縮，就混凝土結構來說，通常會產生一定的自縮現象，若是對此未加以重視并采取一定的控制措施，也會導致裂縫的產生。

1.3 施工行為和材料質量導致裂縫產生

不同標號混凝土的配合比會存在差異，這也導致其強度不同，在實際施工過程中部分混凝土生產商在制作混凝土的過程中會采用不合格的原材料，導致混凝土強度與質量下降，同時，混凝土大多是在固定地點進行統一制作，之后再通過混凝土轉運車運送到施工地點，在轉運過程中極易混入雜質，同時在轉運的過程中會存在轉運路程過長的現象，到達施工地點后，罐內氣溫過高會蒸發混凝土內的水分，導致干結現象的產生，或是司機在施工現場向罐體內添加過量的水，破壞了混凝土配合比。在現場施工時未對施工部位進行整理清潔，導致混凝土內混入大量雜物，加上后期未進行及時的養護作業等，這些原因都會導致混凝土裂縫的產生。

1.4 抗輻射混凝土特殊性質

核電站在建設與使用過程中不可避免的一個問題便是如何處理核輻射問題。當前我國核電站采取的大多是建造混凝土保護殼的方式來削弱核輻射對于周圍環境的影響，例如福建福清核電5 號機組，采用了雙層結構，由內外兩層鋼筋混凝土再加上中間的不銹鋼板構成，而這兩層混凝土結構所使用的原料有著特殊的性質。根據研究，混凝土結構有效滿足隔離核輻射需要達到兩個條件，一方面是其密度和厚度需要達到要求，另一方面其中需要含有硼、鎘、鋰、氫等特定元素，這便導致核電站所使用的混凝土具備日常建筑工程中的混凝土所不具備的特殊性質，對于混凝土原料的質量和比例也就有著更為嚴格的要求。也正是這些特定元素的加入，導致混凝土整體化學性質會有所改變，在凝固的過程中會發生化學反應，導致混凝土裂縫的產生，而一旦產生裂縫會導致混凝土密度與厚度無法達到要求。

2 核電站大體積混凝土防裂施工技術

2.1 加強混凝土結構設計及施工技術管控

結構設計是采用中低強度的混凝土進行施工來加強混凝土質量，避免表面裂縫的產生，同時，加大整體結構中承載鋼筋的數量來降低裂縫的寬度，保證整體建筑結構的強度，同時在施工過程中根據溫度變化設置水平施工縫。在混凝土施工過程中，遇到大方量混凝土施工時，要進行分層澆筑并檢查高度，在下層混凝土凝固之前完成上層混凝土澆筑，這樣可以有效減少冷縫的產生，同時整體澆筑過程中混凝土需要以勻速進行傾倒。為了減少氣溫的影響，盡量選擇晝夜溫差較小的適當的溫度環境進行施工，在天氣炎熱的夏季還需要做好防曬和降溫工作，采用灑水養護的方式控制混凝土內外溫差。以某核電站大體積混凝土施工前預測溫度與實測溫度為例，可以測算出施工中內外溫差產生應力，見表1。

表1 大體積混凝土施工中溫度及應力變化

由表1可知，混凝土施工過程所產生的拉伸應力與預先計算結果基本相符，在施工過程中可以通過結構設計和技術管控的方式進行裂縫防治。

2.1.1 采取措施減少環境對混凝土影響

混凝土在施工過程中會產生大量熱量，大體積混凝土建筑內外溫差不平衡會產生不同的拉伸應力，由此造成混凝土裂縫的產生。而核電站大體積混凝土施工過程中所產生的熱量和內外溫差應力，則會對建筑造成更大的影響。表2 為不同表面覆蓋對混凝土溫度的影響。

表2 不同表面覆蓋對混凝土溫度的影響

首先，需要選擇0.14mm 厚的普通塑料膜或毛氈布，采取一層塑料膜配三層毛氈布的方式對混凝土結構進行覆蓋；其次，需要改進配比，在混凝土中添加具有剛性的混合添加劑，減少混凝土水泥的使用量，之后在混凝土混合制作的過程中，采取水冷的方式對混凝土進行降溫，在澆筑過程中需要按照操作規范進行拆模和保溫，減小混凝土自身與外界溫度導致的溫差；最后在嚴冬季節需要注重對于長期暴露的薄壁結構的保暖。在混凝土澆筑后也需要注重養護作業，及時的調理可以降低混凝土內外的溫差,使混凝土澆筑后溫度下降速度變得緩慢，減少混凝土自身的約束應力，提高混凝土的抗裂性，有效減少了溫度裂縫的發生。進行適當的保溫處理，能夠緩解混凝土澆筑后溫度的下降速度，保持內外的溫度差異的平衡,使混凝土表面的應力緩和，防止出現裂紋等引起的收縮裂縫。

2.1.2 采用分層分段的施工方式

核電站大體積混凝土建筑工程量較大，難以一次性澆筑完成。以核電站地板為例，其平均厚度為4m，最厚處達到了14.35m，混凝土方量巨大，并且鋼筋用量達到了7246t，此種情況之下需要采取分層分段方式進行施工。若是采用一次性整體澆筑的方式，一方面會由于體積過大導致混凝土澆筑不均衡，另一方面施工過程中產生的大量熱量會積聚在混凝土內部，出現建筑外部冷卻快而內部溫度持續上升，由此造成更大的內外溫差。采取分層分段的方式進行施工，可以減少混凝土內部約束，并且已經澆筑完成的面可以作為新的散熱面使用，及時吸收施工過程中產生的熱量，降低溫度應力。在施工中根據混凝土建筑體積特點，采取“中心開花，對稱施工”的方式，將整體結構進行合理劃分，例如巴基斯坦核電站在底板施工過程中將其劃分為8層17 塊，將14m 厚的底板分為1m～4m 較薄厚度，從混凝土用量上，劃分為300m3～2800m3的小塊進行施工，在施工過程中注重澆筑間隔，根據混凝土使用方量多少進行合理的時間控制，以確保混凝土完全冷卻。

2.2 降低混凝土澆筑溫度

2.2.1 降低混凝土溫度

在混凝土攪拌過程中，可以采用冰水或是添加冰屑的方式降低混凝土內部溫度，數據顯示每添加總水量4%的冰屑，可以有效降低1℃的混凝土溫度，所以在混凝土攪拌站中配備制冰機，在攪拌混凝土的過程中加入冰屑，降低混凝土溫度，減少熱量的產生。同時，在混凝土運輸和泵送的過程中，對運輸車和泵送管道采取用水噴淋的方式進行降溫，盡可能減少輸送距離，通過這些方式來降低混凝土溫度。

2.2.2 減少水泥用量

水泥用量不僅僅會影響到混凝土的內部溫度，也會影響到后期施工中熱量的產生，而降低水泥用量可以通過加強材料質量的方式進行控制。施工材料質量是否達標直接關系著整個工程質量是否符合標準。首先，在材料的采購方面，建設單位需要按照國家頒布的材料使用標準進行采購，同時查驗材料與生產廠家的鑒定資料與合格證書等相關文件。對于現場材料，制定專門的存放制度，按照材料特性進行分類存放。在確保材料質量的同時，可以在混凝土中添加石灰石粉，一系列實驗數據表明，添加石粉有利于增強混凝土的和易性、可泵性、泌水性和強度。石粉可以代替部分水泥的作用，同時在混凝土中添加石粉后，可以發現混凝土溫度上升較之前下降了2℃。并且混凝土中還會使用到化學添加劑，例如美國GRACE公司生產的DARATARD17 緩凝型減水劑和WRDA+HYCOL 高效減水劑,可以使水泥用量減少10%～12.5%，而且都不含氯離子，pH值也能滿足施工技術條件的規定。在高溫季節采用緩凝型的D17，低溫期間采用高效減水劑W+H 來降低水泥用量，效果都很好。

2.2.3 及時進行混凝土養護

混凝土澆筑完成后，仍需要進行及時的養護，以往公認的澆水和圍水的養護方式對于大體積混凝土建筑的效果并不是十分明顯，因為這兩種養護方式只能降低混凝土表面溫度，而大體積混凝土內部熱量的傳輸由于受到阻隔，降溫速率較慢，表面溫度一旦下降過快，只會加大內外溫差，這對于預防混凝土開裂來說只會起到反作用。對于大體積混凝土的養護，需要在表面鋪設薄膜，防止水分蒸發，其養護重點在于保濕，在薄膜上再鋪設草料墊等進行保溫，防止表面溫度過快下降，盡可能地保持內外溫度下降速率同步。同時，在日常養護過程中，安裝模板進行固定的側面往往是養護的盲區，在實際施工過程中常常會忽視這一部分的養護，尤其是在模板拆除之后。在模板拆除后立即采用薄膜覆蓋的方式進行保養，可以使側面溫度下降與中心溫度下降速度一致。

2.3 針對裂縫采取修補措施

混凝土裂縫無法完全避免，但對于已產生的裂縫需要及時采取措施進行修補。針對那些因為外力作用導致的混凝土結構超出自身荷載范圍產生的裂縫，可以采用結構補強處理，在混凝土結構設計過程中，對混凝土材料的抗裂性、載荷能力等因素進行綜合分析，保證結構設計科學、合理。如果在混凝土結構設計過程中無法滿足變形變量需求，需要適當增加鋼筋來提高土木工程建筑中混凝土結構的安全性和穩定性，同時也可降低裂縫發生概率。針對那些寬度為0.2mm～0.3mm 的混凝土裂縫，可以采取注漿的方式進行處理，要提前對原有混凝土結構進行徹底清理，分析原有混凝土結構的強度和等級，并按照原有參數配制漿液。隨后將漿液注入混凝土裂縫中，從而使灌注的混凝土漿液與原有混凝土結構形成一體。最后對表面進行處理，針對受損部位嚴重的混凝土結構，需要將裂縫處的雜物或者混凝土材料清理干凈，再利用新材料如聚合物、水泥砂漿、改性聚合物混凝土等進行替換。針對那些漿材難以灌入的細小、深度未達到鋼筋表面且不漏水、不伸縮的裂縫，如蜂窩麻面和不確定漏水位置的裂縫，采取表面涂抹和表面貼補的方法，直接對混凝土結構表面進行處理，從而有效防止裂縫范圍擴大。

2.4 改進抗輻射混凝土配比

研究發現增加混凝土中鐵渣和鋼渣的含量，其抗壓強度會有所增加，在膠凝材料、細集料、赤鐵礦石、水、減水劑的配合比為1：3.11：3.84：0.41：0.01 時，混凝土的性能達到最好。在核電站施工中也會使用到大量的鋼結構，在此過程中會產生大量的鋼渣，將鋼渣加入混凝土中，一方面會增強混凝土性能，另一方面可以對廢料進行再利用，達到保護環境的目的。

3 結語

混凝土裂縫的產生會對工程質量的安全性和穩定性造成影響，甚至會造成重大安全質量事故，尤其是核電站大體積混凝土施工，出現任何一點差錯都會造成巨大的安全隱患。因此，在混凝土施工過程中需要嚴格遵守施工規范進行操作，從而最大限度減少裂縫的產生，針對已產生的裂縫及時采取補救措施，共同保障工程建筑質量安全，在核電站建設過程中不斷引進新的施工技術，促進能源事業的平穩進展。