大體積混凝土梁施工溫度及收縮裂縫的控制分析

劉大鵬 劉 彪 劉 通 趙 博 田振宇

大體積混凝土梁是現代大型建筑工程的主要結構之一，該結構的好壞直接關系到整個建筑建設質量與后續使用效果。但是，大體積混凝土梁由于結構體積較大，澆筑難度較高，很容易受到溫度、收縮應力等因素影響而出現裂縫問題，影響整個建筑的后續使用，增加建筑出現安全事故的概率。因此在大面積混凝土施工過程中，應采取科學、合理的方式對溫度裂縫、收縮裂縫進行控制。

1 大體積混凝土裂縫

大體積混凝土澆筑施工過程中很容易出現裂縫問題，根據裂縫寬度的不同，可將裂縫劃分為2 種類型，一種為微觀裂縫；即寬度低于0.05 mm的裂縫，另一種為宏觀裂縫，即寬度超過0.05 mm 的裂縫。建筑施工過程中出現裂縫問題，將會嚴重影響大體積混凝土的正常應用。

導致大體積混凝土出現裂縫的因素有很多，主要有以下3 點：第1，水化熱。混凝土凝固時，水泥與水反應后會生成大量的水化熱，使得混凝土結構內外溫度存在較大的差異，最高可超過30 ℃。當內外溫差達到一定水平后，會導致結構內部產生較高的溫度應力，在溫度應力的作用下，混凝土結構出現裂縫。第2，內外約束力。混凝土凝固過程中，為了防止混凝土結構出現變形問題，結構外部必然會受到一定的約束力，而當約束應力高于材料的抗拉強度后，即便不預留伸縮縫結構也很容易出現裂縫。第3，環境溫度。大量實踐研究表明，施工現場環境的溫度變化是引發大體積混凝土裂縫的主要原因之一，若周邊環境溫度較高，混凝土澆筑溫度也會較低。反之，若周邊環境溫度較低，混凝土澆筑溫度也會較低。當施工現場溫度出現巨大改變后，會使混凝土澆筑溫度出現變化，使結構內部出現較高的溫度應力，從而引發裂縫問題。

2 工程概況

本文以西安華潤國際文化商業中心項目三、五標段為例，介紹一種大體積混凝土梁施工溫度、收縮裂縫的控制技術。項目位于城市中軸線，毗鄰西安電視塔，是西安城市規劃中的商業新地標，是華潤置地打造未來商業市場里一線的購物中心。該項目致力于打造華潤置地現象級的、具有示范意義的新一代商業綜合體，從品牌層面打造華潤現象級標桿綜合體影響力。

項目總建筑面積約289516 m2，包 含2 棟1 5 0 m 高 塔 樓（ B 塔 辦 公+酒店、C 塔公寓）和1 棟商業裙樓 ，塔樓和裙樓設計有大量超大跨、大截面框架梁，其中塔樓最大梁截面8 0 0 mm×2 0 0 0 mm ，裙 樓 最 大 梁 截面1 0 0 0 mm×1 7 0 0 mm、最大梁跨度2 3.4 m（截面尺寸為8 0 0 mm×14 0 0 mm ）。大體積混凝土梁施工過程中容易出現溫度裂縫或收縮裂縫，因而該項目大體積混凝土梁施工時，施工單位應注重對溫度裂縫與收縮裂縫問題的控制。

3 大體積混凝土梁施工溫度及收縮裂縫的控制技術

3.1 施工過程控制

3.1.1 做好施工準備工作

該項目在大體積混凝土梁結構施工過程中，為了防止出現溫度裂縫與收縮裂縫的問題，施工單位要做好施工準備工作，具體為：

1）材料準備。根據大體積混凝土梁結構施工要求選擇合理的施工材料。選擇水泥時，應在保證水泥性質符合要求的基礎上，選取水化熱較低的水泥，通過水泥水化熱反應釋放熱量的控制，降低結構內部溫度水平，從而防止結構出現溫度裂縫。同時，選擇性質良好的礦渣粉或粉煤灰，用于增加混凝土坍落度，抑制混合料中堿-骨料反應等，以此達到控制結構裂縫的目的。混凝土骨料一般選取中砂，細度模數應超過2.3，級配良好，且含泥量控制在1.5%以內。還要根據工程實際情況，適當選擇減水劑、抗凍劑、緩凝劑等，以此控制結構內部溫度或應力水平，從而防止結構出現裂縫問題[1]。

2）施工現場準備。在施工現場合理位置處構建交通道路，為混凝土的運送提供支持，防止混凝土運送時間過長而導致結構出現裂縫問題。同時，搭建臨時辦公用房、臨時材料存儲用房等，為施工活動的開展打下良好基礎，避免材料現場存儲不當等問題而增加裂縫問題發生率。

3）設備準備。針對施工需求選擇性能良好且數量充足的施工設備，以確保整個混凝土結構澆筑的連貫性，避免澆筑作業突然中斷而導致大體積混凝土梁出現裂縫問題（表1）。

表1 西安華潤國際文化商業中心項目大體積混凝土梁施工設備表

3.1.2 設計最佳的運輸方案

若混凝土運輸不合理，可能導致混凝土出現離析問題，增加大體積混凝土梁結構出現裂縫問題的概率。為了防止該項目大體積混凝土梁施工時出現裂縫問題，混凝土運輸時，應使用混凝土罐車。混凝土裝車前，需將車廂內部的水分排出，并自然晾曬一段時間，確保罐車車廂內部保持干燥。運輸過程中，罐車應在3 ～6 r/min 的條件下慢速旋轉，防止混凝土靜置時間較長而影響均勻性與坍落度；若發現混凝土離析，或是坍落度不符合要求時，應適當加快罐車攪拌速度。

在整個運輸過程中，禁止向混凝土內添加水分。若發現混凝土出現嚴重問題，快速攪拌無法改良混凝土性能時，禁止繼續用于大體積混凝土梁澆筑施工[2]。根據大體積混凝土梁規格尺寸，分別計算出混凝土輸送泵數量與罐車數量，計算公式如式（1）、式（2）所示：

式（1）中，N為混凝土輸送泵所需數量；qn為大體積混凝土梁結構混凝土用量；η 為混凝土泵車工作效率。

式（2）中，n為混凝土罐車所需數量；qm為混凝土泵車排量；Q為罐車容量；l為攪拌站與現場之間的運輸距離；v為罐車行駛速度；t為預估的停車時間。

3.1.3 混凝土澆筑的控制

大體積混凝土梁結構施工通常在夏季，天氣較為炎熱，應采取遮蓋、灑水等方式控制混凝土溫度，將混凝土入模溫度控制在30 ℃以內，防止混凝土入模溫度過高而出現溫度裂縫。混凝土澆筑過程中，應采用分層澆筑的方式，由一端開始，逐漸向另一端進行澆筑，每層厚度控制在500 mm左右。前一層澆筑結束后，應在短時間內進行下一層澆筑，前一層禁止出現初凝現象，避免影響梁澆筑層之間的粘結效果。每層澆筑應連續進行，中間不可中斷；發生中斷時應采用汽車泵繼續澆筑，避免結構中出現施工冷縫。

3.1.4 混凝土振搗的控制

混凝土澆筑施工結束后，應以振動振搗棒為主要工具，對梁結構進行振搗處理，以提升結構的密實度，防止大體積混凝土梁結構后續出現溫度裂縫或收縮裂縫問題。振搗施工過程中，應遵循“快插慢拔、上下抽動”的原則，選擇并列式的方式進行振搗，并在梁結構表面均勻布置振搗點。此外，為了確保大體積混凝土梁結構的振搗效果，還應注重振搗參數的控制，如表2 所示。結構振搗結束后，應通過木抹子對結構表面進行抹平處理，以提升結構表面的平整性[3]。

表2 大體積混凝土振搗參數表

3.1.5 混凝土養護控制

確保大體積混凝土梁結構密實度符合規定要求后，立即對結構進行養護。第1，在結構表面鋪設一層塑料膜與毛氈，根據結構表面情況與施工現場氣候條件，向結構表面噴灑適量水分，用于控制結構內外溫差水平，防止結構內外溫差過大而出現裂縫問題。第2，為防止大體積混凝土結構出現裂縫問題，還應注重養護工作的控制（表3）。

表3 大體積混凝土梁養護控制要求表

3.2 溫控設計

3.2.1 混凝土配合比設計

為了防止大體積混凝土梁結構出現溫度裂縫或收縮裂縫問題，施工單位應針對施工需求設計出最佳的混凝土配合比。在配合比設計過程中，設計部門應先根據各種材料性質，結合以往工作經驗，設計出相應的混凝土配合比方案。

再以此為基礎，通過室內試驗的方式，由設計方、施工方、監理方、業主方等多個部門共同檢查配合比，判斷配合比方案是否存在問題。若存在問題，應及時對配合比予以調節，從而得到最佳的混凝土配合比方案，如表4 所示。

表4 西安華潤國際文化商業中心項目大體積混凝土梁配合比方案表

3.2.2 溫度應力控制

在大體積混凝土梁整個施工周期內，應注重溫度應力的控制，防止結構內部溫度應力過高而產生裂縫。混凝土拌和時，溫度應控制在約35 ℃；混凝土儲罐時，由于采用的是敞開式攪拌機棚，因而出料溫度應與拌和溫度相同，即35 ℃；混凝土澆筑時，采用的是分兩次卸料法，溫度應控制在約31.3 ℃；根據水泥發熱量特性，計算出結構第7 d 的絕熱升溫量，即44.8 ℃；根據混凝土結構厚度，結合絕熱升溫量，計算出結構內部最高溫度，即約54.14 ℃。該項目大體積混凝土梁結構養護時，在結構表面鋪設1 層塑料膜與2 層毛氈，養護保溫層總厚度在約20 mm，以此計算出結構表面最高溫度，即43.6 ℃[4]。

3.2.3 混凝土水化熱溫升與溫降監測

大體積混凝土梁結構施工過程中，需要注重結構水化熱溫升與溫降的監測，為結構內外溫差的控制與調節提供支持。結構溫度檢測時，主要采用的是自動測溫儀與PT100 型溫度傳感器，自動采集結構內外部溫度數據。然后根據大體積混凝土梁結構形狀和尺寸特點，分別布置豎向測溫點與平面測溫點，其中，豎向測溫點主要根據結構頂表面、中心、底表面等區域溫度監測需求而布置；平面測溫點主要根據混凝土澆筑方向、澆筑時間等因素而布置[5]。通過對該項目大體積混凝土梁結構的設計與計算，共布置了17 個監測點。混凝土澆筑施工結束7 d 以內，以1 h 為間隔定時檢測結構溫度；超過第7 d 后，則以3 h 為間隔檢測結構溫度。檢測人員應仔細記錄，為判斷結構內外溫差是否超過規定要求提供支持。當結構內外溫差連續一星期保持穩定，且結構表面與環境之間的溫度差在30 ℃以內時，則停止對結構溫度的繼續監測。

4 裂縫修補

大體積混凝土結構受到收縮應力、溫度變化等因素出現裂縫病害時，應及時采取相應的方式修補，使大體積混凝土質量符合規定要求。其中，常見的裂縫修補方法有以下幾種：

1）表面封閉法是在裂縫表面涂抹一層防水材料，用于對裂縫的填補。該方法用于深度較小（＜0.2 mm）的裂縫，以提升混凝土結構表面的防水性與耐久性，避免水分進一步滲透到混凝凝土結構內部造成更嚴重的損傷，但若裂縫較深則不能應用該方法。

2）壓力注漿法。在一定壓力條件下，將修復材料灌入裂縫中，待泥漿凝固后，即可完成裂縫修補。該方法常用于深度在0.2 ～0.3 mm 范圍內的裂縫，修復材料主要包括水泥、環氧樹脂等。

3）開槽法。用于處理寬度較大的裂縫。先在裂縫周邊一定范圍內開槽，然后均勻涂抹適量的彈性止水劑或剛性止水劑，對裂縫進行密封，避免裂縫進一步擴大而產生更加嚴重的問題。

4）結構加固法。主要用于對長度較長、面積較大或是貫穿裂縫的處理。例根據原混凝土結構強度、穩定性等要求，配置出相應的混凝土，并將該混凝土均勻噴射到混凝土結構表面，待新噴射混凝土凝固后，達到結構加固的目的；或是將原混凝土結構表面進行清理，根據結構具體情況確定預應力桿位置，之后根據要求制作預應力桿，并將預應力桿安裝到預設位置處，通過張拉力的控制后，即可完成裂縫的修復。

5）仿生自修復法。一種新的混凝土結構修復方法，要求配制混凝土時，在不影響混凝土性質的條件下，向混凝土中添加相應的仿生材料，利用這些仿生材料賦予混凝土自我修復的功能。當大體積混凝土結構出現裂縫后，這些仿生材料會自動對混凝土結構進行修復，提升結構強度，使混凝土結構逐漸恢復到正常水平。現代工程領域主要有3 種仿生材料，分別為含有粘合劑的囊狀態、瀝青瑪蹄脂碎石混合料及一些活性微生物，具體應根據工程實際情況選擇。

5 結語

現代建筑大體積混凝土梁施工過程中，不僅要注重施工過程的控制，做好施工準備工作，設計出最佳的混凝土運輸方案，嚴格按照規定要求對混凝土澆筑、振搗及養護，還應通過配合比設計、溫度應力控制、水化熱溫升與溫降的監測，加強對大體積混凝土梁結構溫度的控制，以防止梁結構受到溫度、收縮應力等因素的影響而出現裂縫問題。