超長混凝土結構無縫設計及裂縫控制技術

溫曉龍 時 煒 王 珂

1.陜西建工集團總公司 西安 710003；2.陜西建工集團混凝土有限公司 西安 710077

0 引言

近年來，隨著建筑體量的增大，超長結構的混凝土建筑越來越多。為防止混凝土開裂，設置變形縫成為超長結構控制裂縫最常用的手段之一。然而上述措施給設計、施工和使用帶來一定困擾：如構件多、工期長、成本高、使用面積小等。無縫設計及裂縫控制技術成為解決上述問題的有效途徑。

1 工程概況

西安市某工程為地下2層，地上9層。建筑面積58 520 m2，采用“天然地基+筏形基礎”，框架-剪力墻結構（局部為型鋼混凝土組合結構）。主樓結構總長度156 m，總寬度28.20 m；地下室筏板總長度156.90 m，總寬度56.50 m。柱間距以8.40 m為主，柱網尺寸為8.40 m×9.60 m～6.00 m×9.00 m不等。基礎筏板厚700 mm（局部500 mm），地下室樓板厚180～200 mm，地下室頂板厚180 mm，地上部分樓板厚120～150 mm，屋面結構板厚150～200 mm，地下室外墻厚400 mm。混凝土強度等級分別為C45（5層以下墻、柱）、C40（5層及以下梁、板，5～8層墻、柱）和C35（基礎梁，筏板，5層以上梁、板，8層以上墻、柱）。混凝土抗滲等級為P8。

2 結構無縫設計措施

本工程屬于超長結構混凝土范疇，未設計變形縫。為解決超長結構混凝土的收縮和溫度應力對結構的不利影響，減少裂縫寬度，本工程設計中的主要結構抗裂措施如下：

1）采用纖維混凝土。結構設計中采用纖維混凝土，配合比中添加WPA纖維抗裂膨脹劑，摻量按水泥用量的6%控制。

2）設置后澆帶（圖1）。在主樓和地下室之間考慮不均勻沉降設計1條后澆帶（后澆帶A），在縱向超長結構上考慮環境溫度變化、混凝土收縮等因素設計4條后澆帶（后澆帶B）將建筑縱向劃分成5段，每段長30 m左右。后澆帶寬度均為800 mm，采用高1等級的微膨脹混凝土進行封閉，后澆帶A的封閉時間為主體封頂且沉降趨于穩定后，后澆帶B的封閉時間為兩側混凝土澆筑60 d后。

圖1 設計后澆帶位置示意

3 混凝土施工方案選擇

1）在地下室施工階段，受土方工程流水開挖的限制，并考慮到混凝土的澆筑量大，根據圖1（a）設計后澆帶，于建筑縱向劃分為5段，分5次澆筑，從東向西（～①軸方向）進行流水施工：第1次澆筑軸范圍，第2次澆筑軸范圍，第3次澆筑軸范圍，第4次澆筑⑥～⑨軸范圍，第5次澆筑①～⑥軸范圍。

2）在地上結構施工階段，梁、板的截面尺寸變小，經過與設計溝通，根據圖1（b）保留中間2條后澆帶，按兩大部分軸和①～⑨軸進行澆筑，中間的軸（型鋼混凝土組合結構部分）作為調整段，根據施工情況穿插進行施工。

3）在屋面結構部分按照跳倉法施工，根據圖1（b）將4條后澆帶按施工縫進行留設，劃分為5段，分5次澆筑：第1次澆筑軸范圍，第2次澆筑軸范圍，第3次澆筑①～⑥軸范圍，第4次澆筑軸范圍，第5次澆筑⑥～⑨軸范圍。分倉澆筑間隔時間7～8 d[1-3]。

4 混凝土配制

4.1 技術措施

經過試驗室試配，決定使用SY-A型混凝土阻裂纖維，含量調至0.80 kg/m3。該纖維是經過化學改性和物理改性后獲得的一種具有抗裂、抗滲、抗沖擊、耐磨、耐凍融的新型高分子材料，并經過特殊的防靜電及抗紫外線處理，使纖維在混凝土中分散均勻，能夠長期發揮其抗裂功效。

在滿足混凝土強度、耐久性和工作性要求的前提下，為防止有害裂縫的產生，在混凝土配制過程中采用“多摻”技術，即摻加多種膠凝材料、外摻料及外加劑，以改善混凝土的各項性能。

1）摻加緩凝型高性能減水劑，在確保強度的同時，能夠減少水泥用量、降低水膠比、減少水化熱，同時提高混凝土的和易性及可泵性。

2）摻加優質粉煤灰以起到改善混凝土施工性能、降低水泥用量、延緩水化熱釋放速度及減小收縮的作用，同時可有效提高后期強度及耐久性能，延長混凝土使用壽命。

3）摻加S95級礦粉以起到降低水泥用量、降低絕熱溫升的作用，同時可有效地改善混凝土施工性能，提高混凝土后期強度及抗硫酸鹽侵蝕、抗堿骨料反應、抗氯鹽滲析等耐久性能。

4）摻加AEA-CH膨脹劑，以補償混凝土的硬化收縮，防止伸縮裂縫的出現，提高混凝土的抗滲、抗裂性能。

5）摻加SY-A聚丙烯纖維以改善混凝土的延展性能，提高混凝土的抗拉強度，同時有效地減少混凝土的收縮，防止有害裂縫的出現。

4.2 配合比設計

通過對大摻量粉煤灰混凝土的試配研究，最終確定本工程混凝土的配合比情況如表1所示。水膠比分別為0.34（C45）、0.37（C40）、0.39（C35）和0.41（C35P8），混凝土坍落度均為（180±20）mm。基礎梁和筏板部位混凝土（C35P8）強度評定齡期為60 d，其他部位混凝土強度評定齡期為28 d。

表1 混凝土配合比（單位：kg·m-3）

試配所用的原材料為西安市場常見且質量和供應量較穩定的材料，保證與施工實際使用的原材料一致。混凝土所用各種原材料的技術指標如下：

1）水泥。本工程選用冀東P.O 42.5水泥，活性不低于45 MPa，安定性經檢測合格，同外加劑及摻合料適應性良好。其主要性能符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）標準要求。

2）細骨料。本工程中選用質地堅硬、級配良好的渭河河砂，細度模數為2.70，不含堿活性礦物，經過篩分顆粒級配滿足Ⅱ類Ⅱ區中砂要求，各項指標均符合《建設用砂》（GB/T 14684—2011）標準要求。

3）粗骨料。選用質地堅硬、級配良好的黑河卵石和涇陽碎石，經篩分分析分別為標準Ⅱ類5～31.50 mm卵石和標準Ⅰ類5～25 mm碎石，未見堿活性礦物，其主要技術指標符合《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）標準要求。

4）粉煤灰。本工程采用華能銅川電廠Ⅱ級粉煤灰，其主要性能指標符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2005）標準要求。

5）礦渣粉。采用西安德龍公司生產的S95級粒化高爐礦渣粉，其主要性能指標符合《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》（GB/T 18046—2008）標準要求。

6）泵送減水劑。采用陜西省高新科技開發有限公司生產的LGS-XC聚羧酸高性能減水劑，pH為7.0，減水率30%，具有優越的減水、保塑、泵送性能。符合《混凝土外加劑》（GB 8076—2008）標準要求。

7）膨脹劑。采用西安成銀建材化工廠AEA-CH型膨脹劑，各項性能符合《混凝土膨脹劑》（GB 23439—2009）標準要求。

8）纖維。纖維在混凝土中可起到類似于加強筋的作用，能夠減少混凝土在干縮進程中的拉應力，延緩混凝土開裂。本工程采用武漢源錦建材科技有限公司生產的SY-A型聚丙烯阻裂纖維，其主要技術指標符合《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》（GB/T 21120—2007）標準要求。

9）水。采用飲用自來水，水質符合《混凝土拌合用水標準》（JGJ 63—2006）的規定。

5 裂縫控制技術

5.1 鋼筋施工中的裂縫控制技術

鋼筋對混凝土具有一定的約束作用，合理有效的鋼筋施工措施能夠防止混凝土裂縫的產生。施工中除嚴格按照設計和規范規定的構造措施進行鋼筋布置外，正確控制好鋼筋的混凝土保護層厚度是鋼筋施工中最重要卻易被忽視的裂縫控制技術措施。

在本工程施工中，我們將鋼筋的混凝土保護層厚度控制作為鋼筋施工和驗收的重點進行管理。對板筋采用與混凝土顏色相近的灰色大理石墊塊；墻、柱鋼筋采用高強塑料墊塊。各種墊塊尺寸準確、具有足夠的強度和設置數量，能夠承受鋼筋質量且不易被壓碎。墊塊與鋼筋之間相對固定牢固，不會因振搗混凝土而發生位移。隱蔽驗收時認真檢查墊塊的位置、數量和固定情況。驗收合格后，對后續施工人員加強交底和管理工作，要求操作人員不得破壞墊塊，嚴禁撬、拆鋼筋，防止因墊塊、鋼筋移動而造成混凝土保護層厚度過大、不足或露筋等問題。

5.2 模板施工中的裂縫控制技術

5.2.1 模板支撐體系

模板支撐體系的安全性對控制混凝土裂縫甚至結構安全具有重要意義。根據已審批的施工方案，本工程梁、板和框架柱選用厚15 mm清水木模板，背襯60 mm×80 mm木方，支撐體系為承插型盤扣式腳手架；剪力墻和異形柱選用全鋼大模板。選擇的模板及支撐體系應具有足夠的承載能力、剛度和穩定性，能可靠地承受澆筑混凝土的質量、側壓力以及施工荷載。

施工中嚴格控制支撐體系桿件的縱距、橫距、步距和垂直度。可調托撐的外伸長度控制在規定范圍內，施工中未出現板面下沉、開裂現象。

后澆帶部位的模板與其他部位同時支設但自成體系，拆除梁、板底模時保留后澆帶部位的模板且不得擾動，既可供后期后澆帶澆筑使用，又是后澆帶兩側已澆筑混凝土結構的支撐，以杜絕后澆帶附近梁、板出現裂縫。

5.2.2 模板拆除

墻、柱模板拆除時，在保證結構構件不缺棱掉角、表面不被損傷的情況下即可拆除。梁、板模板拆除時間根據同條件試件的強度報告，模板拆除施工經監理工程師批準后進行。模板拆除時做到文明施工，不對樓層形成沖擊荷載。拆除的模板、支架宜分散堆放并及時清運，避免造成構件裂縫。

5.3 混凝土施工中的裂縫控制技術

5.3.1 混凝土拌制

纖維混凝土的拌制過程與普通混凝土有一定的差異，由混凝土公司安排專人負責SY-A型聚丙烯阻裂纖維的稱重和投料工作。投料順序為：水→外加劑→纖維→細骨料→粗骨料，濕拌1 min后再加入水泥和粉煤灰攪拌3 min。纖維在投放前需充分撕碎，攪拌后以碎裂纖維在混凝土中分散均勻為宜。

5.3.2 混凝土澆筑

混凝土應連續澆筑，一般部位選用φ50 mm振動棒進行振搗，振搗混凝土時振動棒不得碰觸鋼筋及梁、板模板。在梁、柱等節點鋼筋密集處換用φ25 mm振動棒進行振搗，確保不破壞鋼筋，不漏振。

梁、板混凝土采用斜面分層方式進行澆筑，流淌坡度控制在1∶4左右，分層厚度控制在500 mm以內。對已初凝的混凝土不應再次振搗形成“冷縫”，而是待其充分凝固后按施工縫接茬進行處理。

梁與板的截面高度相差較大，先澆筑較深的梁位，澆至板底以下20～30 mm，經過靜停0.15～0.50 h、混凝土表面沉降基本完成后再澆筑較淺部分的板位，并應充分振搗使2次澆筑的混凝土合為一體。

澆筑完畢，在混凝土初凝前進行二次振搗，初凝后對其裸露表面進行人工抹面；終凝前，對混凝土裸露表面進行機械壓光后用毛刷拉毛，防止收水作用產生的非結構性表面裂縫。當發現混凝土表面有細微裂縫時，應及時抹壓以封閉干縮裂縫。

5.3.3 混凝土養護

板面混凝土養護時，待混凝土表面壓光拉毛后立即覆蓋1層塑料薄膜并灑水養護，以減少水分流失。對墻、柱等豎向構件必須做好混凝土早期的保濕養護工作，采用薄膜包裹、小水慢淋的方式，使新澆筑的墻、柱處于潮濕的、溫度相對穩定的環境之中。

6 結語

本工程通過合理的結構設計、嚴格的原材料控制、認真的配合比設計和全方位的施工過程控制，達到了預期的裂縫控制目標，混凝土構件上未發現可見裂縫和滲漏現象，取得了工期縮短、成本降低、施工方便、質量可靠等良好的社會效益和經濟效益，對其他類似超長結構混凝土無縫設計及裂縫控制有一定的參考和借鑒作用。