地下室超長混凝土結構裂縫控制技術探討

潘玉珀，高善友，續宗廣，王 帥，朱永濤，張海旭，邵珠令（中國建筑第八工程局第二建設有限公司，山東 濟南 250014）

通過在混凝土結構中增加預應力筋和添加抗裂纖維，可以抵抗混凝土后期收縮和溫度引起變形產生的拉應力，避免受力裂縫的產生，同時通過優化混凝土原材料及配合比設計，設置膨脹加強帶，采取適當施工工藝和養護措施等進一步控制裂縫的產生，可以有效解決結構的抗裂問題。

1 工程概況

石家莊某展覽中心位于河北省石家莊市中心商務區東北部正定新區，項目占地為 64.4 萬 m2，總建筑面積 35.9 萬 m2，是大型綜合性的多功能會展建筑，也是目前北方較大會展中心，世界較大懸索結構建筑。該工程地下室主要由會議中心和中央大廳地下結構以及 A、D 標準展廳地下結構組成（圖 1），會議中心和中央大廳地下結構長 663.0 m，南北寬 133.2 m，A、D 標準展廳部分地下結構長 180.6 m，寬 153.5 m，雖然該工程結構超長，但考慮到結構整體性要求，整個地下室未設置任何永久性結構縫。本工程地下室底板及頂板外墻均為超大超長鋼筋混凝土結構，且變截面部位易產生應力集中，如何保證超大超長結構的結構安全性和結構的抗裂防水效果，是本工程的施工技術難點。

鑒于本工程的復雜性和技術難度，采用了優化混凝土配比和后澆帶設置，增加預應力，添加高性能纖維復合膨脹劑等綜合抗裂措施，來控制結構有害裂縫的產生。

圖1 地下室結構平面組成

2 超長混凝土結構控制裂縫的措施

混凝土結構物的裂縫類型主要有干縮裂縫、塑性收縮裂縫、沉降裂縫、溫差裂縫、荷載裂縫以及化學反應引起的裂縫。在混凝土結構中裂縫無法完全避免，只是應將裂縫控制在符合規范要求范圍內，使其不致發展成有害裂縫。實際設計施工中著重從提高混凝土自身抗裂能力、釋放引起混凝土裂縫的應力兩方面解決混凝土結構裂縫問題。石家莊國際展覽中心從配比設計優化、外加劑選用、施加預應力、合理設置施工后澆帶以及適當的養護及施工工藝等方面綜合考慮。

2.1 混凝土配比設計優化

由于建筑功能及使用要求，本工程混凝土結構未設置任何永久性結構縫，設計對混凝土自身抗滲防裂提出了更高的要求。混凝土收縮是引起超長大面積混凝土結構開裂的主要原因之一，混凝土原材料及配合比決定了混凝土的收縮變形和力學性能，為降低大體積混凝土收縮影響，合理選擇凝土原材料和優化配合比設計，對材料自身的收縮和抗裂性能實施有效控制，是混凝土結構裂縫控制的最基本途徑。本工程底板及外墻混凝土選用了強度等級為 C 40，抗滲等級為 P 6的混凝土，同時應符合以下要求。

(1) 選用水化熱低和凝結時間長的水泥(低熱礦渣硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥等)，并摻入一定量的粉煤灰、緩凝劑及高效減水劑，粉煤灰的等級應 ≥I 級。摻加粉煤灰能在保證混凝土強度有效地減小水化熱，延遲峰溫出現的時間。所用外加劑應具有標明產品主要成分的產品說明書、出廠檢驗報告和合格證、摻外加劑混凝土的性能檢驗報告。

(2) 嚴格控制粗、細集料的含泥量和級配，采用碎石集料配置混凝土，粗集料選用粒徑為 5～31.5 mm 連續級配、干濕變形小的石灰巖碎石。細集料選用細度模數 2.30～2.90 左右的中砂，砂率在 41%～45% 之間，在滿足可泵性的前提下，盡量降低砂率。坍落度在滿足泵送條件下盡量選用小值，減少收縮變形，砂含泥量控制在 2% 以下。

(3) 利用混凝土后期強度（60 d）代替 28 d 強度進行配合比設計，減少水泥用量。

2.2 添加高性能纖維混合混凝土膨脹劑

混凝土的溫度和收縮應力是造成混凝土產生裂縫的主要原因之一。石家莊某展覽中心的地下室外墻、筏板基礎、地下室頂板混凝土內均摻加了約 8%～10% 的高性能纖維復合膨脹劑，后澆帶內混凝土內高性能纖維復合膨脹劑摻量提高至 12%，要求聚丙烯纖維含量為 100%，φ≤40 μm，抗拉強度 ≥600 MPa。添加抗裂膨脹劑后的混凝土可在水化硬化過程中產生一定量預壓應力，由此抵抗混凝土收縮變形產生的拉應力。同時在混凝土中均勻分布的聚丙烯纖維，具有較高的抗拉強度和彈性模量，同時降低了混凝土內部的孔隙率，亦增強了混凝土的韌性和凝聚力，起到了物理抗裂作用。添加高性能纖維復合膨脹劑后的混凝土抗拉強度顯著增大，抗沖擊和抗裂性能亦顯著改善，可以有效防止混凝土維系裂縫的產生和發展。

2.3 施加預應力抵消混凝土拉應力

在混凝土中加入抗裂纖維后對預防混凝土的塑性收縮裂縫有利，但對于溫度應力作用下所產生的裂縫作用有限。通過在混凝土結構中施加預應力的方式，使混凝土構件產生預壓應力，在增強混凝土構件整體性的同時，還可以抵消混凝土硬化過程中因收縮而產生的拉應力，使結構不出現裂縫或推遲裂縫出現的時間，增加構件的耐久性。

石家莊國際展覽中心工程在地下室底板、外墻和頂板設計中增加了緩黏結預應力筋，鋼絞線總量約 3 300 t，選用 1 X 7-15.2 Φs 15.2 高強度低松弛預應力筋，最長達到 60 m以上。預應力分布范圍詳見圖 2 所示的陰影區域，陰影線條代表預應力筋方向。

圖2 地下室基礎底板無黏結預應力筋布置

應當注意的是，超長混凝土結構的預應力張拉，應考慮各施工段張拉順序的影響，避免張拉過程中，造成應力集中或分布不均造成混凝土開裂。石家莊國際展覽中心地下室底板按照后澆帶總共劃分為 33 個施工段，為保證張拉過程中預應力的平穩安全，并減少預應力張拉過程中對后澆帶的影響，各施工段的預應力的張拉首先從中間開始，南北對稱張拉施工段內的縱向預應力筋，待后澆帶混凝土強度達到要求后，以中間施工段為中心，東西兩側對稱張拉橫向預應力筋（圖 3）。B 區以 B 12 施工段為中心，向東西兩側對稱張拉橫向預應力筋，張拉具體順序：B 12、B 11、B 13、B 10、B 14、B 9、B 15、B 8、B 16、B 7、B 17、B 6、B 18、B 5、B 19、B 4、B 20、B 3、B 21、B 3、B 22、B 2、B 23、B 1。A 區以 A 3 施工段為中心，向東西兩側對稱張拉橫向預應力筋，具體張拉順序：A 3、A 2、A 4、A 1、A 5。D 區以 D 3 施工段為中心，向東西兩側對稱張拉橫向預應力筋，具體順序：D 3、D 2、D 、D 1、D 5。

圖3 預應力張拉順序

2.4 合理設置后澆帶和加強帶

通過合理設置施工后澆帶，減少每次澆筑長度，可以防止混凝土的水化熱堆積，減少溫度應力的產生。設置施工后澆帶的初衷是防止混凝土裂縫的產生，但后澆帶混凝土的干縮極易在新老混凝土的連接處產生裂縫。為保證混凝土整體質量，需要對后澆帶劃分進行合理布置，并在必要時用膨脹加強帶代替后澆帶。

石家莊國際展覽中心地下室按照結構形式，滿足設計和規范的前提下，同時為便于施工，合理劃分后澆帶。地下室筏板上總共設置了 33 個施工段，施工段間設 800 mm 寬后澆帶，施工段寬度在 25～54 m 之間。同時在便于施工的條件下，為提高混凝土結構整體性，在南北向不宜設置后澆帶的部位，根據收縮應力，每個施工段設置1～3 道 2 m 寬膨脹加強帶。為減少后澆帶間裂縫的產生，后澆帶位置適當增加 15% 的水平構造鋼筋進行加強。

2.5 采取適當的養護及施工工藝

混凝土的運輸時間要盡量縮短，保證入模溫度＞5 ℃。筏板和頂板混凝土澆筑時減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱，采用“分段定點，一個坡度，薄層澆筑，循序漸進，一次到頂的方法”，同時為避免冷縫產生，上下層混凝土澆筑間隔不能超過初凝時間。為保證混凝土澆筑質量，在每個澆筑帶位置要同時布置兩道以上振搗器，同時需要注意加強混凝土的二次振搗和二次抹壓，在初凝前利用磨光機打磨壓實，減少混凝土的收縮裂縫。

混凝土澆筑后及時采取保溫保濕措施，防止表面失水過快造成混凝土表面產生收縮變形裂縫，可采用塑料薄膜包裹和毛氈覆蓋；也可采用蓄水養護，同時應特別應注意混凝土澆筑的早期養護，盡量利用混凝土的自身特性比如應力松弛效應，使混凝土抗拉強度及早生成；不過早拆模，防止混凝土裂縫的產生。

2.6 加強混凝土測溫

控制混凝土內部的溫升對于大體積混凝土施工非常重要，為掌握大體積混凝土內部溫度變化情況，隨時調節控制混凝土內的溫度，石家莊國際展覽中心在地下室共分了 33 個區進行測溫，每個區布置 4 個測溫點，測溫點放置測量混凝土底部（筏板底面上 50 mm 處）、中部和上表面溫度（筏板頂面下 50 mm 處），且厚度方向測溫點間距 ≤600 mm。通過混凝土監測結果，及時反饋現場大體積混凝土內溫度變化實際情況，根據檢測情況，為工程技術和施工人員及時調整養護措施提供科學依據。

2.7 其他措施

混凝土結構成型后，在條件允許時應盡快回填，回填土對混凝土結構養護非常有利，可以有利預防裂縫產生。同時混凝土澆筑過程中應加強成品保護，可以采取鋪設道路等方式避免對鋼筋擾動導致的混凝土裂縫出現。此外混凝土結構成型后應避免過早施加荷載，防止任意踩踏以及大型設備及車輛的碾壓，因為過早施加荷載也是導致混凝土裂縫產生的一大因素。

3 結 語

本工程通過混凝土配比設計優化、添加高性能纖維混合混凝土膨脹劑、施加預應力、合理設置后澆帶和加強帶等一系列的綜合抗裂技術措施，以及適當的養護及施工工藝，對超長混凝土結構的整體性和耐久性起到了非常重要作用，有效地改善了混凝土的內在質量，大大地減少了超長混凝土裂縫的產生。經過兩年使用后，整個地下室區域內的混凝土均未出現明顯裂縫，應用效果良好。該綜合施工技術為同類超長超寬混凝土施工提供了技術依據和施工經驗，具有很好的推廣意義。