100 年高耐久、大体积混凝土裂缝控制技术的研究与应用

马安，沈向阳，马鑫峰

（南通固盛建材有限公司，江苏 南通 226000）

1 概述

对本地区混凝土结构长期的观察发现，非大体积的构件尺寸的结构混凝土，其开裂的现象较以往增多，混凝土裂缝会显著劣化混凝土的耐久性，显著加速外部介质的侵蚀，如加快 Cl-、O2、CO2、SO42-等进入混凝土内部的过程，加快混凝土碳化、钢筋表面脱钝锈蚀以及混凝土受硫酸盐腐蚀的速度，同时裂缝还会成为水的便利通道，在混凝土经历干湿、冻融循环时裂缝会继续扩张，从而对耐久性产生显著影响[1]。浇筑成型的混凝土结构处于水化—温度—湿度—约束多场耦合作用的环境，在这种多场耦合作用下会导致混凝土产生收缩变形及内应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗多场耦合作用产生的拉应力时，就会产生裂缝[2]。经不同的机构长期研究发现水化热及温度变化已经成为引起混凝土开裂的主导原因[3]。传统的利用膨胀材料在水化过程中产生的体积膨胀来补偿混凝土的收缩变形是抑制混凝土收缩开裂的措施之一，但经过长时间的工程实践，发现以往单一类型的膨胀剂受其水化特性的限制，对混凝土收缩补偿有限[4]。因此，针对南通轨道交通控制中心的 100年耐久混凝土，主要在温度控制及补偿收缩两方面进行方案设计并实施。

2 工程特点分析

南通轨道交通控制中心及附属工程总建筑面积98800 平方米，其中地下部分 27084 平方米。本工程地下室 2 层，侧墙厚度为 500～600mm，底板厚度一般为1800mm（部分厚 2100mm），通过 2 条后浇带、1 条膨胀加强带将整个地下工程划分四个部分，板式结构一次浇筑超 4500m3，侧墙一次浇筑在 40～80m，受大截面、大体量、超长结构形式及施工工艺等因素影响，构筑物容易在施工阶段就出现因温度收缩以及约束等原因而产生的危害性裂缝。结合本工程的实际情况，工程特点与控制难点如下：

（1）2020 年 9 月中旬开始浇筑底板，10 月中旬浇筑侧墙。9 月份南通地区气温较高，难以有效控制入模温度，控裂难度加大。

（2）侧墙一次性浇筑较长，浇筑后混凝土温度收缩与自收缩叠加且受到较强的外约束，产生的拉应力易超过混凝土抗拉强度，开裂与渗漏风险突出。

（3）底板混凝土属于大体积混凝土结构，浇筑体量大，内部因水化热影响温升高，内外温差与降温收缩易产生温度裂缝的风险，且板式结构暴露面积较大，凝结硬化前还存在塑性开裂风险，此外后期的干燥收缩也不能忽视。

因此，对于该工程结构，需从原材料控制、配合比优化、抗裂功能材料应用、施工措施优化等方面出发，综合运用多项技术，降低工程开裂风险，确保工程质量，提升工程建设水平。

3 工程开裂风险评估

施工期混凝土开裂风险以开裂风险系数 η 作为评价依据。

式中：σ(t)——t 时刻的混凝土最大拉应力，N；

ft(t)——t 时刻的混凝土抗拉强度，MPa。

根据 DB 32/T 3296—2019《江苏省高性能混凝土应用技术规程》混凝土开裂风险评判准则：一般认为 η＞1.0 时混凝土一定会开裂；0.7＜η≤1.0 时混凝土存在较大的开裂风险；η≤0.7 时混凝土基本不会开裂，不开裂保证率≥95%。

为本工程混凝土开裂风险评估建立地下室全断面三维模型如图 1 所示，并计算底板及侧墙混凝土的开裂风险系数 η，如图 2、图 3 所示。

图 1 本工程底板、侧墙三维模型

图 3 C35 侧墙开裂风险评估结果

故南通地区 9 月份浇筑 1.8～2.1m 厚的普通 C35 底板存在开裂风险；0.6m 厚、一次性浇筑长度 60m 的普通 C35 侧墙浇存在极大的开裂风险。

4 裂缝控制总体方案

4.1 控制总则

（1）控制本工程混凝土结构任何时刻开裂风险系数（任意时刻收缩拉应力与抗拉强度比值）不高于阀值。控制 η≤0.7 时，可基本避免收缩开裂；控制η≤1.0 时，可有效降低收缩开裂。

（2）在结构尺寸、约束等条件确定的基础上，采取混凝土材料和施工工艺相结合的措施降低开裂风险，同时充分考虑方案的可行性和经济性。

（3）本方案制定过程中，优先依靠自身材料性能的优化控制开裂风险，若无法将风险系数控制在阈值之下，则采取施工工艺优化以及功能材料等措施。

4.2 裂缝控制总体思路

（1）采取低温升、低收缩的高性能混凝土。

（2）根据施工季节、材料性能、施工工艺等，确定一次性最大浇筑长度，合理分段。

（3）采取技术措施，降低混凝土温升及收缩，以进一步降低混凝土的开裂风险。

（4）采取养护措施，降低早期塑性开裂。

4.3 混凝土配合比方案

一般针对有抗裂要求的混凝土，会考虑低水胶比，以及在同样强度的情况下尽量降低胶材用量，另外一般会采取增加矿物掺合料降低水泥用量以降低水化热，有研究发现，对于掺合料对混凝土的开裂，矿渣对开裂的抑制作用较低，随掺量的增大抑制作用降低，表现为开裂时间提前和裂缝宽度增大，与矿渣微粉相比，粉煤灰随掺量的增加，混凝土抗裂性能得到提高，表现为开裂时间的延长和裂缝宽度减小。[2]

（1）功能材料：选用 HME®-V 混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂。一方面通过钙类高效膨胀材料有效补偿混凝土的收缩；一方面利用水化热抑制剂调控水泥水化放热速率。

（2）底板混凝土：可以掺加适量矿粉（粉煤灰、矿粉双掺）；由于硬化阶段开裂风险相对较低，掺加5% 抗裂剂。

（3）侧墙混凝土：侧墙以硬化阶段开裂为主，侧墙混凝土不掺矿粉，掺加 8% 抗裂剂。

5 裂缝控制具体措施

5.1 混凝土原材料

5.1.1 原材料性能控制指标

本工程主体结构混凝土所选用原材料应性能稳定，且符合相关现行国家和行业规范、标准和规定的要求，配制的混凝土应满足设计要求的工作、力学、体积稳定性和耐久性要求，混凝土各原材料重点控制要求如下：

（1）水泥：采用品质稳定、水化热低、收缩小的南通海螺 P·O42.5，其性能应符合国家现行标准 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的规定，比表面积不宜大于 350kg/m3、碱含量 0.52%、C3A 含量 6.5%、3 天强度 26.5MPa、28 天强度 50.5MPa、进场温度 55℃。

（2）粉煤灰：选用南通华能电厂Ⅱ级，细度16.2%、烧失量 3.12%、含水量 0.1%、需水量比 1.2%。

（3）矿渣粉：选用联峰 S95 级，比表面积不宜超过 450m2/kg、7 天活性指数 90%、28 天活性指数103%、流动度比 100%。

（4）细骨料：选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然Ⅱ区河砂，细度模数2.5、含泥量 0.3%、泥块含量 0.1%。

（5）粗骨料：选用级配合理、粒形良好、质地坚固、线膨胀系数小的洁净 5～25mm 连续级配碎石，压碎值 9.1%、泥含量 0.3%、松散堆积空隙率 42%。

（6）减水剂：选用苏博特聚羧酸高性能减水剂PCA-10，减水率 20%、固含量 13.5%、pH 值 6.1。

（7）拌合水：自来水。

5.1.2 抗裂功能材料要求

本工程地下室主体结构混凝土一次性浇筑面积与长度较长，收缩变形发展受约束较大，且面临夏季高温施工，混凝土开裂风险较高，而开裂主要由于早期自收缩和温度收缩且受约束而引起。针对本工程具体情况，为降低开裂风险，在原材料控制、配合比优化的基础上，掺入江苏苏博特新材料股份有限公司 HME-V 混凝土（温控、防渗）高效抗裂剂，降低早期水化放热速率和膨胀补偿收缩，且既要能够补偿早期收缩，又要能够补偿混凝土降温期实时收缩，同时膨胀的历程发展匹配混凝土的收缩过程。混凝土抗裂技术指标详见表 1。

表 1 混凝土抗裂剂技术指标与检验方法

5.2 混凝土配合比设计及性能控制

5.2.1 混凝土性能控制指标

本地下室工程现浇混凝土配合比应按强度、耐久性能和抗裂性能进行设计，并应满足混凝土配制强度及其它力学性能、拌合物性能、长期性能和耐久性能的设计要求（见表 2 ），与抗裂性相关指标（见表 3）。

表 2 地下室主体结构混凝土力学性能及耐久性指标

表 3 地下室主体结构混凝土抗裂性能控制指标

5.2.2 混凝土配合比设计

混凝土配合比设计应符合现行行业标准 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的有关规定外，还应根据实际结构部位、施工工艺及环境条件等进行设计。在满足混凝土上述要求的基础上，应遵循低用水量、低胶凝用量、适当水胶比、最大堆积密度的原则，本工程主体结构 C35P8 混凝土配合比见表 4。

5.3 混凝土施工工艺

5.3.1 入模温度控制

控制混凝土入模温度是抑制裂缝非常重要的技术措施，已在相关的工程中广泛采用。浇筑入模温度影响因素可概括为：原材料温度；搅拌、运输、浇筑、振捣过程中的摩擦升温；新拌混凝土与环境介质热交换。其中原材料温度对浇筑温度起着决定性作用。

本工程混凝土处于炎热的初秋施工，为降低混凝土入模温度，应避免白天高温时段浇筑，选择在夜间施工。根据 GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》、JGJ/T 385—2015《高性能混凝土评价标准》，夏季混凝土开裂风险最高，施工时应控制入模温度不应高于 35℃，并应通过试验，考虑运输、泵送等因素时对混凝土入模温度的影响。本工程具体控温措施如下：

（1）骨料提前进场入库储存，在砂石遮阳棚的基础上，对砂石料进行不间断喷雾降温，降低料仓温度。

（2）混凝土罐车采用洒水降温，控制混凝土罐车运输时间和等待时间不超过 1.5h。

（3）对进站高温粉料（如：水泥）进行提前储存冷却并设置中间仓储存倒运，至少提前 7d 以上备料。

（4）施工现场安排调度人员，根据浇筑情况调配两侧罐车卸料次序及拌合站是否搅拌，避免混凝土因罐车在现场停留时间过长而升温。

5.3.2 混凝土制备、运输

（1）混凝土制备及运输能力应满足混凝土浇筑工艺要求，预拌混凝土质量应符合国家现行标准 GB/T 14902—2012《预拌混凝土》和 GB 50164—2011《混凝土生产控制标准》的有关规定。

（2）开盘前应检查砂、石的质量情况，核实使用原材料与配合比通知单是否相符，数量是否足够并有20% 的富余量。

（3）对于原材料计量，应根据粗、细骨料含水率的变化，及时调整粗、细骨料和拌合水的称量，严格测定骨料含水率，按料线准确上料。

（4）开机后应测定初始拌合的前 2～3 盘混凝土拌合物的坍落度、温度等参数，如不符合要求，应立即分析情况处理，直至拌合物性能符合要求方能持续生产，生产过程中发现问题应及时解决。

（5）混凝土运输至现场直至浇筑前，当出现坍落度损失过大不满足要求时，应通过二次添加适量减水剂并在搅拌车中快速搅拌不少于 3min 的方式进行调整。严禁直接加水。

（6）浇筑前应根据浇筑方量合理安排施工组织，控制浇筑体凝结时间 6～8h 左右，以保证施工连续性，避免冷缝。

5.3.3 混凝土浇筑与振捣

混凝土结构工程施工除应符合现行国家标准 GB 50666—2011《混凝土结构工程施工规范》和 GB50164—2011《混凝土质量控制标准》的规定外，尚应符合下列规定：

表 4 主体结构 C35P8 混凝土配合比

（1）按规范的检测频率进行坍落度测定、制作混凝土试块，并观察混凝土的和易性，符合要求才能使用。侧墙混凝土入模坍落度宜控制在 160～200mm 之间，板式结构混凝土入模坍落度宜控制在 180～220mm之间。当对外观有严格要求时，应加强对到场罐车内混凝土工作性能的测试，至少每 2～3 车检测一次。

（2）混凝土浇筑倾落高度不宜超过 2m，当不满足要求时，应加设串筒、溜管、溜槽等装置。倾落高度过高时，应设置减速装置，在串筒出料口下面，混凝土堆积高度不宜超过 1m，并严禁用振动棒分摊混凝土。

（3）混凝土拌合物应分层浇筑，单层浇筑厚度不超过 500mm，分层间隔浇筑时间不得超过混凝土初凝时间。

（4）板式结构采用斜面分层、自然流淌、薄层浇捣、连续浇筑法。由浇筑时较低一端中间位置向两侧浇筑，逐渐向较高一端推进。从一头浇筑严格控制浇筑间隙，间隙时间不大于 1.5h，同时浇筑速度不宜过快。

（5）采用振动棒振捣混凝土时，振动棒的前端应插入前一层混凝土中，插入深度不应小于 50mm，与侧模应保持 50～100mm 的距离。振动棒应垂直于混凝土表面并快插慢拔、均匀振捣，当混凝土表面无明显塌陷、有水泥浆出现、不再冒气泡时，可结束该部位振捣。

（6）宜对浇筑后的混凝土进行二次振捣，以排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，使实体结构混凝土的抗拉强度提升，从而提高抗裂性。

（7）在混凝土浇筑完毕后、终凝前对浇筑面进行抹面处理。

5.3.4 拆模时间控制

（1）顶板结构拆模时间：应以强度控制参考依据，拆模强度的确定应依据 GB 50666—2011 规范对拆模强度要求，跨度大于 8m 的板式结构需达到设计强度要求的 100%，才能拆除底模。

（2）侧墙结构拆模时间：本工程采用木模板施工，考虑到木模的保温效果较好，延长拆模时间至不少于 7d。

5.3.5 混凝土养护控制措施

混凝土的养护包含湿养护及保温养护。湿养护能使混凝土尽可能接近于饱和状态，使之充分水化，防止混凝土表面脱水产生干缩裂缝；而保温养护的目的主要是降低混凝土降温速率，以充分利用混凝土徐变，降低温度开裂风险，达到防止产生和控制裂缝的目的。对于不同结构养护控制规定如下：

（1）板式结构

高温、干燥、大风天气浇筑混凝土时，宜在作业面采取遮阳、挡风措施，对于板式结构（顶板与底板）顶面浇筑完成后应第一次收浆抹面并覆盖塑料薄膜，薄膜上面喷雾保持湿润状态，并在终凝前进行二次抹面消除表面可能出现的失水缺陷、微裂纹，终凝后可在表面覆盖 1～2 层带有塑料内膜的土工布或其他相当物并蓄水，蓄水养护水温与混凝土表面温度之差≤15℃，控制混凝土内外温差≤15℃，养护时间不少于 14d。

（2）侧墙结构

采用木模板施工，模板拆除后，宜立即在墙体暴露于空气中的外立面表面贴覆保温、保湿养护材料（如图 4 所示的自粘式养护布。该材料由防护层、保温层、保湿层以及自粘材料构成，可根据实体结构散热条件进行定制，并且可以多次重复利用。混凝土拆模后，可自由贴合于混凝土表面，实现混凝土温降速率的有效控制），或其他类似保温、保湿养护材料，控制结构温降速率≤3℃/d，拆除外保温措施时混凝土中心温度与环境温度之差不宜超过 15℃，外保温拆除后应进一步做好保湿养护，原则上养护时间不少于 14d。

混凝土 7d 后拆模后需进一步做好必要的封闭保湿养护，采用专门外贴覆养护材料，保湿养护时间不少于7d。

图 4 外贴覆养护材料

6 检测、监测与验收

6.1 混凝土强度及耐久性检验

本工程混凝土 9 月 10 日开始浇筑，对强度及耐久性指标进行了检测，具体数据见表 5。

表 5 混凝土强度及耐久性指标

6.2 实体结构温度及变形结果

应对结构混凝土收缩变形、温度等性能进行监测，一方面对结构混凝土抗裂性进行有效评估，另一方面指导精细化施工（如拆模时间、保温措施等），最终实现设计、材料、施工等的闭环控制。

混凝土浇筑体内监测点的布置，应真实地反映出混凝土浇筑体内最高温升、里表温差、降温速率、环境温度。具体如下：

（1）在底板、顶板的中心沿厚度方向，上、下表面各布置 1 个温度计、厚度中心位置布置 1 个应变计。

（2）在侧墙长度、高度和厚度方向的中心位置埋设 1 个温度计，内、外表面各埋设 1 个温度计。

图 5 侧墙部位传感器埋设示意图

监测探头（温度—变形监测）的绑定位置见图 6。监测分四个通道，1 号通道为中心部位（长度方向），2 号通道为中心部位（宽度方向），3 号通道为中心部位（厚度方向），4 号通道底板接近上表面的温度。

图 6 底板部位传感器埋设图

9 月 10 日开始浇筑的南通地铁轨道控制中心的底板。混凝土总方量约 4500 方。底板浇筑时间：2020 年9 月 10 日 10:00～2020 年 9 月 12 日 9:00。具体温度监测情况见图 7 和表 6。

由图 7 和表 6 可知，底部混凝土厚度中心位置浇筑时间为 2020 年 9 月 11 日 13:00 左右；测点位置的上部混凝土浇筑时间为 2020 年 9 月 11 日 20:00 左右。测点底板厚度中心位置混凝土入模温度 32.9℃，上表面混凝土入模温度 28.1℃。

从曲线看出混凝土中心最高温度为 65.6℃，相对入模温度 32.9℃温度提高了 32.7℃，相对常规的混凝土温升速率及温升值有所降低，混凝土内部与上表面及上表面与环境温度（白天 30℃ 左右，夜里 20～25℃）相差20～25℃，基本满足控制要求。

图 7 测点的实时温度数据（以 2020 年 9 月 10 日 8:00 为起点）

表 6 测点（C35 底板）的温度数据

图 8 为混凝土中各测点的实时变形曲线。从整体曲线来看变形曲线变化平稳，未出现开裂，表明实体结构无裂缝产生，并与实际观察结果相对应。

7 结论与展望

（1）针对相应的工程特点，通过采取适当的抗裂技术措施是可以有效降低甚至避免贯穿裂缝的，裂缝形成的因素较复杂，需综合考虑材料、配比、施工、养护、环境等各项指标以及这些指标的叠加的作用影响，针对这些指标指定相应的方案并切实落实才能达到控制开裂的最终效果，因此抗裂技术是个系统工程，传统的控制单一补偿收缩的措施作用有限。

图 8 测点的实时变形数据（以初凝为零点）

（2）判断混凝土的开裂风险需要做到各指标量化，定性的判断不能准确反映技术的有效性，通过长时间的工程数据积累完善方案建立数据库可为今后的工程提供指导。

（3）传统的膨胀剂等抗裂功能材料对于控制混凝土裂缝有一定的贡献，但要考虑到混凝土早期的塑性开裂，后期的温度收缩、干缩开裂等多重影响因素，水化速率和膨胀历程双重调控技术对于解决硬化阶段墙体结构的开裂有显著的效果。另外，高温季节降低混凝土入模温度，拆模后的养护（保温、保湿）等施工措施也是抗裂技术的重要组成部分。