超大空间结构砼裂缝控制工程实例研究

超大空间结构砼裂缝控制工程实例研究

余洪

上海建工一建集团有限公司　　上海　　200120

摘要：

近年来，在国家各种重大型工程项目的成功实施下，现代化建设技术得到了飞速发展，但砼出现的有害裂缝一直都是大体积砼工程界中必须解决的一大技术难题。本文结合工程实际，在查阅现有大体积砼裂缝控制方面相关的文献资料和调研大量同类工程项目的基础上，从微观角度和定性分析两方面出发，详细阐述了大体积砼裂缝的形成过程和控制要点。另外针对本工程的特点分析了影响本工程裂缝产生的要因，总结并提出了相关控制措施，然后通过BIM模拟和现场试验验证了各要因控制的有效性，为今后大体积砼工程控制裂缝提供了类似参考价值。

关键词：超大空间结构；大体积砼；温度应力；裂缝控制研究

Abstract：与中文意思一一对应，但不要逐字逐词译。

Keywords：与中文关键词一一对应

0引言

随着我国综合经济的快速发展和城市现代化的不断推进，超大型建（构）筑物及基础设施也越来越多，规模也愈来愈庞大，大体积砼作为建（构）筑物等的重要构成部分，在各种工程施工中得到了大量应用，同时对大体积砼工程施工的裂缝控制技术也不断地提出了更大的挑战[1-4]。大体积砼，顾名思义是在工程施工中规模尺寸超过一定限度的砼，而在现有规范中有明确解释，即“体积较大或可能会因水泥中胶凝成份水化升温造成砼内外温度相差过大而出现开裂的砼”[5]。大体积砼由于厚大体内的水化热不易消散，容易形成内外较大温度差，迫于外部约束产生温度应力，加上施工和环境因素等的影响，易在砼表面和内部产生裂缝[6-8]。砼结构一旦出现裂缝就会随着时间的推移不断扩展，不仅影响结构表面外观，还会对结构的物理力学性能产生一定影响，比如抗渗性、耐久性以及结构的承重安全性。对于有特殊要求的建（构）筑物，比如高强度、高防辐射或者其他高性能的大体积砼结构，其对砼裂缝的控制难度也相当大，这些都是大体积砼结构施工长期以来急需解决的技术难题[3]。虽然国内外对大体积砼相关方面的研究已经非常之多，但是随着时代的变迁仍然有许多针对性比较强的工程施工问题需要从源头机理和技术措施上进行探讨和研究，从而进一步寻找出更加优益的工程施工工艺。

1工程概况及调研

1.1工程概况

上海瑞金医院肿瘤（质子）中心工程的质子区旋转治疗舱——质子治疗系统，是目前世界上最先进、最昂贵的超大型尖端医疗设备，建立质子治疗中心投资巨大，技术要求极高。为满足防辐射的特殊要求，放射区的顶板、墙体和底板设计超厚，空间结构超大。项目建设主要包括：一幢地下1层、地上3层，建筑面积22943m2及层高20m的质子中心楼，其中质子区旋转治疗舱顶板厚度为2m，净高17m，墙板厚度最厚处2.8m，高度为17m，底板厚度为2.4m，长34m，宽13m，具体如图1所示。抗渗等级为P8，除质子中心主体梁板砼为C35外，其余砼为C30，单底板砼体积就超过4000m3，属于大体积砼施工范畴。

图1 质子区旋转治疗舱示意图

针对本工程质子旋转治疗舱防辐射的特殊要求，面对如此大的空间结构，如此厚的顶板、墙板和底板施工，不仅在施工工艺上有极高要求，而且在各结构裂缝控制上也有严格标准，裂缝允许的最大宽度为0.2mm，而在规范中规定的室内一般环境结构裂缝最大允许宽度需≤0.4mm[9]。因此，为达到本工程苛刻的结构抗裂要求，必须结合本工程的结构特点和大体积砼工程相关的理论知识和施工经验，对可能影响建（构）筑物产生裂缝的原因因素进行分类分级总结归纳，在确保关键影响因素得到有效控制的基础上，通过优化施工组织安排，完善施工作业工法，尽可能把一些次要影响因素控制在允许的一定范围之内。

1.2工程调研

根据本工程具体情况查阅了大量相关的工程资料[10-12]，并结合对鹿儿岛质子线治疗中心、南汇质子医院等4个项目顶板、墙板和底板的调研，总计调查相关案例90次，对大体积砼裂缝产生的原因进行了数理分析和统计，主要相关内容如表1所示。

表1 超大空间结构大体积砼裂缝调查表

为了便于清晰明朗地看出调查中大体积砼裂缝的影响要因，根据超大空间结构大体积砼裂缝调查表，绘制出了各原因因素下的大体积砼裂缝形成的累计频数频率图，如图2所示。

图2 各因素下大体积砼裂缝形成的累计频数频率图

从上述图表中均可以看出施工操作及施工组织安排引起的裂缝和物理类裂缝累计频率占85.76%，为A类要因，是引起所调查工程案例大体积砼裂缝的主要原因。因此本工程案例研究的重点对象将是减少施工操作及施工组织安排引起的裂缝和物理类裂缝的出现率。

2大体积砼裂缝主要形成机制

2.1裂缝分类

针对大体积砼裂缝的形成原因，裂缝可以分为物理类和化学类两个主要裂缝，其中由物理类因素造成的裂缝是最普遍也是最难控制和预防的。再进行细分，物理类裂缝又可以分为温度裂缝、变形裂缝以及收缩裂缝等，这些裂缝是由于砼温度梯度、内外约束、变形、收缩等各种物理变化因素，引起砼表面和内部产生应力和应变，加之砼初期增长的强度比较小，不足以抵抗而形成和发展的；而化学类裂缝是因砼成份的安定性或者碱骨料等产生的化学反应形成的，这一类裂缝通常比较好预防[4]。

2.2裂缝形成的微观机理

大体积砼一般都是分区域一次性浇筑，在连续施工和强度发展过程中，砼中的水泥会与水反应产生大量的热量，称其为水化热，由于大体积砼体量巨大，无论是横向还是纵向尺寸都比较大，这就导致砼各向热阻都很大，从而造成内部产生的大量水化热集聚在中心难以短时间消散，随着水化反应的进行砼内部温度也急剧升高，如图3所示[13]。通常情况下，砼内部水化升温会在浇筑开始后的3d～5d达到峰值温度，同时砼体积会不断膨胀扩张，之后，由于砼水化产生的热量减少，产热量小于散热量，内部热量就会逐渐降低，内部温度就会随之下降，同时砼体积也会慢慢收缩[14]。

图3 砼水化内部升降温曲线

在升温阶段，由于砼外部和内部的温度不一样，其各区域范围的膨胀程度也不一致，内体积膨胀大于外体积膨胀，内外相互约束，导致内部出现压应力，外部出现拉应力，当外表面拉应力大于此时砼的抗拉极限时，就会在砼外表面产生拉裂缝，这是因为砼内外温差造成的变形不相适应，称其为自约束作用，具体如图4所示。这种裂缝通常在砼浇筑早期产生，多分布在表面较浅位置，不规则，如果出现应力集中易进一步延伸发展[7]。

图4 大体积砼自约束作用

与上述不同，由于砼内外导热性能的差异，大体积砼内部和外部温度下降的速率也不一样，内部特别是中心区域范围温度下降的速率相对较慢，而靠近表层的砼因与外界接触，热阻小散热快，温度下降的速率比较快，这就会在砼一定范围内形成较大温度差，从而形成明显不同的内外收缩差，内收缩小于外收缩。这样内部砼就制约了外部砼，使得外部砼出现拉应力，若内外温度相差比较大，外部拉应力就会超过砼自身的抗拉强度，于是就出现了裂缝，这种裂缝和上述自约束裂缝一样，会为后期砼整体的贯穿裂缝提供条件，需要重视并提前预防[15]。

在浇筑开始升温的一段时间砼的初期弹性模量比较小，砼基本上处于弹塑性状态，在有边界约束的情况下产生的压应力通常比较小，但在降温阶段，随着弹性模量的逐渐提高，受边界约束产生的温度应力（拉压力）也在变大，虽然能够和前面压应力相抵消一部分但还是比较大，会超过此时砼的抗拉极限，砼内部就会产生收缩裂缝，甚至和外部浅裂缝连通成为贯通裂缝[16]。

2.3砼内部温度计算

查阅相关文献资料可知[17-19]，砼内部水化升温的绝热温度

                       （1）

其中，——绝热温升，℃；——每立方米水泥用量，；——每千克水泥水化放热，；——砼的表观密度，取2400；——砼的比热，；——试验常数，与水泥的放热速率有关（中热硅酸盐水泥为0.9，普通水泥为1.0，早强水泥为1.2）；——砼龄期，。

由上述关系式可以看出，在砼表观密度和比热一定时，影响砼内部升温的主要因素有单位内的水泥用量、水泥的水化放热量、水泥的种类以及砼龄期，而水泥的水化放热是砼内部温度上升的首要因素。大体积砼因体量巨大，所需的水泥量就越大，水化产生的热量就越多，内部温度就会越高。另外，在环境因素和其他条件不变的前提下，大体积砼体量越大，外部的温度就相对越低，内外温度差相对越大。

3大体积砼裂缝控制要点及措施

3.1裂缝控制要点

根据大量相关的工程实例调研结果和上述对大体积砼裂缝主要形成机制的理论分析显示，大体积砼结构工程，80%以上的裂缝都属于温度裂缝，即因为砼施工过程中水泥水化升温产生温度应力，砼自身强度不足以抵抗而引起的拉裂缝。大体积砼内外温度相差较大，特别是在降温过程中对于砼内外温差的控制难度较大，一定要避免表面降温过速造成内外温差过大以及砼受冻的情况。因此，大体积砼结构施工的首要任务就是控制砼温度，降低内外温差，从而减小温度应力。

3.2裂缝控制措施

为了有效控制大体积砼结构裂缝的形成，结合本工程的特点对施工操作及施工组织安排引起的裂缝和物理类裂缝进行了比较全面细致地分析总结，发现大体积砼裂缝的形成与未分段分层施工、砼配合比不合理、砼内外温差过大，降温过速，温度控制不严密切相关，有效控制这几种影响要因是本工程裂缝控制的重中之重，对此有针对性地制定了各项对策，以确保本工程目标的顺利完成，具体对策及措施如表2所示。

表2 影响要因控制实施表

3.3措施实施及应用

3.3.1分段分层施工

通过BIM建模（如图5所示），对砼分段分层浇筑进行了可行性分析研究，结果显示采取分段分层施工，这可以相对减小大体积砼的尺寸，利用浇筑界面散发热量，降低内部温度，所以要合理安排分段分层浇筑高差，以利于水化热的散发并减少约束作用，最终确定砼施工共分为6段进行，具体如图6所示。

图5 BIM建模

图6 分段分层浇筑方案

3.3.2配合比设计

本工程质子区内砼材料为满足辐射屏蔽要求，容重必须满足2350kg/m³，按照设计图纸要求进行配合比模拟，确定砼强度等级，砼的配制强度按照式（2）计算，具体配合比如表3所示[20]。

                               （2）

式中，——砼配制强度，MPa；——砼立方体抗压强度标准值，MPa（设计强度）；——砼强度标准差，MPa。

坍落度及强度测试：模拟试验确定设计坍落度：160±30mm，强度等级为C30，抗渗等级为P8，经施工现场实施（如图7所示），模拟试验符合砼容重及强度等要求。

表3 砼配合比

设计坍落度：160±30mm；添加剂为SY-K（混合型膨胀纤维抗裂防水剂），掺量为胶凝材料的8%。

图7 现场模拟试验

3.3.3温度监控，内降外保

为了满足质子区砼裂缝控制要求，对制定的砼配合比进行温度监控。砼浇筑完成后及时采用厚塑料薄膜覆盖，上铺无纺布，顶部利用旧模板进行全封闭覆盖，利用砼水化热产生的水汽进行保湿养护，控制砼结构与外界温差在25℃以内。根据本工程项目的进度安排，砼浇筑施工正值冬季，为切合实际，现场模拟试验延长了保温和脱模时间，使缓慢降温，以防温度骤变，温差过大引起裂缝[21]。

现场模拟试验每隔4小时监测一次，砼内部温度变化见图8，环境温度见图9，拆模后模拟试件未发现裂缝。

图8 砼温度

图9 环境温度

经过以上一系列的理论和试验分析研究，所制定的方法措施在预试验中得到了比较好的验证效果，故可以将其应用在本工程大体积砼结构的建筑施工中。对本工程施工完毕的质子区墙板进行了检查，共检查记录180处，裂缝出现率情况如表4所示：

表4 裂缝出现率情况表

对比表1和表4，可以看出物理类裂缝出现率从33.52%降到了2.78%，施工操作及施工组织安排引起的裂缝从52.24%降到了2.22%，都满足本工程设定的裂缝控制值，即≤裂缝允许的最大宽度0.2mm。

4结语

本文以上海瑞金医院质子中心楼放射区的大体积砼墙板施工为实例，在大量相关工程和文献调研的基础上，通过理论分析、BIM模拟和现场模拟试验相结合的研究方法下，验证了以大体积砼温控为核心的裂缝控制措施的可行性，并为本工程大体积砼墙板的施工提供了科学指导和理论依据，最终取得了比较好的裂缝控制效果，可为类似大体积砼工程项目提供较好借鉴。

参考文献

[1]袁永松. 大体积混凝土施工技术标准探讨[J]. 施工技术, 1998, 27(5):3.

[2]蔡正咏. 混凝土性能[M]. 中国建筑工业出版社, 1979.

[3]王铁梦. 工程结构裂缝控制[M]. 中国建筑工业出版社, 1997.

[4]邱云力. 大体积混凝土施工的裂缝预控[J]. 人民珠江, 2006(4):2.

[5]中国冶金建设协会. 大体积混凝土施工规范[M]. 中国计划出版社, 2009.

[6]袁勇. 混凝土结构早期裂缝控制[M]. 科学出版社, 2004.

[7]朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 中国电力出版社, 1999.

[8]曹力, 刘京京, 黄敏虎. 大体积混凝土施工中的温度控制[J]. 北京水利, 2000(5):2.

[9]冶金工业部批准. 块体基础大体积混凝土施工技术规程 YBJ224-91[M]. 冶金工业出版社, 1992.

[10]张波. 大体积混凝土温度裂缝的产生原因及控制措施[J]. 北京工业职业技术学院学报, 2007(1):34-37.

[11]周铁峰. 大体积混凝土裂缝的控制[J]. 山西建筑, 2007, 33(4):2.

[12]高明德. 大体积混凝土施工工艺及质量控制[J]. 铁道建筑, 2007(3):2.

[13]张文. 浅谈大体积混凝土[J]. 石家庄铁道大学学报:自然科学版, 1999(S1):74-76.

[14]李苑. 大体积混凝土温度裂缝控制[J]. 建筑技术, 2006, 37(4):3.

[15]武世地 张红亚. 大体积混凝土温度裂缝控制的工程应用研究[J]. 安徽建筑大学学报, 2015, 23(1):5.

[16]杨化奎, 程桢. 大体积混凝土温度裂缝控制理论研究[J]. 黑龙江科学, 2014, 5(5):2.

[17]严吴南. 试论混凝土的干燥干缩与干裂[J]. 混凝土, 1995(2):4.

[18]苏达根. 土木工程材料[M]. 高等教育出版社, 2008.

[19]于树山, 周云麟. 超大体积混凝土夏季施工与裂缝控制[J]. 混凝土, 1993(4):5.

[20]徐永红. 大体积混凝土温度、裂缝控制施工要领[J]. 建筑工程技术与设计, 2014, 000(018):332-332.

[21]刘树旺, 江守恒, 李治,等. 大体积混凝土温度裂缝控制与实践[J]. 低温建筑技术, 2007(3):2.