探析房屋建筑工程大体积混凝土结构的施工技术

顾思阳

（圣地亚哥州立大学 加利福尼亚州圣地亚哥 92182）

在城市化进程的推动下，建筑工程已经逐渐朝着高层化和超高层方向房展，因此在对房屋建筑工程相关问题探讨中，也以高层建筑为例。众所周知，在高层建筑结构中基础承台是其重点部位，同时也是建筑施工难点，施工技术涉及广泛，涉及到材料学、建筑力学、管理学和土力学等多种学科，具有一定的复杂性和系统性。而高层建筑基础承台的大体积混凝土结构中，施工重点在于对大体积混凝土的浇筑、科学配比、温控与养护等，为了确保大体积混凝土结构施工顺利进行，在具体施工中应根据工程实际情况，建立科学的理论体系，解决以上问题[1]。根据以往工程实践经验发现，大体积混凝土建筑质量对于整体房屋建筑工程质量产生直接的影响，在建筑施工设计中关键在于如何进行严格的成本控制与施工组织。虽然当前有中介机构为建筑企业提供关于建筑大体积混凝土结构施工的技术咨询服务，但其服务内容不全面，建筑结构施工仍有施工单位自行完成，混凝土结构常常出现裂缝等问题，尤其是在冬期施工中，因气温低，混凝土的表层与内部温差大，容易产生温度裂缝，从而对大体积混凝土结构质量带来影响，进而影响到房屋建筑整体质量。

1 大体积混凝土定义与特点

1.1 大体积混凝土结构定义

在房屋建筑结构施工中主要采用钢筋混凝土与混凝土作为其材料，随着高层建筑规模的扩大，在高层房屋建筑或超高层建筑中都普遍采用大体积混凝土结构。但目前业界对于大体积混凝土定义并无统一规定，美国ACI认为，大体积混凝土浇筑中需要采取一定的控制措施，来解决因水化热导致体积变形问题，减少混凝土开裂。而日本JASSS则认为，大体积混凝土结构最小断面尺寸应超过80cm，因水化热导致混凝土内部与表层温度差超过25℃[2～3]。在符合上述条件者则为大体积混凝土。

1.2 大体积混凝土结构特点

（1）混凝土材质自身性质为脆性，从而决定其抗拉强度与拉伸变形能力小，在大体积混凝土结构中自身的断面大，水泥用量多，在混凝土浇筑完成后，水泥熟化会释放大量水化热，但在大体积混凝土内部散热条件有限，使混凝土结构内部温度快速升高，从而在混凝土内部蓄积大量热量，使混凝土内部温度与表层温度超过25℃，这时混凝土体积会产生变化，即产生温度变形。另外混凝土的弹性模量小，徐变大，随着混凝土温度变形，升温产生压应力较小，但混凝土温度在降低的过程中，其弹性模量会随之增加，徐变小，在一定条件下混凝土不能产生自由伸缩，从而导致混凝土拉应力增加，在大体积混凝土底部会产生收缩，产生较大拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度的情况下，使混凝土产生开裂，抗拉强度降低，出现混凝土渗漏。

（2）在高层房屋建筑基础工程施工中广泛应用大体积混凝土，对于混凝土强度等级要求较高，在建筑基坑内采用大体积混凝土结构，由于混凝土内部散热慢，内部基础复杂，钢筋直径大，配筋量多，混凝土和变形模量相差大，在混凝土收缩时容易使钢筋表面出现辐射性裂缝。

（3）混凝土材料主要是由骨料、水泥石和水分等所组成，因其自身组成成分特性，混凝土是一种非均质材料，当外部温度与湿度等条件的变化下，混凝土发生硬化，使混凝土结构产生不均匀体积变形问题，这种情况通常是由于水泥石收缩大，骨料收缩小，或者是水泥石热膨胀系数大，骨料热膨胀系数小等原因所造成，在体积变形过程中混凝土各个组成成分之间会产生约束应力，从而造成水泥石产生微裂现象[4]。

（4）在大体积混凝土结构设计中，由于结构构件断面尺寸和自身受力大小会存在一定差异，从而使构件配筋量与刚度产生差异，导致混凝土内部温度应力差异产生，在各个构件差异处导致大体积混凝土结构断裂。

（5）在大体积混凝土结构中产生水化热，从而产生温度应力，在长期内会直接作用于混凝土结构，在大体积混凝土结构上部结构荷载产生应力，从而增加了混凝土拉应力，产生应力裂缝[5]。

2 房屋建筑大体积混凝土结构裂缝问题

在建筑工程施工中普遍存在混凝土结构裂缝问题，这也是当前建筑施工中急需解决的问题，在混凝土结构设计中目前大多是根据混凝土密度大小及裂缝宽度来决定工程使用标准。由于混凝土的组成成分较多，是一种连续均匀的弹性体，具有较高的抗压强度和良好的耐火性能等，但混凝土的抗拉强度低，在受拉时混凝土容易产生变形，进而出现裂缝。因此在大体积混凝土结构施工中应重视混凝土裂缝问题。而混凝土裂缝问题产生原因较多，是由多方面因素影响下所产生的，以下就对大体积混凝土结构裂缝问题产生原因进行分析。

2.1 水泥水化热影响

根据以往的工程实践研究与分析发现，在水泥水化释放中会产生较大的水化热热量，且混凝土内部在短时间内无法散失这种热量，导致热量集聚，使混凝土温度应力与浇筑的温度产生较大改变，从而产生裂缝。据实验结果发现，在水泥水化中产生水化热值在200～400kJ/kg之间，所产生热量会导致混凝土内部温度快速达到30～40℃，如在混凝土浇筑中其自身产生热量，则在大体积混凝土结构内部温度高达70～80℃左右。由于普通混凝土的导热能力一般，在其含水量饱和状态下，导热系数为5～6kJ/m·h·℃，其热扩散率在 0.01～0.005m2/h 左右[6～7]。随着混凝土尺寸与厚度增加，在混凝土内部所集聚热量散失时间就会越长，如果混凝构件尺寸厚度为2m，则混凝土中心部位达到绝热状态，混凝土内部温度在75℃左右，在受热情况下导致混凝土体积产生热膨胀，在混凝土降温过程中混凝土体积会产生收缩，在受到地基或其他结构因素影响下，混凝土体积收缩受到限制，使混凝土内部所产生的温度收缩应力较大，混凝土抗拉强度就会相应降低，对混凝土解耦股耐久性及抗渗性等产生严重影响[8]。同时，混凝土表面温度低，散热快，混凝土内部温度高，散热慢，在混凝土表面与内部之间温差大，收缩值大，使混凝土表面容易产生裂缝。

2.2 外界气温影响

在房屋建筑施工中大体积混凝土结构裂缝还受到施工环境的影响，在施工中由于外界气温条件发生变化，从而影响到混凝土水化热，如果外界温度较高，在混凝土浇筑时温度也较高，混凝土绝热温升提高；如外界温度较低，尤其是在温度突然降低的情况下，混凝土表面温度会快速下降，但由于混凝土自身不良导体特性，混凝土内部温度仍然较高，在混凝土表面会出现温度梯度，对混凝土急剧收缩产生严重的限制，使混凝土徐变性能不能得到充分发挥，进而产生温度应力，使混凝土表面出现开裂。而混凝土内部温度则主要是受到混凝土结构物散热降温、混凝土浇筑温度、水泥水化热绝热温升等因素影响，混凝土内部温度高，外部温度低，从而产生温度应力，使混凝土出现变形，随着温差的增加，其变形就会越大，从而产生裂缝。

2.3 混凝土收缩变形

混凝土收缩变形主要分为三种情况，一是塑性收缩，在混凝土水分蒸发时导致混凝土内部出现微观裂缝，混凝土凝结时大部分水分会蒸发，在水分蒸发过程中在水化作用下导致混凝土体积变形，通常大部分混凝土产生收缩变形，膨胀变形情况较少。而混凝土从浇筑到终凝需要4～13h，在此期间会产生强烈的水泥水化反应，导致水分快速蒸发，从而产生失水性收缩，水泥浆和骨料会产生不均匀沉缩变形，而这种变形通常是混凝土塑性阶段变形，即塑性收缩，在混凝土表面无规则表面裂缝，对于一些养护不到位混凝土来说，在15h后会出现大量不规则裂缝，裂缝宽度通常为1～2mm，沿着钢筋分布[9]。第二种是硬化收缩。在混凝土水泥水华期间会产生化学反应与物理反应，在水泥浆水化形成水化物体积要远远小于水泥浆自身大小，水泥浆水化郭传给你中会产生微小收缩，即为硬化收缩，这种收缩情况一般是自发产生的，和混凝土外界温度变化无联系，随着水泥浆硬化，就会产生自生收缩的现象，在充分时间内收缩变形，这种收缩通常不会产生危害性裂缝。第三种是干缩裂缝，当外界温度湿度低于100%时就会产生混凝土干缩裂缝，在混凝土表面水分蒸发后，产生干燥收缩，而这一现象产生主要原因是水泥石所造成，在水泥水化中所需水量为W/C=0.23，在实际施工中，为确保混凝土流动性，水灰比通常控制在0.5左右。如混凝土水泥颗粒不能完全水化，在水化中消耗水分减少，经硬化混凝土产生大量自由水分，并分布在毛细孔与气孔空隙内部，随着时间推移，水分逐渐向空气蒸发，空隙中水分减少，降低了毛细孔内的水位，使睡眠曲率增加。在混凝土表面张力作用下，水泥内部压力低于外部压力，产生负压，使混凝土产生收缩，当混凝土收缩中受到阻碍则会开裂。

3 大体积混凝土结构施工技术与施工方案研究

3.1 混凝土配合比

在大体积混凝土强度等级超过C20，在设计单位同意情况下，对于混凝土强度评定可以对混凝土60d后期强度进行评价，同时也是混凝土配合比设计和工程验收依据，从而降低在混凝土施工中因水化热产生温升，降低温度应力，有利于减少保养与施工费用。在大体积混凝土配合比施工中，应根据工程设计强度及耐久性要求，合理使用材料，降低混凝土绝热温升，减少水泥用量，并从各个施工环节对于混凝土浇筑中内部温度的变化进行控制，进而控制混凝土浇筑中产生温度裂缝问题[10]。混凝土配合比选择主要是对外加剂、骨料和水泥等材料进行选配，在混凝土制作中应选择粒径超过0.5mm中砂，含泥量超过3%，细度模数为3，同时也可以适度的选择复合型膨胀剂，补偿收缩问题。

3.2 混凝土浇筑

混凝土浇筑主要有两种浇筑方式，即分层连续浇筑，以及推移式连续浇筑，在浇筑中应明确混凝土摊铺厚度，根据振捣器作用深度与和易性来明确，在泵送混凝土时应确保混凝土摊铺厚度应在600mm以内，在采用非泵送混凝土时，其摊铺厚度控制在400mm内。不论采用哪种混凝土浇筑方式，层间间隔时间应尽量在混凝土初凝前，时间缩短，对次层混凝土进行浇筑，层间最长时间间隔应不超过混凝土初凝时间。对于浇筑面积大，浇筑能力不足与连续浇筑层厚度不超过3m的混凝土结构工程施工中，建议采用推移式连续浇筑施工方式。而分层浇筑施工是大体积混凝土结构施工中常用的一种方法，这种浇筑方式便于振捣，有利于保证混凝土浇筑质量，可利用混凝土层面散热，有利于降低大体积混凝土浇筑块温升。在混凝土浇筑中还普遍存在泌水现象，为确保混凝土浇筑质量，应对混凝土表面泌水进行及时清除，通常泵送混凝土水灰比较大，也存在有严重泌水现象，如不及时清除则会对混凝土质量产生影响[11]。此外，在混凝土浇筑完成后，应根据温控技术措施对其进行养护，使混凝土浇筑块体内外温满足温控指标要求，在混凝土养护中应保持表面湿润。降低混凝土浇筑体块降温速度，利用混凝土抗拉强度，提高其抗裂能力，防止产生温度裂缝。在混凝土浇筑5h内表面会出现塑性裂缝，可以采用二次浇灌层和二次压光处理，在浇筑后可以对混凝土表面采用草袋锯末和塑料薄膜覆盖，在寒冷季节可以设置挡风保温棚。

4 结语

在房屋建筑大体积混凝土施工技术施工中，涉及到的内容较多，其中混凝土结构质量是房屋建筑工程质量的重要基础，其使用年限、裂缝等问题对建筑使用寿命和使用性能具有决定性影响。为确保工程施工质量，需要各个单位之间紧密配合，本文通过对大体积混凝土结构裂缝问题进行分析，从而对大体积混凝土施工技术展开研究，在大体积混凝土结构施工中，需要充分考虑到多方面因素对于混凝土的影响，保障混凝土结构施工质量。