近年来, 随着我国综合国力的增强及经济建设的蓬勃发展, 对超大面积混凝土结构的需求日益增长, 平面尺寸超长、超大的大型公共建筑、厂房结构等迅速涌现, 超长混凝土结构的数量越来越多。超长混凝土结构具有平面尺寸大的特点, 由于季节温度变化和混凝土收缩等间接作用产生的变形受到约束, 结构中将产生附加内力, 当附加内力对应的拉应力超过混凝土的抗拉强度或应变超过极限拉应变时, 结构将产生裂缝。超长混凝土结构如果不进行裂缝控制, 当裂缝宽度大于限值或者形成贯通裂缝时, 不仅影响结构的使用性能, 同时对建筑的耐久性和防水性也将产生不利影响。在以往超长混凝土结构设计与施工中, 常采用设置后浇带或跳仓施工等措施来解决混凝土收缩和环境温度引起的开裂问题, 但传统的后浇带施工工序繁多, 时间跨度长, 给工程施工带来较大的制约, 而且属于施工阶段技术措施, 没有从根本上解决超长混凝土结构的裂缝控制问题, 工程应用中出现裂缝的情况时有发生。为加快施工进度, 降低工程造价, 确保工程质量和工期, 超长混凝土结构无缝设计与施工技术的研究变得越来越重要。补偿收缩纤维混凝土抗裂技术作为实现超长混凝土结构无缝设计与施工的技术措施之一, 已经被应用到超长混凝土结构工程中, 但现行规范和结构设计通常只有框架性的条款和要求, 缺少详细、完整的技术措施指导具体工程施工, 目前工程施工中大多依靠经验方法, 普遍存在工程应用效果不明显, 甚至出现负面效应的现象。调查中也发现该技术在工程应用中争议较多, 有些单位甚至发文禁止应用该项技术, 因此, 补偿收缩纤维混凝土抗裂技术在实际应用中还存在一系列有待解决的问题。

　　 上海烟草集团浦东科技创新园建设项目地下车库长度超过360m, 地上结构最长尺寸超过120m, 属于典型超长混凝土结构。该工程结构设计虽然采用了补偿收缩纤维混凝土技术, 但由于缺乏具体详细的设计规定和技术要求, 施工操作性不强, 尚有许多关键技术问题需要研究解决。

　　 本文采用试验研究、理论分析、现场实测和数值模拟相结合的方法, 从材料配比、结构设计优化以及施工质量控制三层次系统研究超长混凝土结构裂缝控制中的关键技术, 并将研究成果应用到实际工程中。

　　 依据设计说明, 本工程超长混凝土结构采用添加纤维的补偿收缩混凝土浇筑, 其中地下结构混凝土强度等级为C35, 其后浇带和膨胀加强带混凝土强度等级提高一级至C40;上部结构混凝土强度等级为C40, 其后浇带和膨胀加强带混凝土强度等级提高一级至C45。膨胀加强带内和带外混凝土在水养护环境下14d的限制膨胀率指标要求见表1, 纤维及膨胀剂的掺量需根据试验确定。

　　 根据设计要求, 本次试验需配置C35, C40, C45三种强度等级的补偿收缩纤维混凝土。

　　 补偿收缩纤维混凝土原材料包括:水泥、矿粉、粉煤灰、膨胀剂、河砂、石子、水、减水剂以及纤维等。为尽量与实际工程保持一致, 本次试验除膨胀剂和纤维由生产厂商直接提供外, 水泥、粉煤灰、矿粉、河砂、石子和减水剂均从本工程商品混凝土供应搅拌站选取。

　　 鉴于目前市场上膨胀剂种类较多, 竞争激烈且良莠不齐, 经初步比选, 初步确定市场信誉较好的三家膨胀剂生产企业为考察对象, 然后进行实地考察, 最终选定其中一家作为本项目混凝土配合比试验膨胀剂提供单位。在混凝土中掺加纤维有助于提高其早期抗裂性能, 改善混凝土的外观表象, 但不同品种、不同掺量的纤维对混凝土的抗裂性能影响较大。本次试验从性能优良的聚丙烯纤维 (长坚-12聚丙烯纤维) 、ECC中表现出良好增韧效果的聚乙烯醇纤维 (PVA纤维) 和近年来应用效果逐步得到认可的纤维素纤维中进行优选。

　　 根据设计单位提供的混凝土限制膨胀率指标要求 (表1) , 本次试验研究了不同掺量的膨胀剂对混凝土限制膨胀率、坍落度以及抗压强度的影响。同时为了验证限制膨胀率试验结果的正确性, 从上述每个强度等级的配比中选出一个限制膨胀率符合要求的配比作为基准配合比, 在与第一次试验间隔一个月和两个月后进行了两次验证性试验^[1]。此外基于上述确定的基准配合比, 还测试了直接置放于自然环境和置放于养护室环境下的混凝土限制膨胀率, 并进行了补偿收缩混凝土的抗水渗透性能和抗氯离子渗透性能试验。在大量试验的基础上, 最终确定了本项目各强度等级混凝土的配合比 (表2) , 其混凝土的限制膨胀率、强度等级、抗水渗透性能等均符合本项目设计规定, 且满足《补偿收缩混凝土应用技术规程》 (JGJ/T 178—2009) ^[2]从结构安全性角度出发提出的范围要求。

　　 表2中配合比原材料:水泥采用海螺P.O42.5;粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰;矿粉为S95矿粉;碎石为5~25mm连续级配碎石;河砂为细度模数不低于1.9的中砂;膨胀剂采用Ⅱ型硫铝酸钙-氧化钙类混凝土膨胀剂;纤维采用长坚-12聚丙烯纤维;外加剂C35混凝土采用TX600型聚羧酸减水剂, C40和C45混凝土采用RP3250型聚羧酸减水剂。

　　 为了验证施工现场养护环境下补偿收缩混凝土限制膨胀率以及模拟超长混凝土结构采用膨胀加强带在实际环境中的应力分布情况, 在施工现场制作缩尺混凝土构件模型, 开展同等养护环境下设置膨胀加强带的混凝土构件模型试验。考虑到模型试验结果的代表性、试验过程中的可操作性以及经济性, 试验构件设计为单跨, 跨度为3 000mm, 板厚为60mm, 板内纵向配筋为48, 沿板中心线布置。考虑到实际工程存在约束状态, 现场试验构件分为两类:一类具有侧向约束, 另一类设计为无约束状态, 混凝土可自由变形, 见图1, 2。

　　 现场缩尺模型试验构件采用C40补偿收缩纤维混凝土浇筑, 为了研究膨胀剂掺量对补偿收缩混凝土限制膨胀率和裂缝发展的影响, 试验构件设计为三组对比方案, 每一组均包括一个有侧向约束构件和一个无约束构件。其中第一组构件不掺加膨胀剂;第二组构件膨胀剂掺量为:带外30kg/m³, 带内35kg/m³;第三组构件膨胀剂掺量为:带外35kg/m³, 带内40kg/m³。

　　 对于有约束的试验构件, 在膨胀加强带内分别布置一个钢筋应力计和一个内埋式混凝土应变计, 在非加强带的其中一侧, 距柱外边缘0.5m处布置一个钢筋应力计和一个内埋式混凝土应变计, 见图3。对于无约束的试验构件, 传感器的布置与有约束的试验构件相一致。

　　 试验构件浇筑完成后, 采取与施工现场相同的养护方式, 并测试构件在1, 3, 7, 14, 28d等限制膨胀率 (图4) , 并与实验室试验结果进行比较。现场构件测试结果表明:基于实验室确定的基准配合比, 施工现场试验构件的混凝土限制膨胀率与实验室试验结果基本一致。

　　 上海烟草集团浦东科技创新园建设项目地下车库长365.4m, 宽56.1m, 原设计沿横向设置7条2.0m宽后浇式膨胀加强带, 沿纵向设置1条2.0m宽后浇式膨胀加强带, 且要求膨胀加强带应待两侧混凝土浇筑两个月后方能封闭。由于原设计方案后浇带设置较多, 且要求间隔两个月后方能封闭, 施工工期较长, 施工单位希望对原设计进行优化, 在保证质量的前提下, 能尽量缩短施工工期, 降低工程施工风险和造价。

　　 根据计算分析并考虑实际施工的可行性, 首先沿地下车库横向均匀布置两条2.0m宽的后浇带将其分成三个施工区域, 每个区域长度约120m, 且后浇带用膨胀混凝土浇筑;然后在每个区域沿横向再均匀设置三条膨胀加强带, 其中中间一道为后浇式膨胀加强带, 其余两道为连续浇筑式膨胀加强带, 见图5。

　　 虽然本工程地下车库底板、侧墙和顶板受到的侧向约束不同, 考虑到地下车库顶板与侧墙混凝土一起浇筑以及整个地下车库施工分段的协调性, 底板与侧墙和顶板后浇带及膨胀加强带设置均保持一致, 但其后浇式膨胀加强带封闭时间有所区别。地下车库底板、侧墙和顶板的后浇带及后浇式膨胀加强带封闭时间如下:

　　 (1) 地下车库底板

　　 后浇带待底板各区域混凝土浇筑完成28d后且侧墙混凝土浇筑前, 用高一强度等级的膨胀混凝土封闭;后浇式膨胀加强带在两侧混凝土浇筑完成7d后用高一强度等级的膨胀混凝土封闭。

　　 (2) 地下车库顶板和侧墙

　　 后浇带待侧墙和顶板各区域混凝土浇筑完成28d后用高一强度等级的膨胀混凝土封闭;后浇式膨胀加强带在两侧混凝土浇筑完成14d后用高一强度等级的膨胀混凝土封闭。

　　 “一分部署, 九分落实”, 施工过程控制是实现超长混凝土结构理想抗裂效果的重中之重。施工过程包括混凝土的拌制及运输、混凝土浇筑及养护, 同时主要原材料质量控制也不容忽视。

　　 除保证水泥、粉煤灰、矿粉、河砂、石子和减水剂等基本原材料符合试验配合比要求外, 对膨胀剂及纤维的品种和质量控制是关键。首先应提供进场使用的混凝土膨胀剂和纤维出厂检验报告等质量证明文件, 然后进行进场检验, 检验项目及检验批量应符合《混凝土膨胀剂》 (GB 23439—2009) ^[3]和《纤维混凝土应用技术规程》 (JGJ/T 221—2010) ^[4]的规定;同时确保膨胀剂出厂后存放时间不宜过长, 一般开袋后应一次性使用完毕, 在密封完好的情况下, 存放时间也不宜超过1个月^[1]。因此, 本工程使用的膨胀剂应根据施工进度, 按需求量进行采购和使用。

　　 本工程实施阶段采取以下措施, 确保实验室配合比在搅拌站得到准确实施:

　　 (1) 质量监督人员对外加剂投料、混凝土生产要跟班监督, 确保膨胀剂、纤维等原材料投料做到准确可靠。

　　 (2) 及时测定砂、石的含水量, 以便及时调整混凝土拌合用水量, 严禁随意增加用水量。

　　 (3) 对混凝土配比的执行及原材料计量准确性建立定期抽查制度, 确保混凝土生产质量。

　　 (4) 混凝土搅拌严格按规定流程操作, 确保补偿收缩纤维混凝土搅拌均匀。

　　 本项目试验结果表明^[5]:在浸水养护条件下, 各强度等级补偿收缩混凝土的限制膨胀率随着膨胀剂掺量的增加而增大, 而且前3d膨胀效果最为明显, 3~7d的限制膨胀率增长有所放缓, 7~14d基本不再产生膨胀。因此, 混凝土施工期的养护异常重要, 特别是浇筑后前7d应采用水养护或保湿养护。结合本工程实际, 地下车库采取以下养护方案:底板和顶板混凝土应在终凝前用抹面机械或人工多次抹压并用塑料薄膜覆盖, 硬化后应蓄水养护或覆盖湿麻袋并持续浇水养护, 保持混凝土表面潮湿, 养护时间不应少于14d;墙体应在混凝土浇筑后由墙顶浇水养护, 墙体混凝土达到脱模强度应放松模板2~3mm并继续从墙顶浇水带模养护, 拆模时间不宜少于7d, 拆模后应采用湿麻袋紧贴墙体覆盖并喷水养护。

　　 本工程施工现场实测, 主要对地下车库后浇带、连续式膨胀加强带和后浇式膨胀加强带及其两侧墙、板结构的混凝土应变进行测试, 将带内测点与其两侧带外测点的混凝土应变值进行对比分析, 得出结构后浇带、连续式膨胀加强带和后浇式膨胀加强带带内及带外沿结构纵向的应变分布特征曲线, 结合试验数据, 探究综合设置后浇带和膨胀加强带后, 带内和带外沿结构纵向的应力分布规律, 验证结构中设置膨胀加强带的有效性和结构的安全性, 同时与有限元计算结果进行对比分析, 以校验计算分析模型的准确性。

　　 本次测试选择本工程地下结构和地上结构各一个区域, 其中地下结构包括地下车库底板和侧墙, 地上结构选定Ⅲ-C区的二层楼盖。测点布置以地下车库底板为例, 考虑到地下车库结构沿纵向划分的对称性, 测点布置范围仅覆盖底板的一半区域, 并选取一条后浇带、两条后浇带之间的1/2区域底板以及该区域的一条后浇式膨胀加强带和一条连续式膨胀加强带作为重点测试对象。在每条带内沿带长度方向布置5个测点, 每个测点布置一个钢筋应力计和混凝土应变计, 分别测试带内应力和应变沿底板长度方向的变化规律。在重点测试的底板区域, 沿结构纵向均匀布置5个混凝土应变计, 采用带内测点相同的测点布置方式, 沿结构横向布置5排测点, 选取中间一排, 在每个混凝土应变计的位置加装一个钢筋应力计对比测试。在一般测试的底板区域, 选用混凝土应变计, 在带内和带外对称且分散布置测点。侧墙的测点位置与底板一致, 并沿墙高分布三层测点。

　　 试验中采用的检测仪器包括智能温度记忆型弦式钢筋应力计、智能温度记忆型弦式混凝土应变计和单弦式综合测试仪。检测仪器采用振弦理论设计制造, 具有高灵敏度、高精度、高稳定性的优点, 内置温度传感器, 可对测量值进行温度修正, 适用于长期观测。混凝土应变计安装采用绑扎方式, 即用扎丝将应变计与钢筋绑扎, 其应变测量在混凝土凝固后进行。智能弦式钢筋应力计是一种测量钢筋应力的传感器, 钢筋应力计与受力钢筋对接安装, 钢筋应力的测量在混凝土凝固后进行。

　　 运用有限元分析软件ANSYS, 结合按龄期调整的有效模量法考虑徐变影响, 实现本工程测试区域施工期及服役期超长混凝土结构的温度及收缩应力的仿真分析, 研究超长混凝土结构在收缩变形及季节温差工况下的应力分布及变化规律;分析膨胀加强带宽度与间距、收缩徐变、温度变化、结构约束、后浇带设置等因素对超长混凝土结构中应力的影响。并与实测结果进行对比, 修正分析模型的相关参数, 为今后同类工程应用提供参考和依据。

　　 (1) 超长混凝土结构裂缝控制是一项复杂的系统工程, 涉及到材料、结构和施工三个层次, 本项目采用试验研究、工程实测和数值模拟相结合的方法, 从材料配比、结构设计优化及施工方法三层次系统研究超长混凝土结构裂缝控制中的关键技术, 并将研究成果在实际工程中进行应用, 取得了很好的裂缝控制效果。

　　 (2) 配合比设计是补偿收缩纤维混凝土抗裂技术的基础, 工程应用中应根据设计和规范要求, 通过实验室试验确定合理的配合比。

　　 (3) 施工过程质量控制是超长混凝土结构裂缝控制的关键, 需要对原材料质量、混凝土配合比、浇筑及养护等全过程进行控制, 方能取得预期的抗裂效果。

　　 (4) 本工程施工现场测试结果与施工仿真分析进行对比, 修正分析模型的相关参数, 可为今后同类工程应用提供参考和依据。