建筑技术丨超高层项目C60型钢混凝土柱裂缝控制研究

1  工程概况

杭州某项目7号楼超高层塔楼的建筑高度为299.8 m，结构形式为框架–核心筒，基础形式为桩筏基础。塔楼地上62层，层高4.4 m，地下均为4层。核心筒为有内置型钢的钢筋混凝土结构，外框柱为型钢混凝土柱，梁板体系均为钢筋混凝土楼板。

图1为7号楼平面布置，1层板面至2层板面竖向构件包括内外层剪力墙、12根外侧圆柱、6根外侧方柱和2根局部方柱。剪力墙由内外2层组成，厚度分别为1 000 mm、600 mm；外侧斜向圆柱直径2 000 mm，混凝土强度C60，内置型钢尺寸为1 400 mm×1 400 mm，主筋为40根32 mm钢筋；外侧斜向方柱尺寸为2 000 mm×1 700 mm，混凝土强度C60，内置型钢尺寸1 100 mm×1 550 mm，主筋为20根36 mm+28根32 mm钢筋；内部局部设置了2根方柱位于夹层处，方柱尺寸为1 900 mm×1 800 mm，混凝土强度C60，内置型钢尺寸1 300 mm×1 400 mm，主筋为32根28 mm+20根32 mm钢筋。

图1  某超高层立面及1层柱平面布置示意

浇筑完成后，拆模时发现内部方柱KZ19、外部圆柱KZ10等多根柱子有较明显的表面裂缝。

2  浇筑后混凝土及裂缝特征检测

2.1  混凝土强度检测

采用高强混凝土回弹仪对内部方柱KZ19、外部圆柱KZ10、KZ11进行混凝土原位强度检验。抽取外侧圆柱KZ11，在距地面约1.0 m处、距地面约8.0 m处分别进行了强度测试，以分析混凝土骨料潜在不均匀分布的影响。

检测前，回弹仪仪器满足JGJ/T 294—2013《高强混凝土强度检测技术规程》，并进行标定。检测时，先选定检测区域，取检测区域16个点，点间距为10 cm；对每个混凝土点位上，将回弹仪触头垂直构件表面，读取数据；最后对数据进行初步处理，16个数据去除3个最高值、3个最低值，得到该点混凝土强度平均值R。

检测结果见表1。方柱KZ19、圆柱KZ10、KZ11检测的回弹强度分别为58.4 MPa、59.0 MPa、56.1 MPa，按上述计算后混凝土强度分别为92.3 MPa、92.1 MPa、83.6 MPa，混凝土强度换算值均超过60 MPa，强度均达到设计要求。

表1  混凝土强度检测结果

2.2  混凝土裂缝宽度检测

采用裂缝宽度仪对内部方柱KZ19、外部圆柱KZ10、KZ11距柱底1.0~2.0 m区间内、较为明显的横向贯通裂缝进行了宽度测量。裂缝长度和裂缝宽度测量值处较宽，可认为测量数值为该柱裂缝的最大值。

检测前，清理表面浮灰，保证裂缝清晰可见。检测时，因裂缝观测仪只能读取竖向裂缝的横向宽度，将检测镜头与裂缝附近重合，待自动读取宽度值后记录。检测结果见表2。在1.0~2.0 m内，KZ19有3条较为明显裂缝长度，分别距地面1.0 m、1.3 m、1.7 m，长度分别为3.6 m、4.2 m、2.1 m，占柱周长的62.1 %、56.8 %、28.4 %，取其裂缝最宽处分别为0.14 mm、0.2 mm、0.11 mm。

表2  裂缝宽度检测结果

相似地，KZ10中较明显的裂缝分别距地面1.0 m、1.3 m、1.5 m，裂缝长度占圆柱周长的71.2 %、80.9 %、57.1 %，裂缝最宽处为0.24 mm、0.18 mm、0.33 mm。KZ11中有较为明显的2条，裂缝宽度为0.22 mm、0.29 mm。

不论圆柱、方柱，混凝土表面裂缝分布都具有明显的规律性，裂缝间距为0.3~0.4 m。方柱表面最大裂缝0.20 mm、圆柱表面最大裂缝0.33 mm，裂缝横向开裂、较为明显的裂缝贯通范围超过了1/2柱周长。

2.3  混凝土裂缝深度检测

采用裂缝深度测量仪器针对圆柱KZ10、方柱KZ19进行裂缝深度测量。

检测前，选定测量处并清理表面，在裂缝两侧均匀涂抹检测介质液，保证声波传输界面不存在瑕疵和空气。检测时，先在裂缝两侧画出测量线，取预估裂缝深度的1~3倍；对一条裂缝进行3次深度测量，第一次测量间距为5 cm，后续每次测量间距逐渐外扩5 cm。检测后，对一组3次数据进行处理，得到一个裂缝宽度值。

测量数据结果见表3。裂缝1–1深度1.8 cm；裂缝1–2选取了两处进行测量，深度分别为6.0 cm、8.1 cm；裂缝2–1深度6.7 cm；裂缝2–3的测量进行多次但无法获取到完整的一组数据。其原因为超声波发射–回收进行测量，对介质的要求较高。由于混凝土并不是单一介质，结构中存在钢筋，声波的过度折射导致部分裂缝宽度无法测量。

表3  裂缝深度测试结果

对已有数据进行分析，裂缝1–1、1–2、2–1三处的裂缝宽度随机性均较小，处于合理范围，裂缝深度可信。结合相关裂缝表面开裂深度统计数据，这两处深度应在4~6 cm。

2.4  混凝土表面保护层厚度检验

采用保护层厚度仪器针对圆柱KZ10、方柱KZ19距地面1.0~2.0 m内的钢筋保护层厚度进行测试。

检测前，先对仪器进行预热和调零，调零时探头应远离金属物体。检测时，避开钢筋接头和绑丝，先对被测钢筋进行初步定位。将探头有规律地在检测面上移动，直至仪器显示接收信号最强或保护厚度值最小时，此时探头中心线与钢筋轴线基本重合，在相应位置做好标记。按上述步骤将相邻的其他钢筋逐一标出。

测试位置1处，对柱截面三分点位置进行了2次并行检测。左侧箍筋外表面保护层厚度为11~18 mm，右侧保护层厚度为3~12 mm，平均值分别为14 mm、8 mm。保护层厚度过薄，不满足规范最低的20 mm要求。位置2处为1处的邻面。测量3点为32 mm、25 mm、27 mm，平均值28 mm，满足规范要求。位置3处为1处的对面。结果显示，左侧处于11~36 mm，右侧处于8~34 mm，平均值分别为18.6 mm、25 mm，总体是在规范要求附近，但部分区域保护层厚度只有8 mm，局部不满足要求，存在保护层过薄的问题。

测试位置1处，保护层厚度明显过薄，处于9~13 mm，平均值11 mm，远小于钢筋保护层要求的20 mm。位置2处，保护层厚度较为均匀，在相近的两处进行了2次测量，平均值为27 mm、20.2 mm，基本满足要求。位置3处为位置1处的对立面，保护层厚度明显过厚，处于51~57 mm，平均值53.6 mm，远超过钢筋保护层要求的20 mm。结合位置1处的保护层厚度过小，其原因可能为斜向圆柱的施工难度大，钢骨及纵筋的偏位误差控制不足，进而导致箍筋保护层厚度不同。

2.5  裂缝位置观测

在测试保护层厚度的过程中，裂缝位置与探测出的箍筋位置高度重合，开裂方向沿箍筋纵向，大部分横向贯通裂缝，均位于箍筋位置。这表明，混凝土表面开裂极有可能是从箍筋外侧、保护层薄处先发生，受混凝土中骨料分布影响，但大体沿箍筋水平向发展。

3  混凝土配合比及材料质量调研

混凝土的配合比也会影响混凝土的成型后性能，配合比不良易引起混凝土开裂；而且泵送混凝土对流动性的要求和混凝土的抗裂性能有相互矛盾之处，通常在满足坍落度条件下选用低水灰比。通过比较现场混凝土配合比与规范规定的泵送高强混凝土规范要求，分析了差异性影响，并对混凝土厂提出要求。

3.1  规范要求

（1）规范对高强混凝土的配合比要求：矿物掺合料为25 %~40 %，硅灰掺量不大于10 %；水泥用量不大于500 kg/m³。

（2）规范对泵送混凝土的配合比要求：胶凝材料用量不少于300~500 kg/m³；砂率宜为35 %~45 %。

3.2  配合比分析

A公司提供的第一批混凝土配合比中，水胶比为0.272，低于规范规定0.28，用水量偏少；砂率为32.87 %偏低。A公司第二批混凝土和B公司混凝土的粉煤灰和矿粉的总用量较少，占矿物掺合料的比重为23.08 %，不足25 %。

构件的配合比中，砂率偏低是有利于减少混凝土干缩，且33 %与35 %的限值差距不大；两掺占比接近规范建议的高强混凝土下限值，23 %与25 %差距A公司和B公司的配合比设计过程中，首先要求保证强度指标，结合2.1节混凝土强度测试结果，配合比能够较好地保证强度，而早期水化热等指标没有作为主要控制指标。

3.3  调研混凝土厂原材

相比于A公司，B公司配合比两掺量更低，但裂缝问题尚未突出，反而A公司的表面裂缝问题更为严重，为此，调研混凝土厂水泥等原材性质。

经现场巡查调研和访谈，A和B公司的水泥质量均较好，B公司水泥表观颜色略差；砂石料级配和粒径满足泵送和高强混凝土原材要求。但两家混凝土厂对原材如水泥、粉煤灰的质量，仅依赖质检单，没有进行复检。为此，建议混凝土厂提高质量管理，对砂石料、掺合料、水泥原材的质量进行检验。

4  混凝土开裂成因分析

目前混凝土开裂位置均位于箍筋外，分析其裂缝成因主要有以下两个方面。

4.1  结构设计因素

本项目7号楼1层型钢混凝土柱箍筋保护层设计厚度仅有20 mm，相比于2 000 mm直径的圆柱、1 900 mm×1 800 mm的方柱尺寸，其厚度占比太小，仅约1 %。主筋保护层的厚度为箍筋外厚度加箍筋直径。因此，箍筋外开裂的可能性更大。

调研过程中，对奥林匹克公园站地下主体结构151根框架C60抗裂进行了研究，该项目混凝土柱的特征截面为850 mm×850 mm方形柱，950 mm圆形柱，混凝土保护层厚40 mm。该项目巨柱也出现了较多裂缝。

清华大学陈肇元院士对钢筋混凝土裂缝机理与控制措施进行了深入研究。针对混凝土制作中普遍的裂缝现象，给出了0.15 mm作为限值，认为即使表面产生裂缝，0.15~0.20 mm也是可以通过混凝土碳化作用形成的封闭效应。王铁梦在分析泵送混凝土的裂缝宽度要求时，认为部分裂缝限制达到0.2 mm。

结合本项目的保护层厚度设计，箍筋外开裂的概率较大。而裂缝是沿着箍筋开裂的，7号楼的裂缝对于纵筋来说影响小。考虑到结构主要承受竖向荷载，结构安全性能可以保证。

4.2  混凝土材料因素

箍筋外保护层厚度仅有20 mm，粗骨料极少，主要为浮浆层，箍筋保护层的抗裂性能一方面依靠混凝土浆体性质、一方面依靠养护措施。混凝土浆体主要依靠水泥及其掺合料，而其中水泥是主要作用，其收缩包括温差收缩、干燥收缩、塑性收缩。

（1）温差收缩。水泥水化是个放热过程，其水化热为165~250 J/g，随混凝土水泥用量提高，其绝热温升可达50~80 ℃。研究表明，当混凝土内外温差10 ℃时，产生的收缩值0.01 %，如温差为20~30 ℃时，其冷缩值为0.02 %~0.03 %，当其大于混凝土的极限拉伸值时，则引起结构开裂。而本项目混凝土柱厚度为2.0 m，属于超过1.0 m的大体积混凝土，内外温差效应显著增加，局部温差可达30 ℃以上，这是本项目混凝土出现裂缝一个原因。

（2）干燥收缩。水泥加水后变成水泥硬化体，其绝对体积减小。每100 g水泥水化后的化学减缩值为7~9 mL，如混凝土水泥用量为350 kg/m³，则形成孔缝体积25~30 L/m³。这是混凝土抗拉强度低和极限拉伸变形小的根本原因。

（3）塑性收缩是指混凝土初凝之前出现泌水和水分急剧蒸发，引起失水收缩，此时骨料与水泥之间也产生不均匀的沉缩变形，它发生在混凝土终凝之前的塑性阶段，故称为塑性收缩。这项收缩主要在初凝之前，位于混凝土表面，与本项目裂缝影响不大。上述只是裂缝的原理，其影响因素与砂石料、骨料级配、水胶比、掺合料、水泥安定性、结构尺寸、构造位置等相关，不进行更多阐述。

5  抗裂建议措施

（1）在设计沟通方面，主要优化保护层厚度、确保型钢尺寸、结构尺寸合理，保护层能够保护主筋。

（2）在混凝土质量方面，严格质量要求，落实管理动作，要求混凝土厂严把质量关，对原材如水泥、粉煤灰等原材质量进行检验，明确其对砂石料、掺合料、水泥原材的质量管理责任；适当增加掺合料，降低水化热，选用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥，在掺加泵送剂或粉煤灰时也可选用矿渣硅酸盐水泥，为减少水泥水化热和降低内外温差，主动提高水泥品质，控制水泥用量。在强度要求基础上，增加早期抗裂性能作为混凝土配合比的要求，建议两家混凝土厂通过部分试验优化配合比。

（3）在施工措施方面，框架柱混凝土施工前，将模板进行打蜡处理，保证表面光洁，钢筋保护层采用塑料垫块，方柱竖向间距500 mm，水平方向每边2个，圆柱每面8个，水平向和竖向间距500 mm，以保证混凝土保护层质量。

在浇筑混凝土前，派专人驻站，现场由专人负责控制坍落度，每次浇筑2根柱子，交叉进行；每根柱由4台振动棒振捣分层浇筑；每层浇筑厚度为50 cm，振动棒插入下层的深度不少于10 cm；每层的振捣时间为25 s，浇筑时间控制在1.5 h。为防止过振，在振动棒做相应标记，以保证振捣质量。要求浇筑温度≤30℃，热天可放宽至35℃；混凝土内部的最高温升≤65℃，混凝土内部与表面（或环境）温差≤20℃，混凝土表面与养护水的温差≤15℃。施工过程要进行测温监控。

混凝土浇筑后，在模板外侧覆盖塑料薄膜，包裹严实；浇筑6 h后开始洒水养护，柱顶要有蓄水，并在模板外侧洒水降温；浇筑48 h后拆除模板，立即洒水养护，用塑料薄膜包裹严实，保持湿润状态。根据现场情况，浇筑时气温处于20 ℃上下，且环境有风，水胶比低于0.3的混凝土，应覆膜养护不少于14 d。

6  结论

为明确7号楼型钢混凝土柱表面裂缝问题，本研究对混凝土表面裂缝进行了测试研究，研究结论如下。

（1）对混凝土进行强度回弹测试，混凝土强度均达到C60强度要求；表面特征裂缝宽度测试，方柱表面最大裂缝0.20 mm、圆柱表面最大裂缝0.33 mm，裂缝横向开裂、其贯通范围超过了1/2柱周长；通过肉眼观察，横向裂缝明显、分布间距有规律，横向裂缝的竖向间距为0.3~0.5 m；裂缝深度测试，方柱、圆柱各一处裂缝深度为18 mm、67 mm，大部分裂缝深度处于40~60 mm。

（2）进行了混凝土保护层厚度测试，方柱保护层较均匀，厚度为10~30 mm。与图纸要求的20 mm接近，但存在一侧保护层过薄，局部区域3 mm；斜圆柱保护层薄厚不均现象更为严重，一侧平均值为11 mm、另一侧平均值55 mm，且最薄处仅9 mm，保护层厚度严重不足。裂缝位置与探测出的箍筋位置高度重合，且开裂方向沿箍筋，表明裂缝主要为箍筋外浮浆开裂。

（3）进行混凝土配合比研究调查，配合比中砂率、水胶比等指标略小于规范建议值，但属于合理范围。

（4）基于上述多维度检测结果，分析裂缝成因，判断混凝土裂缝主要为箍筋外浮浆开裂，对结构的承载性能影响较小，但是对结构耐久性有影响，开裂原因为混凝土保护层厚度不足，且养护措施不到位。

为此，提出了针对型钢混凝土柱的养护措施，包括设计优化、混凝土质量、施工措施三方面，以混凝土厂水泥质量、钢筋保护层厚度、拆模后覆膜养护、洒水养护为4个管理要点，有效地改善了后续各层混凝土柱的表面开裂情况，保障后续混凝土柱浇筑质量，相关经验可供相似工程参考。