1. 引言
混凝土因其原料易得、成本低廉、可塑性强等特性，成为全球应用最广泛的建筑材料。然而，混凝土结构裂缝、耐久性不足等问题仍普遍存在。据统计，我国每年因混凝土质量问题导致的工程返工成本超过千亿元，其中大体积混凝土开裂占比达65%以上。本文以龙岩大桥主塔工程为研究对象，结合国内外先进技术，探讨混凝土施工技术的优化路径与质量控制策略。
2. 文献综述
近年来，大体积混凝土质量控制研究聚焦材料性能优化、温控防裂、智能监测三大领域。材料上，阎培渝教授指出早期开裂多因变形，学术界提出优化水胶比等组合方案；温控方面，于全等阐释了水化热致裂机制，工程中发展出预埋冷却水管等技术；科技进步带来新方案，如国际团队的多尺度深度学习框架提升材料性能，中铁六局沈阳项目实现零开裂。然而，质量控制仍面临挑战，裂缝成因复杂，变形作用是主因；材料性能均衡难，不恰当的骨料和掺合料会降低强度、增加开裂风险；监测技术有局限，传统手段滞后，智能技术成本和稳定性待提升[1]。技术瓶颈包括水化热控制成本与效果难平衡、材料优化接近极限、标准化与定制化矛盾。为此，研究者提出跨尺度协同设计、智能技术深度融合、精益化控制策略等创新方向。总之，该研究正从单一优化向多技术融合、事后处理向主动防控转变，未来需注重一体化解决方案开发验证。
3. 混凝土施工技术关键环节
3.1. 原材料选择与检验
水泥作为混凝土胶凝材料，其强度等级直接影响混凝土最终性能。龙岩大桥主塔工程选用P∙O42.5低热水泥，通过限制C3A含量(≤8%)降低水化热峰值，每批次水泥进场后都需进行强度、安定性等指标的检验，确保符合工程要求。骨料选择遵循“连续级配”原则，粗骨料采用5~25 mm碎石，含泥量严格控制在0.5%以内，以避免泥质成分影响骨料与水泥浆的粘结力；细骨料选用Ⅱ区中砂，细度模数保持在2.6~3.0之间，保证混凝土的和易性。外加剂方面，掺入2%聚羧酸高性能减水剂，该减水剂能在显著提高混凝土流动性的同时，将坍落度损失控制在10 mm/h以内，满足施工过程中对混凝土工作性的要求。具体原材料性能指标见表1。
Table 1. Performance indicators of concrete raw materials
表1. 混凝土原材料性能指标
原材料类型 |
关键指标 |
技术要求 |
实际检测值 |
水泥 |
强度等级 |
P∙O42.5 |
P∙O42.5 |
C3A含量 |
≤8% |
7.2% |
粗骨料 |
粒径范围 |
5~25 mm |
5~25 mm |
含泥量 |
≤1.0% |
0.4% |
细骨料 |
细度模数 |
2.6~3.0 |
2.8 |
含泥量 |
≤3.0% |
1.2% |
外加剂 |
减水率 |
≥25% |
28% |
含气量 |
≤3.0% |
2.5% |
3.2. 配合比优化设计
配合比设计需兼顾强度、耐久性与经济性。龙岩大桥承台混凝土采用“三低一高”原则：低水泥用量(320 kg/m3)、低水胶比(0.38)、低含气量(≤3%)、高粉煤灰掺量(30%)。通过正交试验确定最优配比，不仅使28天抗压强度达到58.3 MPa，抗裂系数也提升40%，有效增强了混凝土的抗裂性能。上海中心大厦基础底板工程采用60 d强度设计，配合比中掺入8%硅灰与6%膨胀剂，硅灰能填充水泥颗粒间的空隙，提高混凝土的密实度，膨胀剂则可补偿混凝土的收缩，从而有效控制超厚结构收缩裂缝，保障了基础底板的施工质量。典型配合比方案见表2。
Table 2. Typical concrete mix proportion schemes
表2. 典型混凝土配合比方案
工程名称 |
水泥用量(kg/m3) |
水胶比 |
粉煤灰掺量(%) |
28 d强度(MPa) |
龙岩大桥承台 |
320 |
0.38 |
30 |
58.3 |
上海中心大厦底板 |
300 |
0.35 |
20 |
62.5 |
3.3. 温度控制技术
大体积混凝土在硬化过程中，水化热积聚导致的内外温差超标是裂缝产生的主要原因。为解决这一问题，龙岩大桥主塔承台采用三层浇筑工艺，每层厚度严格控制在2350 mm以内，通过分层施工减少单次水化热释放量[2]。具体温度控制措施包括三方面：一是科学布置冷却水管，采用Φ48 × 3 mm镀锌钢管按“井”字形排列，管间距设定为1.0 m，通水流量保持在18 L/min，借助循环水流带走混凝土内部热量；二是建立实时监测系统，在混凝土内部合理埋设PT100温度传感器，监测点间距2.5 m，根据不同阶段动态调整数据采集频率，升温期每2小时采集一次，降温期每4小时采集一次，确保及时掌握温度变化趋势；三是强化保温养护，在混凝土表面覆盖双层麻袋加塑料薄膜，形成有效保温层以缩小内外温差。通过上述综合措施，监测数据显示第二层混凝土中心温度峰值达到79.8℃时，通过动态调整冷却水流量，降温速率始终控制在≤2℃/d，最终使内外温差稳定在25℃以内，有效预防了温度裂缝的产生。
3.4. 振捣与成型工艺
振捣质量的优劣直接影响混凝土的密实度，进而关系到结构的强度与耐久性。龙岩大桥工程针对这一关键环节，采用“分层振捣法”以确保混凝土浇筑质量。具体操作规范如下：使用插入式振捣器时，严格控制移动间距 ≤ 400 mm，操作过程中遵循“快插慢拔”原则，每处振捣点的持续时间保持在15~20 s，使混凝土在振捣作用下充分液化、排气，避免因漏振或振捣不足产生蜂窝、麻面等缺陷[3]。在表面处理环节，创新采用“三遍抹压”工艺：在混凝土初凝前，用木抹进行搓平处理，消除表面泌水和早期塑性裂缝；终凝前改用铁抹压光，进一步提高表面密实度与平整度；最后通过拉毛处理增加表面粗糙度，为后续工序的施工质量奠定基础。对于钢筋密集区域(如主梁与剪力墙交接处)，由于常规振捣器难以深入，专门选用Φ30 mm小型振捣棒配合人工插捣，通过人机协同作业确保该区域混凝土密实，经检测其孔隙率始终控制在≤3%，有效保障了结构关键部位的施工质量。
4. 混凝土质量控制体系构建
4.1. 全过程质量管控框架
为保障混凝土施工质量，龙岩大桥工程建立了“源头控制–过程监管–成品验收”三级管理体系。在原材料控制环节，严格执行“三证一报告”制度，即要求供应商提供生产许可证、产品合格证、质量保证书及检测报告，同时对每批次水泥进行安定性试验，防止因水泥安定性不良导致结构开裂，对骨料则开展碱活性检测，避免碱骨料反应对混凝土耐久性产生不利影响。生产过程中，采用智能化搅拌系统，该系统能实时监测砂石含水率，并根据监测数据自动调整配合比，确保混凝土强度等性能达标，同时将搅拌时间控制在120~150 s，保证物料混合均匀[4]。成品验收环节，严格依照GB/T50107-2010标准，要求同条件养护试块强度达标率达到100%，且通过回弹法检测的强度推定值不低于设计值的95%，全面把控混凝土成品质量。
4.2. 裂缝防控专项技术
针对混凝土施工中可能出现的不同类型裂缝，龙岩大桥工程采取了差异化的防控措施。对于塑性收缩裂缝，通过二次抹压工艺消除混凝土表面泌水，减少表面收缩应力，同时在浇筑完成后立即覆盖塑料薄膜进行保湿，延缓表面水分蒸发速度；对于干缩裂缝，采用低热硅酸盐水泥与膨胀剂复合的技术方案，利用膨胀剂补偿混凝土的收缩，使混凝土180 d收缩率控制在≤0.02%；对于温度裂缝，借助有限元温度场模型，对超厚结构进行温度场仿真分析，根据分析结果优化冷却水管的布置方案，有效降低混凝土内外温差，从而减少温度裂缝的产生。
4.3. 智能化监测技术应用
龙岩大桥工程积极引入物联网技术，实现混凝土施工过程的数字化管控[5]。通过安装无线温度传感器网络，实时采集混凝土内部温度数据并传输至云端平台，便于管理人员随时掌握混凝土温度变化情况，及时采取温控措施；利用BIM技术建立混凝土施工三维模型，模拟混凝土浇筑顺序与振捣路径，提前规划施工流程，提高施工效率和质量；开发质量追溯系统，将原材料批次、配合比参数、养护记录等信息与二维码关联，管理人员和监管人员只需扫描二维码，即可快速获取相关质量信息，实现对混凝土施工质量的全程可追溯。
5. 案例分析
5.1. 龙岩大桥主塔工程
龙岩大桥主塔的承台尺寸为6300 mm × 42,000 mm × 18,000 mm，属于特大型大体积混凝土结构，其施工面临三大核心挑战：一是结构体积庞大导致混凝土水化热积聚，易引发温度裂缝；二是超长超宽结构的整体受力不均，可能影响耐久性；三是露天施工环境下，温湿度波动对混凝土强度发展的干扰。为实现质量突破，该工程围绕“控温、强养、精准监测”构建了全流程技术体系：
在混凝土强度设计上，突破传统28 d强度设计惯例，采用60 d强度作为设计依据，并将标准养护周期延长至28天——通过试验数据验证，60 d强度设计可使混凝土后期强度潜力充分释放，轴心抗压强度比28 d强度提升15%~20%，同时延长养护周期能减少早期强度增长过快导致的内部应力集中。针对水化热控制，在混凝土配合比中掺入Ⅰ级粉煤灰与矿粉复掺掺合料，替代30%的水泥用量，不仅降低了水化热峰值(实测峰值温度较常规配合比下降8~12℃)，还优化了混凝土工作性，便于大体积浇筑时的振捣密实。
在监测环节，创新采用“光纤光栅传感器 + 无线传输系统”的组合方案：在承台内部按“分层布设、重点覆盖”原则，共埋设82个光纤光栅温度传感器与46个应变传感器，传感器间距控制在2~3 m，实时采集混凝土内部温度场(精度 ± 0.5℃)与应变场(精度 ± 1 με)数据，并通过5G信号传输至云端监测平台。当系统监测到局部温差超过25℃时，会自动触发预警，施工人员通过调整内部循环冷却水管的流量，实现温度梯度的精准控制，有效避免了温度裂缝的产生。
同时，为解决露天养护环境下温湿度难以稳定的问题，工程团队自主研发了移动式智能养护棚。该养护棚采用钢结构框架与保温篷布组合形式，可根据承台浇筑进度分段移动，棚内配备蒸汽发生器、温湿度传感器与自动控制系统——当传感器检测到棚内湿度低于90%或温度低于5℃时，系统会自动启动蒸汽发生器，将养护环境精准控制在“温度15℃~25℃、湿度 ≥ 90%”的最优区间。这种智能化养护方式，不仅减少了人工养护的误差，还使混凝土7 d强度达标率提升至100%，28 d强度富裕系数稳定在1.15以上。
最终的第三方检测结果显示，承台混凝土的碳化深度 ≤ 1.0 mm (远优于规范要求的 ≤ 3.0 mm)，氯离子渗透性 ≤ 500 C (达到混凝土耐久性最高等级RCM-I级)，完全满足100年设计使用年限的要求。该工程的技术创新，为国内特大型桥梁主塔承台施工提供了可复制的“控温–监测–养护”一体化解决方案，相关技术成果已被纳入《公路桥涵施工技术规范》修订建议稿。
5.2. 上海金茂大厦工程
作为当时中国的第一高楼，上海金茂大厦的基础底板厚度达4.5 m，混凝土用量高达1.2万m3，其基础施工质量直接关系到大厦的整体安全。该工程在质量控制方面有着明确且严格的要点：采用分三层跳仓浇筑工艺，每层的间隔时间严格控制在7天以内，通过合理的施工顺序分散水化热带来的温度应力；在混凝土中掺入UEA膨胀剂以补偿收缩，要求限制膨胀率 ≥ 2.5 × 10−4，有效减少了混凝土收缩裂缝的产生；采用跳仓法施工，将底板巧妙划分为24个仓块，进一步释放温度应力，保障了结构的整体性。该工程凭借卓越的施工质量荣获鲁班奖，经过20年的运行监测，基础沉降量仅为12 mm，远小于设计允许的100 mm，充分体现了其优异的结构稳定性和施工质量。
6. 结论
混凝土施工技术与质量控制的提升，需要构建“材料–工艺–设备–管理”四位一体的完善体系。然而，“材料–工艺–设备–管理”四位一体体系应用推广有局限。适用条件上，更契合大型、高技术要求且资金充裕的工程，小规模普通工程或因成本高、操作复杂受限。潜在制约因素中，成本是关键，研发材料、引入技术、完善系统都需大量资金；技术门槛也高，先进技术要求施工人员专业素养高，而专业人才短缺会影响实施。未来拓展应用，可从降成本、提技能入手，加大研发投入探索经济方案，加强人才培养提升人员技能，推动技术更广泛应用。未来，这一体系将多项突破：材料上重点研发低碳混凝土，掺加工业废渣等使水泥用量降超30%，减碳且保性能；工艺上推广3D打印，自动化喷头逐层浇筑，精准成型复杂结构，减少模板与人工，提升效率精度；设备与管理领域完善智能监测系统，整合多技术建预警模型，实时捕捉关键指标异常，提前预警并辅助调整。如此创新升级，混凝土工程将更高质、可持续，为新型城镇化大型复杂建筑安全稳定提供保障。