澆筑工藝對(duì)沉管裂縫控制的影響分析

張宇航

（惠州交投公路建設(shè)有限公司，廣東 惠州 516001）

1 引言

混凝土沉管隧道已在世界很多越江和跨海工程中廣泛應(yīng)用，過去的70年來，預(yù)制方法也從傳統(tǒng)的干塢法預(yù)制發(fā)展為工廠預(yù)制。沉管管節(jié)的預(yù)制是沉管隧道施工的難點(diǎn)之一，在預(yù)制過程中，由于沉管管段體積大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、施工工藝復(fù)雜，沉管結(jié)構(gòu)容易因溫度、收縮以及約束等因素的影響在預(yù)制階段便出現(xiàn)危害性裂縫。危害性裂縫的出現(xiàn)不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的外觀，還會(huì)加速有害物質(zhì)侵蝕混凝土，從而更快地導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞，削弱沉管混凝土結(jié)構(gòu)整體的耐久性。另外，沉管是造價(jià)高、腐蝕環(huán)境惡劣且無法更換的主要構(gòu)件，因此，在沉管預(yù)制施工過程中必須采取合理有效的措施防止有害裂縫的產(chǎn)生。

2 沉管混凝土裂縫控制的基本思路

為了控制沉管混凝土裂縫，一般在廠房提前制作沉管節(jié)段，廠房?jī)?nèi)的環(huán)境為沉管節(jié)段制作提供了優(yōu)良的條件。該工藝在當(dāng)今澆筑行業(yè)已經(jīng)被大范圍應(yīng)用。但要注意幾點(diǎn)事項(xiàng)：（1）原材料優(yōu)選質(zhì)量高并具有良好防裂性能的材料。（2）要降低混凝土開裂的可能性，必須通過碎冰加冷卻水的方式降低原材料的溫度，從而調(diào)節(jié)沉管混凝土的最適溫度。（3）原材料首先應(yīng)具備抗裂和耐久的最低要求，還需要有低溫、收縮性低、性能強(qiáng)、質(zhì)量?jī)?yōu)的特點(diǎn)。在澆筑沉管的過程中，混凝土具有這些特點(diǎn)能夠使其擁有更優(yōu)良的特性，提高澆筑產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 混凝土原材料溫度的調(diào)整

在沉管結(jié)構(gòu)的混凝土試驗(yàn)過程中，為達(dá)到減小沉管開裂風(fēng)險(xiǎn)，需要通過控制原材料溫度的方式降低混凝土澆筑的溫度。（1）在澆筑前，必須與膠凝制造廠家約定，不同的材料有不同的進(jìn)場(chǎng)溫度，其中，礦粉進(jìn)場(chǎng)溫度為60℃。（2）對(duì)外壁進(jìn)行噴水處理，達(dá)到降溫的效果。建設(shè)避陽擋雨的材料堆放棚，料堆頂部與堆放棚之間的高度差約為10 m，使便棚內(nèi)空氣暢通。為降低骨料溫度，可在棚內(nèi)裝設(shè)噴霧裝置，通過降低棚內(nèi)的溫度降低骨料的溫度。（3）為降低膠凝原料的溫度，應(yīng)延長(zhǎng)其在儲(chǔ)料瓶與存儲(chǔ)倉(cāng)的存放時(shí)間及轉(zhuǎn)運(yùn)倒倉(cāng)過程。（4）在儲(chǔ)料罐外壁與膠凝原料中間的存儲(chǔ)倉(cāng)涂上淡色顏料。（5）可以將溫度傳感器安裝在膠凝原料材料儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)，從而起到暗中監(jiān)察的作用。

4 沉管混凝土的制造

4.1 冷水和細(xì)小冰塊

采用冷水和細(xì)小的冰塊代替攪拌水，以此控制混凝土的溫度。生產(chǎn)混凝土需要做好準(zhǔn)備工作，提前生產(chǎn)冷水并且置于保溫裝置中，控制混凝土的溫度≤5℃。使用冷藏溫度≤-8℃的冰庫儲(chǔ)存厚度≤3 mm的細(xì)小冰塊。為避免細(xì)小冰塊融化，應(yīng)借助外覆保溫層的水平螺旋運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸工作。這樣能夠確保試驗(yàn)結(jié)論的準(zhǔn)確性，達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)。

4.2 混凝土配置

選用混摻粉煤灰與礦粉的低開裂敏感性、低水化熱膠凝材料（水泥45%、粉煤灰25%、礦粉30%，以占膠凝材料總質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)數(shù)），沉管配合比應(yīng)符合全斷面澆筑作業(yè)的要求。在進(jìn)行性能對(duì)比后，還應(yīng)結(jié)合混凝土溫度應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)小尺寸模型試驗(yàn)以及足尺模型試驗(yàn)，篩選出性能高、抗裂性能及持久性高的混凝土。

4.3 混凝土運(yùn)送

沉管節(jié)段的混凝土材料需要先后到達(dá)廠房旁邊的拖泵處和澆筑現(xiàn)場(chǎng)，一般需要用兩種運(yùn)輸方式：混凝土攪拌運(yùn)輸車和地泵。前者運(yùn)送到拖泵處，后者運(yùn)送到澆筑現(xiàn)場(chǎng)?？刂票盟偷膲簭?qiáng)是入泵前的準(zhǔn)備工作，一般壓強(qiáng)調(diào)整為14～18 MPa。在運(yùn)輸混凝土?xí)r，為保證運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)性，應(yīng)將混凝土出機(jī)后到進(jìn)入泵機(jī)的時(shí)間控制在1 h以內(nèi)。泵送過程中，要防止泵送管吸入空氣導(dǎo)致堵塞，必須在運(yùn)送過程中使受料斗中有充足的混凝土。因?yàn)樵诨炷恋倪\(yùn)輸過程中，陽光直射和摩擦等因素會(huì)使混凝土溫度升高，所以，在溫度較高的季節(jié)施工時(shí)，應(yīng)加入冷卻水及碎冰，起到降溫的目的。

4.4 混凝土澆筑振搗

沉管節(jié)段混凝土澆筑區(qū)域分為底板（Ⅰ澆筑區(qū)）、墻體下部及底板上部（Ⅱ澆筑區(qū)）、墻體上部（Ⅲ澆筑區(qū)）、頂板（Ⅳ澆筑區(qū)），澆筑厚度控制在約40 mm，布料施工方式為分層連續(xù)作業(yè)。從加入水進(jìn)行攪拌作業(yè)開始，至插入式振搗棒依靠自身重量下沉插入混凝土，最后經(jīng)過15 s的振搗后，其周圍100 mm仍然可以翻漿的時(shí)間為混凝土的重塑時(shí)間。如果上下層混凝土的澆筑時(shí)間間隔比重塑時(shí)間長(zhǎng)，澆筑界面將出現(xiàn)冷縫。在混凝土的重塑時(shí)間內(nèi)進(jìn)行上下層混凝土的澆筑則不會(huì)出現(xiàn)上述情況。單次沉管澆筑的混凝土方量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、由一端向另一端分層連續(xù)布料。為防止出現(xiàn)施工冷縫，應(yīng)使上下層混凝土布料和振搗間隔控制在8 h之內(nèi)[1]。

5 沉管混凝土澆筑防護(hù)措施

完成沉管混凝土的澆筑工作后，應(yīng)立即將其送入預(yù)制廠房的自動(dòng)化養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行全方位的保溫保濕處理[2-3]。沉管節(jié)段混凝土保養(yǎng)可選用廠外固定式養(yǎng)護(hù)棚和廠內(nèi)伸縮折疊式養(yǎng)護(hù)棚。上述兩種養(yǎng)護(hù)棚均采用噴霧及淋水的方法使噴淋水霧控制控制設(shè)施的環(huán)境溫度降低，并在沉管節(jié)段的養(yǎng)護(hù)棚區(qū)、澆筑臺(tái)座區(qū)及過渡區(qū)均使用該養(yǎng)護(hù)裝置。

沉管節(jié)段的內(nèi)部溫度和外部環(huán)境溫度可以被養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便相關(guān)工作人員對(duì)溫度進(jìn)行及時(shí)調(diào)控。養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)由各種自動(dòng)化模塊組成，可在無人的情況下開啟，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行噴淋水霧作業(yè)，以達(dá)到無人化調(diào)節(jié)溫度的目的。沉管節(jié)段混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)當(dāng)在15 d以上，確保沉管混凝土澆筑質(zhì)量符合工程要求。在養(yǎng)護(hù)期間，需使混凝土的表面維持在一定的潮濕狀態(tài)。

6 沉管開裂與溫度應(yīng)力的關(guān)系

現(xiàn)場(chǎng)檢查和軟件估算是得到混凝土溫度應(yīng)力常用的兩種方法。但是，通過軟件估計(jì)的方法得到的混凝土應(yīng)力數(shù)據(jù)比較精確。

本文以某沉管澆筑工程為例，當(dāng)混凝土性質(zhì)及防護(hù)條件相同時(shí)，對(duì)某沉管試驗(yàn)段分層澆筑工藝和全斷面澆筑工藝下沉管的溫度應(yīng)力進(jìn)行分析。其中，沉管分層澆筑中第1層與第2層的澆筑時(shí)間間隔為45 d?；炷僚浜媳燃安牧闲阅軈?shù)為：細(xì)骨料的密度為727 kg/m3，膠凝材料的密度為440 kg/m3，比熱容為0.92 kJ/（kg·℃），混凝土28 d絕熱溫升為50℃，水膠比為0.34，散熱系數(shù)為8.0 kJ/（m2·h·℃），混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為8.9 kJ/（m·℃·h），環(huán)境溫度25～35℃，進(jìn)入模板的溫度為28℃。根據(jù)最高應(yīng)力和溫度數(shù)據(jù)可以看出，分層澆筑工藝中，兩層之間存在最大應(yīng)力。全斷面澆筑工藝的最大應(yīng)力處則位于沉管內(nèi)測(cè)拐角的地方。具體應(yīng)力、溫度值見表1。

表1 沉管溫度、應(yīng)力值

依據(jù)大體積混凝土抗裂安全系數(shù)的理論，通過表格可以得出很多重要的數(shù)據(jù)，如表1中沉管分層澆筑第1層最大溫度應(yīng)力為1.71 MPa，其抗裂安全系數(shù)為1.67，所以，混凝土發(fā)生開裂問題的概率非常低。沉管分層澆筑第2層最大溫度應(yīng)力為4.04 MPa，其抗裂安全系數(shù)為0.71＜1。由此可知，混凝土一定會(huì)發(fā)生開裂。全斷面澆筑工藝的最大溫度應(yīng)力2.50 MPa，其抗裂安全系數(shù)為1.14，存在一定的開裂概率。

7 齡期差下混凝土收縮開裂的風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)于分層澆筑工藝，如果澆筑時(shí)間過短，容易出現(xiàn)開裂問題，且易出現(xiàn)干燥收縮。一般在進(jìn)行第一層澆筑后，混凝土結(jié)構(gòu)基本固定不變，后澆筑的第2層混凝土剛開始收縮，以下為某沉管試驗(yàn)段混凝土分層澆筑收縮曲線，澆筑時(shí)間間隔為45 d。

圖1 混凝土分層澆筑收縮曲線

第二層混凝土收縮將形成很大的應(yīng)力，相比較于黏性介質(zhì)，其自由度系數(shù)近于1.0，約束系數(shù)近于0；相對(duì)于固體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，其自由度系數(shù)近于0，約束系數(shù)近于1.0。

試驗(yàn)組中混凝土節(jié)段的收縮量及彈性滿足如圖2所示曲線。

圖2 混凝土彈性模量與收縮變化曲線

第2層新澆筑的混凝土相對(duì)于第1層舊混凝土約束系數(shù)接近1.0。第二層的形變受到了很大的制約。如果忽略混凝土形變的彈性力學(xué)，則應(yīng)力=Σ瞬時(shí)收縮值×瞬時(shí)彈性模量，忽略彈性力學(xué)的影響?；炷了矔r(shí)收縮值如圖3所示。

8 結(jié)語

通過本文的研究可以得到以下結(jié)論，就控制混凝土開裂來講，分層工藝要優(yōu)于全斷面一次性工藝。從實(shí)驗(yàn)段的澆筑結(jié)果可看出，全斷面澆筑工藝的最大溫度應(yīng)力2.50 MPa，其抗裂安全系數(shù)為1.14，存在一定的開裂概率。由此得出結(jié)論，在使用分層工藝時(shí)，需要減小兩層之間的溫升，調(diào)節(jié)澆筑后面一層的時(shí)間和溫度，減小混凝土自身的收縮程度，降低混凝土溫度應(yīng)力，并且需要降低混凝土收縮的強(qiáng)度。