養(yǎng)護(hù)方式對寧波通途路綜合管廊混凝土抗裂性能的影響

夏 露,周建敏,馮 蕾,王興龍,溫小棟，*

(1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000;2.寧波城市地下空間投資有限公司，浙江 寧波 315000;3.寧波工程學(xué)院 浙江省土木工程工業(yè)化建造工程技術(shù)研究中心，浙江 寧波 315000;4.騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

城市綜合管廊是指建于城市地下用于容納2類及2類以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施。"十三五"期間，綜合管廊累計(jì)規(guī)劃達(dá)到10 000 km[1]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，大部分在建或已經(jīng)建成的隧道管廊類工程在側(cè)墻、頂層等部位出現(xiàn)了裂縫[2-3]?；炷亮芽p的存在和發(fā)展不僅降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，而且容易發(fā)生滲漏現(xiàn)象，不利于管廊結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。

按照規(guī)范[4]要求，綜合管廊工程結(jié)構(gòu)防水等級為二級，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫等級應(yīng)為三級，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大裂縫寬度應(yīng)小于或等于0.2 mm，且不得貫通。目前，綜合管廊的裂縫控制研究主要集中在后期綜合管廊結(jié)構(gòu)的受力性能方面[5-6]，而綜合管廊裂縫往往在早期就形成了,因此需對綜合管廊混凝土早期裂縫采取控制措施。為探究干旱、大溫差環(huán)境下最有利的混凝土養(yǎng)護(hù)方式，許多研究者展開了相關(guān)研究。李強(qiáng)等[7]研究發(fā)現(xiàn)相較于自然養(yǎng)護(hù)方式，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下混凝土抗裂性能最好?？到〉萚8]經(jīng)研究表明，養(yǎng)護(hù)方式影響混凝土的抗裂性，土工布養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)和保溫保濕養(yǎng)護(hù)等不同養(yǎng)護(hù)方式中，保溫保濕養(yǎng)護(hù)防止混凝土開裂的效果最佳。也有研究人員提出，在混凝土制備時(shí)通過內(nèi)摻減縮劑的方式來降低毛細(xì)管張力，以提高混凝土的抗裂性能，在低水膠質(zhì)量比、高水泥用量下也能發(fā)揮優(yōu)良的減縮效果[9-10]。但內(nèi)摻減水劑也為混凝土帶來了不利影響，例如降低了混凝土力學(xué)性能[11]、影響混凝土拌和物性能、與減水劑間的相容性問題[12-13]，更為重要的是明顯增加了混凝土單方成本，制約了其推廣應(yīng)用。

近年來，研究人員提出了混凝土減縮劑噴涂工藝[13-15]，以克服內(nèi)摻工藝影響混凝土性能的缺點(diǎn)，同時(shí)具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。但目前對減縮劑減縮抗裂效果的研究較少。本文主要研究減縮劑噴涂養(yǎng)護(hù)、混凝土養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)及土工布養(yǎng)護(hù)3種養(yǎng)護(hù)方式對綜合管廊混凝土抗裂性能的影響，以探究類似薄壁結(jié)構(gòu)混凝土的最有利養(yǎng)護(hù)方式。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工程背景

明挖現(xiàn)澆綜合管廊工程東起通途路與清水橋路交叉口，西至通途路與世紀(jì)大道，世紀(jì)大道向北與新暉路相交。明挖段分為兩艙，長度約為49 m，兩艙凈寬分別為2.8 m和2.6 m，凈高為3.1 m，管廊的上下頂層與左右兩側(cè)厚350 mm，中間間隔厚250 mm，地下綜合管廊截面尺寸如圖1所示。設(shè)計(jì)采用C35普通混凝土，設(shè)計(jì)年限為100年。地下綜合管廊混凝土配合比見表1。

圖1 地下綜合管廊截面尺寸 (單位：m)Fig.1 Cross-sectional size of underground utility tunnel (unit：m)

表1 地下綜合管廊混凝土配合比Table 1 Concrete mixing ratio for utility tunnel

1.2 抗裂性試驗(yàn)方法

采用橢圓環(huán)法與實(shí)體模型試驗(yàn)2種方法研究減縮劑養(yǎng)護(hù)、混凝土養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)和土工布養(yǎng)護(hù)3種養(yǎng)護(hù)方式對綜合管廊混凝土抗裂性能的影響。

1.2.1 橢圓環(huán)法

橢圓環(huán)法試驗(yàn)裝置如圖2所示。橢圓鋼環(huán)尺寸:長半軸為105 mm，短半軸為45 mm，高50 mm；橢圓PVC外模尺寸:長半軸為125 mm，短半軸為65 mm，厚20 mm，高50 mm。

進(jìn)行橢圓環(huán)試驗(yàn)時(shí)，水泥膠砂環(huán)因收縮受到橢圓鋼環(huán)約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，這使得試件在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生早齡期收縮裂縫，并可預(yù)測裂縫最先出現(xiàn)的位置。水泥膠砂初始開裂時(shí)間是橢圓環(huán)法評價(jià)混凝土抗裂性能的指標(biāo)。初始開裂時(shí)間越遲，混凝土的抗裂性能越好。

本文中水泥膠砂橢圓環(huán)抗裂性試驗(yàn)每組2塊試驗(yàn)塊，共3組。采用的配合比：水膠質(zhì)量比為0.5，膠砂質(zhì)量比為0.5，粉煤灰摻量為膠凝材料的18%，礦粉摻量為膠凝材料的25%，減水劑摻量為膠凝材料的0.6%。膠砂試件澆筑后，在橢圓環(huán)膠砂表面覆蓋塑料薄膜，待其終凝后在橢圓環(huán)上涂抹蠟油，阻止水分從橢圓表面散失；24 h后拆除模具，使用毛刷將橢圓環(huán)表面刷干凈，再用毛刷在試件表面分別涂抹減縮劑、養(yǎng)護(hù)劑，并覆蓋尼龍布。定期觀測裂縫開裂情況，記錄裂縫出現(xiàn)的時(shí)間、位置、寬度和長度。當(dāng)?shù)?條貫穿裂縫出現(xiàn)時(shí)，停止試驗(yàn)。

1.2.2 實(shí)體模型試驗(yàn)法

在現(xiàn)場綜合管廊頂層取長約5 m、寬約5.65 m的平板，每塊平板上選取6塊位置相近、面積大小(600 mm×800 mm)相同的區(qū)域進(jìn)行實(shí)體模型試驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 綜合管廊混凝土實(shí)體試驗(yàn)平板選取示意圖 (單位：m)Fig.3 Schematic diagram of full-scale experiment of concrete for utility tunnel(unit：m)

為保證不同區(qū)域混凝土的均質(zhì)性，混凝土通過彎管泵送分段分層方式進(jìn)行澆筑，經(jīng)振搗、人工收光等工序后對綜合管廊混凝土表面各段按不同的養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，對各區(qū)域的裂縫寬度、長度及裂縫數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并參照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》[16]附錄A2推薦的平板法中的總裂縫面積來評價(jià)實(shí)體模型混凝土的抗裂性能。平板總開裂面積越小，說明混凝土抗裂性能越好。具體計(jì)算方法如下。

1)計(jì)算平均開裂面積(mm2):

(1)

2)計(jì)算單位面積平板的裂縫數(shù)量(條/mm2):

Y=N/A。

(2)

3)計(jì)算單位面積平板的總裂縫面積(mm2/m2):

Z=XY。

(3)

式(1)-(3)中：Wi為第i條裂縫的最大寬度，mm；li為第i條裂縫的長度，mm；N為總裂縫數(shù)目；A為試驗(yàn)板面積28.25 m2。

橢圓環(huán)法與實(shí)體模型試驗(yàn)中裂縫寬度采用SSS-110型裂縫測寬儀進(jìn)行測試。

1.3 養(yǎng)護(hù)方案

結(jié)合當(dāng)前施工中常用的養(yǎng)護(hù)方式，本試驗(yàn)采用混凝土減縮劑養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)及土工布養(yǎng)護(hù)3種養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行對比試驗(yàn)。養(yǎng)護(hù)方案見表2。

表2 養(yǎng)護(hù)方案Table 2 Maintenance schemes

具體養(yǎng)護(hù)方案如下。

1)減縮劑養(yǎng)護(hù)。采用某公司提供的SBT-SRA(I)減縮劑，其屬于聚醚類減縮劑，主要成分為烷基聚氧乙烯醚，具體物化性能指標(biāo)見表3。從混凝土開始加水?dāng)嚢璧綕仓昙s24 h后，在混凝土表面噴涂減縮劑養(yǎng)護(hù)，至混凝土表面濕潤為止。噴涂完成后在混凝土表面覆蓋土工布，3～4 h后對混凝土進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)14 d。

表3 減縮劑物化性能指標(biāo)Table 3 Physico-chemical properties of shrinkage reducer

2)養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)。采用的養(yǎng)護(hù)劑為某有限公司提供的Ereducer-201，其屬于高分子乳液型，主要成分以苯丙體系為主，具體物化性能指標(biāo)見表4。從混凝土開始加水?dāng)嚢璧綕仓s24 h后，在混凝土表面噴涂養(yǎng)護(hù)劑，至其表面濕潤；噴涂完成后覆蓋土工布，3～4 h后進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)14 d。

表4 養(yǎng)護(hù)劑物化性能指標(biāo)Table 4 Physico-chemical properties of curing agent

3)土工布養(yǎng)護(hù)。從混凝土加水開始攪拌到澆筑完約24 h后，在混凝土表面灑水，至其表面濕潤；然后用土工布對混凝土進(jìn)行覆蓋，并進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)14 d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥膠砂橢圓環(huán)抗裂試驗(yàn)

橢圓環(huán)開裂敏感性現(xiàn)場試驗(yàn)見圖4。表5示出不同養(yǎng)護(hù)方式下橢圓環(huán)開裂敏感性試驗(yàn)結(jié)果，其中，YH01為混凝土養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)，TG02為濕土工布養(yǎng)護(hù)，JS03為減縮劑養(yǎng)護(hù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果匯出養(yǎng)護(hù)方式與開裂時(shí)間、平均裂縫寬度的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖5所示。

圖5 養(yǎng)護(hù)方式與開裂時(shí)間、裂縫寬度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship among curing method,cracking time and crack width

表5 不同養(yǎng)護(hù)方式下橢圓環(huán)開裂敏感性試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of cracking sensitivity of cement mortar elliptical ring

從表5中可知：1)橢圓環(huán)約束下水泥膠砂試件裂縫基本出現(xiàn)在長軸45 mm附近；2)土工布和養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)的試件為貫穿性裂縫，減縮劑養(yǎng)護(hù)的試件雖然也是貫穿性裂縫，但裂縫寬度較土工布與養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)的小。

從圖5中可知：1)與土工布養(yǎng)護(hù)相比，減縮劑養(yǎng)護(hù)將水泥膠砂試件初始開裂時(shí)間從260 h推后了17.3 h，推遲了約6.65%；而養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)則將開裂時(shí)間提前了2 h，提前了約0.77%。2)減縮劑養(yǎng)護(hù)將橢圓環(huán)下約束水泥膠砂試件裂縫寬度從土工布養(yǎng)護(hù)下的0.375 mm減小到0.110 mm，即裂縫寬度降低了近70.67%；而混凝土養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下試件裂縫寬度增加到了0.417 mm，較土工布養(yǎng)護(hù)下裂縫開裂寬度增加了11.20%。從裂縫出現(xiàn)的時(shí)間和裂縫寬度來看，減縮劑養(yǎng)護(hù)下水泥膠砂試件抗裂性能最好，土工布養(yǎng)護(hù)方式次之。

2.2 綜合管廊混凝土實(shí)體模型試驗(yàn)

通過分析綜合管廊混凝土的表觀質(zhì)量、開裂情況，評價(jià)不同養(yǎng)護(hù)方式下綜合管廊混凝土抗裂性能的差異。表6示出不同養(yǎng)護(hù)方式下綜合管廊混凝土開裂情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖6和圖7分別示出不同養(yǎng)護(hù)方式下綜合管廊混凝土裂縫形態(tài)及表觀質(zhì)量。

表6 不同養(yǎng)護(hù)方式下綜合管廊混凝土開裂情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 6 Concrete cracks of utility tunnel under different curing methods

從表6中可知：1)減縮劑養(yǎng)護(hù)方式下混凝土7 d裂縫數(shù)量最少，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)次之，土工布養(yǎng)護(hù)下最多；2)裂縫寬度最大的為養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)，最小的為土工布養(yǎng)護(hù)；3)裂縫長度最大的為土工布養(yǎng)護(hù)，最小的為減縮劑養(yǎng)護(hù)；4)平板總裂縫面積最大的為混凝土養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)，土工布養(yǎng)護(hù)次之，最小的為減縮劑養(yǎng)護(hù)。綜上所述，3種養(yǎng)護(hù)方式中減縮劑養(yǎng)護(hù)下綜合管廊混凝土的抗裂性能最好。

(a) 土工布養(yǎng)護(hù)下24 h裂縫形態(tài) (b) 養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下24 h裂縫形態(tài)

(a) 平面圖

(a) 土工布養(yǎng)護(hù)

(c) 減縮劑養(yǎng)護(hù)下24 h裂縫形態(tài) (d) 土工布養(yǎng)護(hù)下7 d裂縫形態(tài)

(a) 減縮劑養(yǎng)護(hù) (b) 養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù) (c) 土工布養(yǎng)護(hù)圖7 不同養(yǎng)護(hù)方式下綜合管廊混凝土表觀質(zhì)量Fig.7 Apparent quality of utility tunnel concrete under different curing methods

從圖6中可知，綜合管廊混凝土7 d裂縫長度、開裂寬度及數(shù)量相比于24 h都有減少。由圖7可知：1)減縮劑養(yǎng)護(hù)下混凝土表面有較多的微型龜裂縫，無明顯麻面；2)養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下混凝土表面無明顯龜裂縫，但有明顯麻面；3)土工布養(yǎng)護(hù)下混凝土表面有麻面且伴有龜裂縫。

圖8示出不同養(yǎng)護(hù)方式下7 d齡期混凝土平板的總開裂面積。從圖中可知：減縮劑養(yǎng)護(hù)方式下混凝土平板總開裂面積最小，為103.43 mm2/m2；土工布養(yǎng)護(hù)方式次之，為195.04 mm2/m2；養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)方式下最大，為208.98 mm2/m2。減縮劑養(yǎng)護(hù)相比于土工布養(yǎng)護(hù)混凝土平板總開裂面積減少了46.97%，養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)相比于土工布養(yǎng)護(hù)混凝土平板總開裂面積增加了7.15%，減縮劑養(yǎng)護(hù)相比于養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)混凝土平板總開裂面積降低了近50.51%。

圖8 不同養(yǎng)護(hù)方式下7 d齡期混凝土平板的總開裂面積Fig.8 Total cracking areas concrete after 7 days of curing under different curing methods

綜上所述，從裂縫數(shù)目、裂縫最大寬度、裂縫最大長度和平板總開裂面積等方面分析可知，在養(yǎng)護(hù)方式選擇方面，減縮劑養(yǎng)護(hù)方式下綜合管廊混凝土抗裂性能最好，土工布與混凝土養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)相差不大。對于綜合管廊箱梁式薄壁地下結(jié)構(gòu)工程，為提高其早期混凝土抗裂性能，減縮劑養(yǎng)護(hù)方式可作為首選。

2.3 減縮機(jī)制分析

混凝土表面噴涂減縮劑的減縮作用機(jī)制與內(nèi)摻減水劑工藝相同，除了可以降低孔溶液中K+、Na+含量及毛細(xì)孔中水的表面張力之外，還可以減少試件內(nèi)部水分蒸發(fā)量，減小收縮[13，17]。雖然噴涂減縮劑只能作用于混凝土表面10 mm的區(qū)域[18]，但這一區(qū)域的水分是非常容易散失的，因此降低該區(qū)域因混凝土毛細(xì)孔失水而引起的收縮應(yīng)力，可提高表層混凝土的抗裂性能[19]。高分子乳液養(yǎng)護(hù)劑的作用機(jī)制為高分子乳液在混凝土表層干燥后形成一層薄膜，該膜可對混凝土表層的毛細(xì)孔進(jìn)行緊密封閉以抑制混凝土內(nèi)部的水分蒸發(fā),達(dá)到養(yǎng)護(hù)的目的[20]。土工布養(yǎng)護(hù)機(jī)制主要是使混凝土表面達(dá)到保濕效果，起保水作用。

綜上所述，減縮劑養(yǎng)護(hù)優(yōu)于其他2種養(yǎng)護(hù)方式的主要原因是其可以通過降低混凝土孔溶液的表面張力及水泥石總孔隙率和毛細(xì)孔數(shù)量，進(jìn)而有效減小混凝土干燥收縮及自收縮。養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)比土工布養(yǎng)護(hù)混凝土開裂更敏感的原因可能是養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)下混凝土表面形成的薄膜受混凝土表面的水、熱作用而破壞，以致混凝土表面水分蒸發(fā)產(chǎn)生區(qū)域性差異，從而使得平板總開裂面積增大，因此噴涂養(yǎng)護(hù)劑需要考慮成膜后的耐熱性、浸水溶解性。

3 結(jié)論與建議

針對綜合管廊混凝土的早期抗裂性能,本文基于不同的養(yǎng)護(hù)方式，通過橢圓環(huán)法和實(shí)體模型試驗(yàn)方法進(jìn)行相關(guān)研究，得出以下主要結(jié)論及建議。

1)養(yǎng)護(hù)方式會(huì)影響混凝土的抗裂性能，在本次試驗(yàn)中，噴涂聚醚類減縮劑養(yǎng)護(hù)對提高混凝土抗裂性能的能力明顯高于土工布和高分子乳液混凝土養(yǎng)護(hù)劑，其能推遲裂縫開裂時(shí)間，且很大程度上降低了管廊混凝土平板的總開裂面積。

2)在混凝土的早齡期內(nèi)，混凝土裂縫發(fā)展較快，常規(guī)的養(yǎng)護(hù)方法滿足不了其抗裂要求，必須采取相應(yīng)的保護(hù)措施防止混凝土開裂。經(jīng)過研究，對于綜合管廊混凝土薄壁結(jié)構(gòu)建議采取減縮劑養(yǎng)護(hù)的方式來提高混凝土的抗裂性能；此外，混凝土表面噴涂養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)時(shí)需要考慮成膜后的耐熱性、浸水溶解性。

本文僅研究了不同養(yǎng)護(hù)方式下綜合管廊混凝土抵抗干燥收縮與自收縮開裂的能力，對于綜合管廊薄壁混凝土結(jié)構(gòu)水化溫升引起的溫度裂縫并未展開研究。因此，建議進(jìn)一步研究施工工藝對薄壁混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的影響。