明挖隧道高強(qiáng)度薄壁側(cè)墻混凝土裂縫防控技術(shù)

王超峰，禹化偉

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣州 511458； 2.中鐵隧道局三處有限公司,深圳 515073)

為了提高結(jié)構(gòu)自身防水性能和耐久性，海洋服役環(huán)境中普遍采用高強(qiáng)度高性能混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，雖然摻入高性能外加劑、礦物摻合料能使混凝土滿足力學(xué)性能要求，同時提高工作性能和耐久性，但未充分改善其收縮性質(zhì)，并且在施工階段就出現(xiàn)由于溫度變化、體積收縮以及內(nèi)外約束等原因而產(chǎn)生的非荷載危害性裂縫，由此帶來嚴(yán)重的開裂、滲漏、破壞問題。

以某海底明挖隧道薄壁側(cè)墻結(jié)構(gòu)作為施工案例，該文對高性能混凝土溫度、收縮裂縫控制技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 工程混凝土設(shè)計及施工概況

項目主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻混凝土厚度大部分在0.8 m，工程所處環(huán)境為Ⅲ-E非常嚴(yán)重的海洋氯化物環(huán)境，混凝土設(shè)計為C50/P10混凝土。設(shè)計要求混凝土裂縫寬度≤0.2 mm，混凝土澆筑入模溫度≤28 ℃，混凝土內(nèi)外溫差≤25 ℃，混凝土配合比設(shè)計應(yīng)采用大摻量礦物摻合料，混凝土水膠比宜為0.28～0.32，膠凝材料總量范圍為340～450 kg/m3，不采用預(yù)埋冷卻水管的降溫措施。試驗段采用的混凝土配合比見表1，混凝土性能見表2。

表1 混凝土配合比

表2 混凝土性能

主體結(jié)構(gòu)采用底板—側(cè)墻—頂板的順序澆筑，側(cè)墻一次性澆筑高度為4 m，一次澆筑長度為30 m。采用木模板，模板厚度3.5 cm，底板完成澆筑15d后開始側(cè)墻混凝土澆筑，側(cè)墻澆筑后第1 d松動模板，第2d拆模，拆模后外掛土工布人工噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期限為7d。

2 試驗段裂縫監(jiān)測情況

第一個試驗段30 m跨度側(cè)墻混凝土拆模后對裂縫進(jìn)行了觀測統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見圖1。

從圖1中可看出，拆模后第1 d便出現(xiàn)一條裂縫，隨齡期增長，混凝土裂縫數(shù)量直線發(fā)展，至第6 d裂縫數(shù)量趨于穩(wěn)定，裂縫寬度也隨養(yǎng)護(hù)時間延長增大，至第9 d趨于穩(wěn)定。14條裂縫中有5條存在滲水現(xiàn)象，現(xiàn)場裂縫典型代表見圖2。

3 裂縫形成機(jī)理分析

該工程結(jié)構(gòu)不僅體量大易產(chǎn)生溫度變化及收縮變形，同時工程結(jié)構(gòu)長度及高度尺寸遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)厚度，為薄壁結(jié)構(gòu)。與一般結(jié)構(gòu)相比，薄壁結(jié)構(gòu)散熱面積大、水分散發(fā)速度快且散熱量大，由于內(nèi)外表面的溫差及收縮差引起較大的約束應(yīng)力，厚壁溫差大，薄壁溫差小，故間接地影響應(yīng)力大小，似乎越薄越好；但越薄收縮快，均質(zhì)性差，抗裂度也越低，結(jié)構(gòu)材料越薄，溫差梯度越大，承受均勻溫度收縮的層厚越小，越容易開裂[1]。

該項目首段側(cè)墻混凝土在0.5～1 d時間中心溫度達(dá)到峰值，中心最高溫度約為75 ℃，可見膠凝材料水化速度非常快，滿足規(guī)范要求的拆模條件為里-表溫差≤25 ℃、表-環(huán)溫差≤20 ℃，拆模時間應(yīng)在澆筑后2.5～3 d，實測溫升曲線見圖3。

從溫升曲線可以看出，混凝土里表溫差最高僅為14.3 ℃，完全滿足混凝土拆模溫度要求，表面與環(huán)境溫差最高為33.5 ℃，在混凝土齡期2.7 d時溫差達(dá)到拆模要求的溫度20 ℃。

該工程結(jié)構(gòu)施工順序為先澆筑底板后澆筑側(cè)墻，側(cè)墻澆筑后降溫過程產(chǎn)生的收縮變形受到先澆筑底板的約束。這種外界的約束對混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，若不改善或減小結(jié)構(gòu)的相對約束，會產(chǎn)生有害裂縫。

因此對于高強(qiáng)度大體積薄壁側(cè)墻混凝土，控制裂縫的關(guān)鍵，一是控制溫差，二是鎖水保濕控制后期干縮，三是加快底板與側(cè)墻的施工間隔，減小約束。

4 改進(jìn)措施

4.1 調(diào)整施工方案

4.1.1 修正混凝土澆筑跨度

有研究表明，對于大體積混凝土，側(cè)墻分段長度宜為16 m[2]。因此，混凝土一次性澆筑高度保持4 m不變，澆筑跨度由30 m改為18 m，墻體跨度/高度由原來的7.5 m降為4.5 m，這樣約束度Kr由0.8降低至0.65，降低幅度為19%。

4.1.2 改變模板形式和拆模時間

因木模板較難承受混凝土的高水化熱造成的變形，推遲拆模時間模板無法承受過高的水化熱溫度所導(dǎo)致的變形，無奈只能提前拆模，為此，將木模板改為鋼模板，并在鋼模板外側(cè)粘貼4 cm厚聚氨脂保溫泡沫板，根據(jù)過程的溫度監(jiān)控結(jié)果，拆模時間延長至7 d，且期間不松動模板。雖然項目在試驗段時拆模時間為2 d基本可以滿足混凝土中心與表面溫差不超過25 ℃、混凝土表面溫度與環(huán)境溫度之差不超過20 ℃的要求，但仍出現(xiàn)大量裂縫，說明溫度控制值過于寬松。有研究表明[3]，為使得開裂風(fēng)險系數(shù)不超過0.7，建議控制里表溫差不超過18 ℃(開裂風(fēng)險系數(shù)指混凝土內(nèi)拉應(yīng)力與其抗拉強(qiáng)度之比)。

在木模板與保溫型的鋼模板的保溫性能對比方面，聚氨脂泡沫板(PU)的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.02 W/(m·K)，而木模板材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.15 W/(m·K)，鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)為80 W/(m·K)。使用保溫型鋼模板有更好的保溫效果，且鋼板優(yōu)異的剛度可在一定程度抵抗混凝土表面的收縮應(yīng)變，對混凝土表面體積穩(wěn)定性有一定的約束作用。

4.1.3 改變養(yǎng)護(hù)方法

混凝土澆筑完成時，待頂面水分稍蒸發(fā)，時間約為1 h，在表面噴涂養(yǎng)護(hù)劑起到表面水分封閉作用。研究表明，干燥收縮有一個相當(dāng)長的發(fā)展過程，2周、3個月、1年齡期的干燥收縮值分別為20年齡期干燥收縮值的14%～34%、40%～80%、66%～85%[4]。

混凝土的干縮率與水膠比有密切關(guān)系，最終收縮應(yīng)變在2～5×10-4的范圍。由于灑水養(yǎng)護(hù)受人為因素影響較大，為節(jié)約勞動力投入、環(huán)保、高效起見，混凝土在拆模時直接刷涂高分子成膜混凝土養(yǎng)護(hù)劑。該養(yǎng)護(hù)劑是一種高分子涂膜材料，噴灑或涂刷在混凝土表面，固化后形成一層致密的薄膜，使混凝土表面與空氣隔絕，防止水分過快蒸發(fā)，保證混凝土具有較好的保水養(yǎng)生條件，刷涂方式見圖4。

4.2 優(yōu)化混凝土配合比

4.2.1 優(yōu)選原材料

1)水泥：為控制水化熱，將原PO 52.5水泥改為PⅡ42.5水泥。因普通硅酸鹽水泥中摻合料的摻量不確定，一味降低水泥用量不一定有益，且目前絕大多數(shù)PO 42.5水泥的檢驗結(jié)果也符合PO 42.5R水泥的檢驗結(jié)果，所以選擇了PⅡ42.5硅酸鹽水泥，而未選擇PO 42.5普通水泥。因水泥越細(xì)，水化越快，因此與水泥廠家協(xié)商，水泥比表面積嚴(yán)格控制在350 m2/kg以內(nèi)。水泥的細(xì)度對自收縮值也有影響，較細(xì)的水泥在早期表現(xiàn)出較大的自收縮速度[5]。

2)骨料：骨料的含泥量、粒形、線膨脹系數(shù)對混凝土強(qiáng)度、開裂風(fēng)險影響很大，后期試驗對比了石灰?guī)r與花崗巖的強(qiáng)度、收縮性能，實測石灰?guī)r7 d強(qiáng)度較花崗巖骨料高8%，干縮率低11%。線膨脹系數(shù)指材料隨著溫度變化的應(yīng)變量，石灰?guī)r的線膨脹系數(shù)約在5×10-6/K，而晶粒較大的花崗巖的線膨脹系數(shù)約在10×10-6/K，石灰?guī)r的線膨脹系數(shù)較花崗巖低一半，宜首選石灰?guī)r碎石。

3)減水劑：原使用減水劑初凝時間約6 h，終凝時間約8 h，經(jīng)對減水劑成分的重新調(diào)整，初凝時間調(diào)整為15 h，終凝時間19 h，大幅延長了混凝土的凝結(jié)時間。

4.2.2 優(yōu)化配合比

1)經(jīng)與設(shè)計單位研究，將混凝土的強(qiáng)度評定齡期由28 d改為60 d，在不采用60 d齡期的情況下，大摻量礦物摻合料混凝土28 d強(qiáng)度保證率不高。

2)大幅提高了粉煤灰用量，降低了水泥、礦渣粉用量，單摻粉煤灰雖然很大程度降低水化熱、早期強(qiáng)度，但雙摻粉煤灰、礦渣粉效果更顯著。研究表明，高標(biāo)號混凝土在摻加粉煤灰的情況下，與礦渣粉復(fù)摻，在進(jìn)一步提高混凝土力學(xué)性能的同時，能夠降低反應(yīng)水化熱和絕熱溫升[6]。經(jīng)計算，改變水泥品種及摻合料摻量后，膠凝材料體系的絕熱溫升由42.8 ℃降為33.6 ℃，降低幅度為21%。

3)水膠比經(jīng)試驗選用0.32，較原配合比提高了0.01。過小的水膠比，混凝土內(nèi)部無法克服的自收縮將占主導(dǎo)。研究顯示在水膠比為0.25左右時，混凝土的自收縮達(dá)到最大值[7]。在密封養(yǎng)護(hù)條件下混凝土內(nèi)部相對濕度與其收縮具有較好的同步性，混凝土內(nèi)部相對濕度可以看作其收縮發(fā)展的驅(qū)動力；水灰比越大，自干燥引起的混凝土內(nèi)部相對濕度下降幅度越大，混凝土的收縮越大[8]。調(diào)整后的配合比及性能見表3、表4。

表3 優(yōu)化后混凝土配合比

表4 優(yōu)化后混凝土性能

5 實際效果

按上述配合比及其它施工措施進(jìn)行了一模側(cè)墻混凝土澆筑，經(jīng)30 d的持續(xù)觀察，裂縫病害有極大改觀。裂縫發(fā)展情況見圖5。

與第一個試驗段相比，裂縫數(shù)量為3條，較最初14條(折合18 m跨度為8.4條)減少了64%，且裂縫平均寬度由0.5 mm降低為0.2 mm，均未貫通滲水，符合驗收要求。

通過各項措施的改進(jìn)，混凝土溫度監(jiān)控情況大有變化：首先，中心溫度峰值大幅下降，由最初的75 ℃降至59 ℃，溫峰出現(xiàn)時間由1 d以內(nèi)推遲至3 d，同時由于保溫模板的作用，混凝土表面溫度降低速度較慢，形成良好的溫度梯度，7 d拆模時表面溫度與環(huán)境溫度差約在17 ℃，中心溫度與環(huán)境溫度之差約在20 ℃。改進(jìn)后的混凝土溫度監(jiān)測記錄見圖6。5～7 d齡期為較理想的拆模時機(jī)，且齡期越長越好，越長的齡期，混凝土可以獲得更高的抗拉強(qiáng)度以抵抗溫度降低造成的內(nèi)應(yīng)力。

從溫度監(jiān)控記錄看出：

1)在采用保溫模板的情況下，混凝土中心與表面溫差較均衡，最大溫度為10 ℃，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的25 ℃。

2)表面與環(huán)境溫差較大，在齡期2～7 d時其值在20～24 ℃，7 d以內(nèi)不宜拆模。因里表溫差接近，中心與環(huán)境、表面與環(huán)境溫差均可作為混凝土拆模的控制條件。

6 結(jié)論與建議

在不采用循環(huán)水冷卻措施的情況下，通過采用優(yōu)化配合比，改進(jìn)施工工藝等措施，使項目混凝土裂縫情況得到了有效控制，對大體積混凝土側(cè)墻混凝土的防裂，可作出以下總結(jié)。

1)混凝土水化溫升是引起混凝土開裂的根本原因，合理的混凝土配合比可大幅降低絕熱溫升，所以，混凝土配合比是裂縫控制的關(guān)鍵。配合比設(shè)計宜采用大摻量礦物摻合料配合比，混凝土強(qiáng)度評定齡期宜采用56 d或60 d，不宜采用28 d評定。同時，調(diào)整外加劑緩凝組分，在不影響施工進(jìn)度、模板承載能力的情況下，盡可能延長混凝土凝結(jié)時間。

2)相對于配合比引起的溫升，混凝土入模溫度的影響較小，但控制入模也是一項重要措施。

3)薄壁結(jié)構(gòu)混凝土散熱面積大、散熱快，控制降溫速率是施工階段重點工作，采用木模板、保溫鋼模板均可控制降溫速率，但木模板較保溫鋼模板，其對混凝土表面的約束作用較小，故采用保溫鋼模板。

4)拆模時間一般采用里表溫差、表環(huán)溫差雙控，使用表面-環(huán)境溫差進(jìn)行控制更為合理，合理的拆模時間較常規(guī)拆模時間宜長2～3倍，在保證溫差的同時，給予混凝土充足的抗拉強(qiáng)度增長時間，而且充分發(fā)揮了模板對混凝土表面收縮應(yīng)力的約束作用。

5)采用養(yǎng)護(hù)劑較傳統(tǒng)的水養(yǎng)方法相比，一勞永逸，同時避免了拆模時灑水造成的表面迅速降溫而引起的裂縫形成。

在以上各項措施同時應(yīng)用的條件下，通過對試驗段混凝土的裂縫統(tǒng)計情況看，混凝土裂縫數(shù)量、平均裂縫寬度在一定齡期內(nèi)可降低60%以上，對工程施工質(zhì)量有重要意義。