綜合管廊混凝土裂縫控制研究

胡振環(huán) 北京東方園林環(huán)境股份有限公司

1 前言

建筑結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量影響著人民的生命安全和公眾利益。裂縫，作為不可避免而又可以盡量減輕的災(zāi)害，直接影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的外觀和正常使用，甚至?xí)档徒Y(jié)構(gòu)的耐久性和整體性[1]。故深入分析理解裂縫產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)一步研究工程實(shí)用的防治措施，已成為亟待解決的重要工程問(wèn)題。

綜合管廊即城市地下管道綜合走廊，是以集約化方式敷設(shè)各種管線，從而高效利用城市的地下空間[2]。然而綜合管廊多深埋于地下，且易滲漏，作為超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)即通常所說(shuō)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，施工過(guò)程中的溫度應(yīng)力顯著，故裂縫控制是關(guān)鍵的技術(shù)難題。

本文首先討論了綜合管廊工程混凝土裂縫開(kāi)展的主要原因；指出了裂縫的種類(lèi)，成因和控制措施；同時(shí)結(jié)合工程實(shí)踐，總結(jié)了綜合管廊混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制有效措施，以及最新的大體積混凝土施工溫度裂縫控制方法，對(duì)提高工程質(zhì)量具有較高的現(xiàn)實(shí)意義。

2 綜合管廊工程混凝土裂縫開(kāi)展原因

從力學(xué)角度分析混凝土的開(kāi)裂原因?yàn)椋杭僭O(shè)混凝土在初始硬化的情況下不受力，發(fā)生干燥冷卻時(shí)開(kāi)始收縮，而混凝土兩端因受到約束不能自由改變長(zhǎng)度，就會(huì)在混凝土內(nèi)部引起拉應(yīng)力，當(dāng)收縮拉應(yīng)力到達(dá)材料的極限拉應(yīng)力時(shí)，材料就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

凝結(jié)硬化收縮和溫度收縮是混凝土的主要收縮形式?；炷廉a(chǎn)生收縮的原因有二，一是混凝土級(jí)配合理，孔隙得到填充，密實(shí)度高；二是混凝土的凝結(jié)硬化收縮，使其更加密實(shí)。溫度收縮，即混凝土水化過(guò)程發(fā)出大量的水化熱，混凝土溫度上升，引起混凝土內(nèi)部與表面的溫差以及混凝土結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境的溫差，溫度拉應(yīng)力進(jìn)而產(chǎn)生。當(dāng)溫度拉應(yīng)力大于材料的極限拉應(yīng)力時(shí)開(kāi)裂產(chǎn)生。

綜合管廊工程一般為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其混凝土體積大，水化熱高且不易釋放，局部位置內(nèi)部溫度可高達(dá)80℃，溫度收縮嚴(yán)重。

根據(jù)上述混凝土開(kāi)裂機(jī)理，不難歸納出控制綜合管廊工程的混凝土開(kāi)裂的基本原則：（1）減少混凝土的總體收縮及不均勻收縮，重點(diǎn)是溫度收縮；（2）減少混凝土所受的約束程度。

3 裂縫的分類(lèi)

裂縫分為受力裂縫和非受力裂縫。前者由直接荷載引起，由上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致不均勻沉降產(chǎn)生的沉降裂縫，地震造成的地震裂縫均屬此類(lèi)。后者即變形裂縫，由材料硬化收縮、溫度變化等引起。

對(duì)于工期較長(zhǎng)的綜合管廊工程，混凝土裂縫多為變形裂縫，發(fā)生在施工階段或者在工程交付正式使用以前。本文主要討論變形裂縫，這類(lèi)裂縫與設(shè)計(jì)要求、混凝土配比、環(huán)境條件、施工方案、養(yǎng)護(hù)方法等直接有關(guān)。

3.1 塑性收縮裂縫分析及控制

塑性收縮裂縫又分塑性干縮和塑性沉降兩種。

3.1.1 塑性干縮裂縫

塑性收縮裂縫是水泥基材料在硬化前，由于表面水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的干縮裂縫。其影響因素包括風(fēng)速氣溫和濕度。

防止塑性收縮開(kāi)裂的措施可歸納為：①預(yù)冷，降低混凝土的入模溫度；②用噴霧濕潤(rùn)混凝土上方的空氣；③設(shè)置風(fēng)障減少現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速；④設(shè)置遮陰棚，防止陽(yáng)光直射；⑤限制攪拌時(shí)間在最低所需程度；⑥縮短混凝土澆筑時(shí)期總工作時(shí)間（包括配置、泵送、澆筑和養(yǎng)護(hù)等階段）；⑦澆筑前潤(rùn)濕模板和底板。必要時(shí)將鋼筋加濕降溫；⑧澆筑后保持混凝土表面濕潤(rùn)，如用塑料薄膜覆蓋；⑨及時(shí)抹面和壓光。

3.1.2 塑性沉降裂縫

混凝土在制備時(shí)，水泥漿體中懸浮骨料顆粒。骨料密度高，易“沉降”；漿體密度低，水分易向上轉(zhuǎn)移，發(fā)生“泌水”。當(dāng)下沉的骨料遇到鋼筋螺栓等預(yù)埋件，下沉減緩或停止，與附近的骨料形成沉降差，混凝土表面就出現(xiàn)了塑性沉降裂縫。

防止塑性沉降開(kāi)裂的主要措施有：①混凝土的科學(xué)配比。保證稠度和保水性；②增加表面鋼筋的保護(hù)層厚度；③合理振搗；④加入引氣劑；⑤保證模板剛度及地基的穩(wěn)定性。

3.2 干燥收縮裂縫分析與控制

干燥收縮是混凝土的固有特性，存在于制備和工作的各個(gè)階段。其影響因素包括混凝土配比、水泥和骨料種類(lèi)、外加劑、構(gòu)件尺寸等。

控制凝結(jié)硬化混凝土收縮裂縫的主要措施有：①科學(xué)配比；②科學(xué)養(yǎng)護(hù)；③采用后澆帶、伸縮縫等施工措施。

3.3 溫度收縮裂縫分析與控制

溫度收縮裂縫是綜合管廊工程等大體積混凝土施工的重要技術(shù)問(wèn)題，其水化熱產(chǎn)生速度快，熱量高，難以排出，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力易導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。

混凝土澆筑的升溫和隨后的降溫，以及峰值溫度取決于諸多因素，包括混凝土的入模溫度，澆筑溫度，混凝土外露表面與其體積的比值，外部環(huán)境溫度等。

溫度收縮裂縫的防治措施：①降低水化熱及其釋放速度；②降低混凝土的澆筑溫度（入模溫度）；③控制散熱過(guò)程并防止混凝土表面溫度的驟然變化；④采用具備高抗拉性能和低熱膨脹系數(shù)的新型混凝土材料；⑤設(shè)置構(gòu)造鋼筋限制裂縫的寬度。

4 綜合管廊的混凝土裂縫控制

從美國(guó)的胡佛大壩工程，到前蘇聯(lián)的托克托古爾電站工程，再到我國(guó)的三峽大壩工程，其建造難度之高，花費(fèi)的人力財(cái)力之多，建造時(shí)間之久，都說(shuō)明了大體積混凝土施工已成為世界性難題[3-4]。近年來(lái)我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)或更新了相關(guān)規(guī)范，如北京地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1200—2015《超長(zhǎng)大體積混凝土結(jié)構(gòu)跳倉(cāng)法技術(shù)規(guī)程》，對(duì)大體積混凝土施工方法和抗裂性能做出要求。

筆者參與的“北京新機(jī)場(chǎng)臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)市政交通配套工程永興河北路（大廣高速—磁大路）道路及綜合管廊工程三標(biāo)段”工程項(xiàng)目，位于北京新機(jī)場(chǎng)北側(cè)。道路總長(zhǎng)1700m，總工期歷時(shí)700余天。該管廊混凝土結(jié)構(gòu)是超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土施工為大體積混凝土施工。其實(shí)，大多數(shù)綜合管廊現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)都具備地下、超長(zhǎng)和大體積的通性。本章筆者結(jié)合該工程項(xiàng)目，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和施工工藝三個(gè)方面，介紹綜合管廊的大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制方法，并給出工程上最新的大體積混凝土施工溫度裂縫控制方法。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程主管廊及支管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面采用整體現(xiàn)澆一～五跨閉合框架結(jié)構(gòu)?；炷亮芽p雖產(chǎn)生于施工時(shí)及施工后若干時(shí)間，但其控制絕非只在施工時(shí)進(jìn)行，應(yīng)同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工階段重點(diǎn)關(guān)注。超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)在此方面要求更為嚴(yán)格，如果結(jié)構(gòu)存在不可控的非結(jié)構(gòu)性裂縫，將對(duì)耐久性造成重大損害。

為控制裂縫，本項(xiàng)目從在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，從結(jié)構(gòu)形式、配筋、構(gòu)造措施方面采取措施。

（1）綜合管廊混凝土工程作為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行溫度應(yīng)力校核計(jì)算，并重點(diǎn)考慮以下因素的影響：①下部結(jié)構(gòu)的水平剛度對(duì)變形的約束作用；②結(jié)構(gòu)合攏后的溫度變化；③混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)截面剛度降低的負(fù)面影響；④混凝土結(jié)構(gòu)的徐變對(duì)減少結(jié)構(gòu)裂縫的有利影響。

（2）在設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)施工提出如下要求：①針對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)巖石地基方面，設(shè)滑動(dòng)層，減弱混凝土受到的約束。②針對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置后澆帶和加強(qiáng)帶；變形縫應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求，除基礎(chǔ)外，在外壁，頂板，底板設(shè)變形縫,因綜合管廊多位于地下，設(shè)計(jì)時(shí)要同時(shí)兼顧防水問(wèn)題。圖1為本工程的變形縫設(shè)計(jì)圖，僅供參考。③針對(duì)大面積底板混凝土，采用分倉(cāng)法施工。

圖1 綜合管廊變形縫設(shè)計(jì)圖

4.2 材料要求

對(duì)于大體積混凝土工程和非大體積混凝土工程，材料選取的原則上差別不大，原理上都是為了抑制干燥收縮裂縫和塑性沉降裂縫。只是大體積混凝土工程對(duì)此有著更嚴(yán)格的要求。為控制裂縫，本項(xiàng)目主要從混凝土原材料控制和配合比設(shè)計(jì)兩方面采取措施：

4.2.1 原材料要求

如上文4.2 所述，合理選用原材料，可極大程度上控制干燥收縮。①水泥。選用合適的水泥種類(lèi)。保持低水泥比表面積，低水泥堿含量，低水泥溫度。②粗骨料。采用多級(jí)級(jí)配，保持高粗骨料堆積密度，低緊密堆積密度的空隙率。此外，骨料不可暴曬，露天堆放，宜保持低骨料使用溫度（＜28℃）。③減水劑。應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，考慮季節(jié)和施工工藝因素的影響，合理選用緩凝型、防凍型或標(biāo)準(zhǔn)型高性能減水劑。使用時(shí)應(yīng)注意由減水劑引起的混凝土中堿含量、氯離子含量和硫酸鹽含量的增加，分別不應(yīng)高于0.3kg/m3，0.02kg/m3和0.2kg/m3。④摻合料?？蓮?fù)合使用粉煤灰和礦渣粉礦物摻合料。⑤纖維混凝土。可根據(jù)工程需求和混凝土的形能需求，選取短切鋼纖維混凝土或合成纖維混凝土等新型材料。鋼纖維混凝土具備高抗拉強(qiáng)度和更好的抗疲勞性能。

4.2.2 配合比要求

①低水泥用量。保持低混凝土水膠比（＜0.45），低水泥用量（如C60 以下混凝土小于550kg/m3）。②多使用摻礦物。③混凝土設(shè)計(jì)齡期，驗(yàn)收依據(jù)宜為長(zhǎng)齡期強(qiáng)度。部分構(gòu)件可取60d作為齡期。

4.3 施工要求

為控制裂縫開(kāi)展，本項(xiàng)目施工階段采取以下措施：（1）作為超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求在施工前采取降低混凝土收縮的有效措施，本項(xiàng)目采用了分倉(cāng)法，跳倉(cāng)法和后澆帶施工。①分倉(cāng)法施工。綜合管廊混凝土工程分倉(cāng)澆筑，區(qū)段長(zhǎng)度小于40m，澆筑間隔時(shí)間多于7d。②后澆帶施工。后澆帶寬度可為800mm 左右，設(shè)置間距為50m 左右。其混凝土采用更高一等級(jí)的無(wú)收縮或微膨脹混凝土。（2）從混凝土澆筑、水化熱溫升控制、方面控制溫度裂縫，從綜合養(yǎng)護(hù)技術(shù)方面控制塑性收縮裂縫。①施工前，采用理論分析，數(shù)值模擬或試驗(yàn)研究等方法校核驗(yàn)算澆筑時(shí)的溫度應(yīng)力。②通常，混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)擋風(fēng)，防雨，避免陽(yáng)光直射，及時(shí)覆蓋，合理拆模。③采用多種方法科學(xué)養(yǎng)護(hù)。如摻加養(yǎng)護(hù)劑，外包節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜等。

4.4 大體積混凝土施工最新溫度裂縫控制方法

大體積混凝土施工溫度裂縫控制是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，以下總結(jié)了近年來(lái)較流行的控制方法。工程實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，從現(xiàn)場(chǎng)條件和環(huán)保等方面綜合考慮，選取控制方法。

4.4.1 保溫材料覆蓋法

該方法是使用保溫材料（如塑料薄膜、草木編織物等）覆蓋混凝土表面。該方法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直接，成本較低。缺點(diǎn)是只適用于尺寸較小的結(jié)構(gòu)，且由于所用材料多為一次性材料，不夠綠色環(huán)保。

4.4.2 預(yù)埋冷卻水管法

即在混凝土內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管，澆筑時(shí)通入冷水降溫。該方法降溫顯著，但施工操作復(fù)雜，造價(jià)較高。

4.4.3 相變材料（PCM）控制法

PCM相變材料在高溫時(shí)儲(chǔ)能，降溫時(shí)釋放能量。利用這一特點(diǎn)將相變材料（如石墨、月桂酸、十八烷等）用于水化熱的控制，改善溫度裂紋。目前該方法處于試驗(yàn)和工程的初級(jí)階段，尚不成熟。

4.4.4 循環(huán)蓄水控制法

該方法主要適用于大體積混凝土基礎(chǔ)底板施工的溫度裂縫控制。利用天然降水，在調(diào)溫槽和基礎(chǔ)底板表面的降溫池之間水循環(huán)，控制養(yǎng)護(hù)水的濕度和溫度[5]。該方法有效利用水資源，有助于構(gòu)建“海綿城市”，目前已應(yīng)用于北京部分工程項(xiàng)目。

5 結(jié)束語(yǔ)

裂縫控制經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者和工程同仁的百年努力，已經(jīng)取得了一定的成果。本文討論了綜合管廊結(jié)構(gòu)混凝土開(kāi)展裂縫的主要原因，針對(duì)不同種裂縫，給出了具體成因，影響因素和防治方法；并結(jié)合筆者參加的綜合管廊工程，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和施工工藝三方面，歸納了綜合管廊混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制的有效措施，總結(jié)了大集體混凝土澆筑的控制溫度裂縫的最新工程技術(shù)。

在永興河北路（大廣高速—磁大路）道路及綜合管廊工程三標(biāo)段的施工中，筆者結(jié)合相關(guān)規(guī)范、施工組織設(shè)計(jì)和本文裂縫的分類(lèi)等相關(guān)內(nèi)容，實(shí)地應(yīng)用，深刻總結(jié)，裂縫開(kāi)展得到了有效的控制，保證了項(xiàng)目的工程質(zhì)量。