內(nèi)襯墻大體積混凝土溫度監(jiān)測及裂縫控制技術(shù)

樊俊江

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 前言

深層調(diào)蓄隧道是指埋設(shè)在深層地下空間的大型、特大型排水隧道。深層調(diào)蓄隧道工程（簡稱深隧工程）由于排水量巨大，豎井部分直徑較大，使得內(nèi)襯墻混凝土結(jié)構(gòu)受到較大的環(huán)形約束，加上內(nèi)襯墻屬于大體積混凝土，施工后容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[1]。一旦出現(xiàn)開裂，弱酸性的初期雨污水及其內(nèi)部的侵蝕性離子會加速內(nèi)襯墻鋼筋混凝土銹蝕，影響工程安全，因此有必要研究深隧工程內(nèi)襯墻大體積混凝土的裂縫控制技術(shù)[2]。

當(dāng)大體積混凝土在約束條件下因收縮變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時，大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。這些收縮主要包括混凝土溫度變化引起的溫度收縮、水化引起的自生收縮以及濕度變化引起的干燥收縮[3]。相同約束條件下，混凝土裂縫控制的核心在于控制混凝土的收縮，使收縮應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度的發(fā)展相匹配，包括材料和施工2個層面。材料層面的收縮控制措施包括選用低水化熱水泥[4]、降低膠凝材料用量、提高摻合料摻量、摻加具有緩凝或膨脹功能的外加劑等[5]；施工層面的收縮控制措施包括降低混凝土入模溫度、內(nèi)埋冷卻水管[6]、保溫養(yǎng)護(hù)、保濕養(yǎng)護(hù)[7]等。此外也可以通過摻加纖維提高混凝土的抗拉強(qiáng)度來提高混凝土抗裂性能[8]，但使用纖維會增加混凝土成本，并對混凝土拌合物性能質(zhì)量控制提出了較高要求，實(shí)際工程中應(yīng)用并不廣泛。

本文針對深隧工程內(nèi)襯墻的特點(diǎn)，通過大摻量摻合料、摻加抗裂劑[9-10]、保溫保濕養(yǎng)護(hù)幾項(xiàng)較為經(jīng)濟(jì)便捷的措施，研究深隧工程內(nèi)襯墻大體積混凝土的裂縫控制技術(shù)，并通過在深隧工程內(nèi)襯墻環(huán)梁部位開展溫度監(jiān)測和裂縫觀察來驗(yàn)證裂縫控制效果。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

水泥：金山南方P·O42.5水泥，主要技術(shù)性能見表1；粉煤灰：濤海鳳臺Ⅱ級C類，細(xì)度29%、需水量比100%；礦粉：日照京華S95級，比表面積440 m2/kg，28 d活性指數(shù)96%；細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)2.7的天然河砂；粗骨料：5～25 mm連續(xù)級配碎石；外加劑：西卡SK1220 A3型聚羧酸減水劑，含固量20%，減水率25%；抗裂劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)，由膨脹功能組分和水化熱調(diào)控組分[11]復(fù)合而成。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

深隧工程內(nèi)襯墻大體積混凝土應(yīng)具有良好的和易性、包裹性、保水性，保證大落差的超深深度情況下不分層、不離析、不泌水。應(yīng)具有與施工工藝、節(jié)奏匹配的凝結(jié)時間，避免出現(xiàn)施工冷縫。此外，由于深隧工程內(nèi)襯墻屬于超大尺寸圓環(huán)結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮控制混凝土水化熱以及溫度變化歷程對混凝土抗裂性能的影響?；谏鲜隹紤]，深隧工程內(nèi)襯墻混凝土的主要配合比參數(shù)設(shè)計如下：膠凝材料用量459 kg/m3，摻合料摻量50%，砂率43%，減水劑摻量占膠凝材料質(zhì)量的0.65%。混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級C40，擴(kuò)展度（600±50）mm，具體配合比如表2所示。當(dāng)使用抗裂劑時，抗裂劑摻量為37 kg/m3，作為摻合料等質(zhì)量取代部分粉煤灰和礦粉。

表2 摻抗裂劑前后內(nèi)襯墻混凝土的配合比kg/m3

1.2 試驗(yàn)方法

膠凝材料的水化熱按GB 12959—2008《水泥水化熱測定方法》進(jìn)行測試；混凝土的坍落度、坍落度損失、凝結(jié)時間、絕熱溫升按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試；抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試；氯離子擴(kuò)散系數(shù)、電通量、自收縮和干縮按GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

內(nèi)襯墻環(huán)梁混凝土的溫度監(jiān)測采用基于云平臺的數(shù)字化溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)[12]，包括溫度傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊和溫度在線監(jiān)測平臺4個子系統(tǒng)。系統(tǒng)將現(xiàn)場溫度傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉嗤ǖ啦杉K，然后通過5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)無線傳輸至云端服務(wù)器并嵌入平臺軟件，從而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測環(huán)梁內(nèi)部混凝土的溫度信息。由于環(huán)梁的厚度為1.3 m，在制定溫度監(jiān)測方案時，在距表面50 mm處及中部位置各布置1個傳感器，用于監(jiān)測溫度并分析溫控指標(biāo)。

內(nèi)襯墻環(huán)梁混凝土的裂縫主要通過肉眼觀察統(tǒng)計，并按環(huán)梁結(jié)構(gòu)繪制示意圖以體現(xiàn)裂縫的分布，裂縫寬度采用裂縫寬度觀測儀測試。

2 抗裂措施對內(nèi)襯墻混凝土性能的影響

2.1 大摻量摻合料對膠凝材料水化熱和混凝土絕熱溫升的影響

提高混凝土膠凝材料中摻合料的摻量是控制大體積混凝土溫度應(yīng)力的重要措施[13]。目前預(yù)拌混凝土中主要為礦粉與粉煤灰雙摻，在大體積混凝土中摻合料摻量常在40%以上。研究了粉煤灰與礦粉雙摻（粉煤灰與礦粉的質(zhì)量比為1∶1），摻量分別為40%、50%、60%情況下膠凝材料的水化熱，并與純水泥、單摻50%粉煤灰、單摻50%礦粉進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可見：

（1）采用大摻量摻合料取代水泥后，膠凝材料的水化熱較純水泥有明顯降低。單摻50%粉煤灰降低水化熱效果最明顯，7 d水化熱僅為177.6 kJ/kg，較純水泥降低了41.3%。單摻50%礦粉降低水化熱幅度最小，7 d水化熱為224.3 kJ/kg，較純水泥降低了18.2%。雙摻粉煤灰與礦粉時，摻量為40%、50%、60%摻量下7 d水化熱較純水泥分別降低了22.0%、27.5%、35.2%，降幅隨摻合料總摻量的增加而增大。

（2）從水化放熱速率的峰值和出現(xiàn)時間來看，大摻量使用摻合料延后了水化速率峰出現(xiàn)的時間，并顯著降低膠了凝材料的水化熱放熱速率，摻合料的摻量越多，水化放熱速率的峰值越小，出現(xiàn)時間越晚。相同摻量下，礦粉對水化放熱速率峰值出現(xiàn)時間的延后作用更明顯。但由于礦粉具有較高的火山灰活性，在膠凝材料水化24 h后與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，與水泥自身的水化放熱峰疊加，形成了較為尖銳的水化放熱峰，從而使整個體系的水化放熱量降幅減小[14]。單摻礦粉的膠凝材料體系在水化接近3 d時，總水化熱已經(jīng)超過除純水泥外的所有膠凝材料體系。

總體來看，粉煤灰對膠凝材料水化熱降低效果優(yōu)于礦粉，但由于粉煤灰的活性較低，目前對于單摻粉煤灰的摻量通?？刂?0%以下，最高不超過40%。綜合考慮深隧工程內(nèi)襯墻對混凝土拌合物性能和耐久性能要求，以及冬季施工早期強(qiáng)度的發(fā)展，本工程仍選擇粉煤灰、礦粉雙摻以發(fā)揮摻合料的復(fù)合效應(yīng)，摻量為50%。

將粉煤灰與礦粉復(fù)合摻合料以不同摻量（粉煤灰與礦粉的質(zhì)量比為1∶1）用于深隧工程內(nèi)襯墻混凝土，測試混凝土的絕熱溫升，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，由于隨著摻合料摻量的增加，膠凝材料的水化熱降低，相應(yīng)地測得的混凝土絕熱溫升也有明顯下降。大摻量復(fù)合摻合料可顯著降低C40混凝土不同齡期的絕熱溫升。當(dāng)摻合料摻量分別為20%、40%、50%時，混凝土的28 d絕熱溫升分別為57.8、51.6、44.3℃。摻合料摻量從20%增加到50%時，1、28 d絕熱溫升分別降低了44%、23%，降低溫升效果良好。

2.2 抗裂劑對內(nèi)襯墻混凝土性能的影響

摻與不摻抗裂劑的內(nèi)襯墻混凝土性能對比如表3所示，其中技術(shù)要求為根據(jù)深隧工程特點(diǎn)制定的關(guān)鍵拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能指標(biāo)的限值要求。絕熱溫升對比如圖4所示。

表3 摻加抗裂劑前后內(nèi)襯墻混凝土的性能對比

由表3、圖4可見：

（1）摻抗裂劑對拌合物性能產(chǎn)生了一定的影響，混凝土的初始擴(kuò)展度略有增大，對應(yīng)的擴(kuò)展度損失也有所增大，初凝時間由10.25 h延長至14.08 h，1 d絕熱溫升由15.5℃降低至7.1℃，降幅達(dá)到54%。這主要是由于抗裂劑中的水化熱抑制組分使水泥顆粒的水化延緩，導(dǎo)致拌合物凝結(jié)硬化速率變慢，但抗裂劑的摻入不會降低膠凝材料體系的最終溫升值，與不摻抗裂劑的混凝土相比，7 d絕熱溫升反而升高了2℃。

（2）摻加抗裂劑對混凝土的力學(xué)性能和耐久性能基本無影響，各齡期的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、電通量結(jié)果相近，滿足工程技術(shù)要求。但對混凝土的3 d自收縮產(chǎn)生了較大的影響，由于抗裂劑中膨脹組分的作用，3 d齡期時不但沒有收縮反而出現(xiàn)了289με的膨脹應(yīng)變，28 d干縮也因抗裂劑的摻入降低了10%。

總體看，摻抗裂劑對深隧工程內(nèi)襯墻混凝土性能無不利影響，起到了降低混凝土早期水化放熱和補(bǔ)償早期收縮的作用。

3 抗裂措施在深隧工程內(nèi)襯墻環(huán)梁混凝土中的應(yīng)用與效果分析

基于大摻量摻合料和抗裂劑在內(nèi)襯墻混凝土制備過程中良好的降低混凝土溫升和收縮的效果，在某深隧工程內(nèi)襯墻第2道環(huán)梁混凝土中開展了上述抗裂措施的應(yīng)用，并對比了覆蓋土工布保溫養(yǎng)護(hù)措施和覆蓋塑料薄膜保濕養(yǎng)護(hù)措施對開裂情況的影響，保溫養(yǎng)護(hù)的土工布覆蓋層厚度控制為4 cm，保濕養(yǎng)護(hù)時應(yīng)保持塑料薄膜不破損且內(nèi)部有水珠。

深隧工程內(nèi)襯墻第2道環(huán)梁外徑34 m、厚度1.5 m、高度2 m，澆筑時將環(huán)梁等分為4個區(qū)域，A區(qū)、D區(qū)采用不摻抗裂劑的內(nèi)襯墻混凝土配比澆筑，B區(qū)、C區(qū)采用摻抗裂劑的內(nèi)襯墻混凝土配比澆筑?；炷脸跄?，A區(qū)、B區(qū)采用保溫養(yǎng)護(hù)，C區(qū)、D區(qū)采用保濕養(yǎng)護(hù)。澆筑前A區(qū)、B區(qū)預(yù)埋傳感器對混凝土澆筑體溫度進(jìn)行監(jiān)測，澆筑完14 d后拆除模板對全部區(qū)域表面和測面開裂情況進(jìn)行觀察統(tǒng)計。

3.1 內(nèi)襯墻環(huán)梁混凝土溫度監(jiān)測分析

深隧工程內(nèi)襯墻環(huán)梁混凝土的溫度監(jiān)測結(jié)果如圖5所示，溫控指標(biāo)分析如表4所示。

由圖5、表4可見：

（1）深隧工程內(nèi)襯墻澆筑所采用的混凝土配合比通過大摻量使用礦物摻合料，有效降低了混凝土澆筑體內(nèi)部的溫升。A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)和D區(qū)混凝土澆筑體中心處監(jiān)測到的最高溫度分別為51.6、53.0、51.9、55.1℃，4個區(qū)域混凝土入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值為34～38℃，里表溫差為13～17℃，符合GB/T 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于50℃和里表溫差不大于25℃的要求，表明大摻量摻合料確實(shí)起到了降低混凝土澆筑體溫升的作用。未摻抗裂劑的A區(qū)和D區(qū)混凝土澆筑體的最高溫度出現(xiàn)時間均為2.0 d，摻抗裂劑的B區(qū)和C區(qū)混凝土澆筑體最高溫度出現(xiàn)的時間分別為2.2、2.3 d，抗裂劑起到了延緩混凝土澆筑體水化進(jìn)程的作用。

表4 深隧工程內(nèi)襯墻環(huán)梁混凝土溫控指標(biāo)的統(tǒng)計分析

（2）摻與不摻抗裂劑的混凝土采取土工布覆蓋保溫養(yǎng)護(hù)時，澆筑體中心達(dá)到溫升峰值后24 h內(nèi)的降溫速率與覆蓋塑料薄膜保濕養(yǎng)護(hù)相比分別降低0.5、0.8℃/d，保溫養(yǎng)護(hù)措施減小了降溫階段的降溫速率。采用保溫養(yǎng)護(hù)措施的混凝土澆筑體表面溫度受環(huán)境溫度的波動也較小，可以預(yù)防氣溫驟降、冷擊對混凝土表面造成的溫度裂縫。

本文后續(xù)部分內(nèi)容安排如下:第1節(jié)介紹低功耗有損網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議RPL;第2節(jié)詳述新提出的RPL-FAHP協(xié)議并對其進(jìn)行性能分析;第3節(jié)進(jìn)行仿真分析;最后第4節(jié)總結(jié)全文并簡介未來工作。

3.2 內(nèi)襯墻環(huán)梁混凝土裂縫統(tǒng)計分析

3.2.1 頂面開裂情況

拆除模板后環(huán)梁混凝土頂面的裂縫分布示意如圖6所示，不同區(qū)域?qū)嶋H開裂情況和裂縫深度如圖7所示。

由圖6、圖7可見：A區(qū)主要為大面積網(wǎng)狀龜裂縫（占區(qū)域面積1/3），較大裂縫寬度為0.3～0.4 mm，其余2/3區(qū)域裂縫相對較少；B區(qū)主要為大面積網(wǎng)狀龜裂縫（占區(qū)域面積2/3），較大裂縫寬度為0.6～0.7 mm，其余1/3區(qū)域裂縫相對較少；C區(qū)無明顯裂縫；D區(qū)從地連墻延伸出的徑向裂縫，粗略統(tǒng)計約40條，較大裂縫寬度普遍在0.1～0.2 mm。

A區(qū)和B區(qū)出現(xiàn)的龜裂縫主要是由于早期裸露的混凝土表面只有保溫措施、缺乏保濕養(yǎng)護(hù)所致，屬于塑性收縮裂縫，這些龜裂縫的深度為5～7 cm，非貫穿性裂縫，無法通過抗裂劑消除，只能采取加強(qiáng)保濕養(yǎng)護(hù)的措施。C區(qū)、D區(qū)均未發(fā)現(xiàn)龜裂縫，但未加抗裂劑的區(qū)域（D區(qū)），混凝土出現(xiàn)大量從地連墻延伸出的徑向微細(xì)裂縫，這些裂縫寬度大多在0.2 mm以下，為地連墻約束和內(nèi)襯墻環(huán)形結(jié)構(gòu)約束條件下，混凝土自收縮或溫度收縮引起的裂縫，鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)這類裂縫深度達(dá)10 cm以上，裂縫有向內(nèi)部（非芯樣區(qū)域）延伸趨勢，甚至有可能是貫穿性裂縫。摻加抗裂劑的C區(qū)基本未觀察到這些裂縫，表明抗裂劑確實(shí)起到了顯著的抑制混凝土收縮引起的開裂的效果。

3.2.2 側(cè)面開裂情況

環(huán)梁側(cè)面展開后的混凝土裂縫分布示意如圖8所示，數(shù)量統(tǒng)計分析結(jié)果見表5。

表5 環(huán)梁混凝土側(cè)面裂縫數(shù)量統(tǒng)計

由圖8、表5可見：摻加抗裂劑的環(huán)梁混凝土（B區(qū)、C區(qū)），混凝土側(cè)面的裂縫數(shù)量明顯低于未摻加抗裂劑的區(qū)域。采取摻抗裂劑和塑料薄膜保濕覆蓋措施的區(qū)域（C區(qū)），側(cè)面僅出現(xiàn)9條裂縫，與A區(qū)和D區(qū)相比，單位面積裂縫數(shù)量分別降低了77%和84%，并且95%以上的裂縫寬度都小于0.2 mm，符合GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的裂縫寬度不大于0.2 mm的要求。

4 結(jié)論

（1）粉煤灰礦粉大摻量雙摻可以顯著降低膠凝材料水化熱和混凝土絕熱溫升。當(dāng)內(nèi)襯墻混凝土中摻合料摻量為50%時，膠凝材料水化熱較純水泥降低了27.5%，混凝土28 d絕熱溫升僅為44.3℃，從材料層面起到了控制內(nèi)襯墻混凝土溫升的作用。

（2）摻加抗裂劑可以延緩混凝土的水化進(jìn)程，補(bǔ)償收縮并產(chǎn)生微膨脹，且不會對混凝土的力學(xué)性能和耐久性能產(chǎn)生不利影響。抗裂劑可以降低3 d前混凝土水化溫升，但無法起到降低混凝土總溫升的作用。當(dāng)內(nèi)襯墻大體積混凝土中抗裂劑摻量為37 kg/m3時，可以產(chǎn)生289με的膨脹應(yīng)變，預(yù)防混凝土的收縮裂縫。

（3）采用保溫養(yǎng)護(hù)措施可減小混凝土澆筑體降溫階段的降溫速率以及環(huán)境溫度變化對混凝土澆筑表面溫度的影響，預(yù)防溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。采用保濕養(yǎng)護(hù)可以消除混凝土澆筑體塑性階段的干縮裂縫。

（4）深隧工程內(nèi)襯墻第2道環(huán)梁的溫度應(yīng)變監(jiān)測和裂縫觀測結(jié)果表明，綜合采用大摻量摻合料、抗裂劑、保溫養(yǎng)護(hù)、保濕養(yǎng)護(hù)措施，可全方位降低不同類型裂縫的產(chǎn)生，總裂縫數(shù)量降低80%以上，大部分裂縫寬度在0.1 mm以下，部分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)基本無裂縫，是一種適用深隧工程內(nèi)襯墻大體積混凝土的經(jīng)濟(jì)性好、可操作性強(qiáng)的裂縫控制措施。