明挖裝配式地下車站側(cè)墻疊合層現(xiàn)澆混凝土開裂風(fēng)險研究*

徐軍林 馬樹偉 姚 婷 王育江,3

(1.中鐵第四勘察設(shè)計集團有限公司，430063，武漢；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，211103，南京;3.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，211189，南京∥第一作者，正高級工程師)

地下車站裝配式結(jié)構(gòu)因其施工對環(huán)境影響小、工程造價低、施工質(zhì)量易保證，越來越受到國內(nèi)外的關(guān)注，并逐漸得到廣泛應(yīng)用[1-2]。由于地下水環(huán)境較為復(fù)雜和地下結(jié)構(gòu)自防水要求，地下車站整體裝配式結(jié)構(gòu)仍需解決接頭接縫防水以及現(xiàn)澆部分混凝土收縮開裂問題，以保障結(jié)構(gòu)的安全使用和長期服役性能[3-4]。

某軌道交通車站為地下2層單柱雙跨標準島式車站，站臺寬為11 m，縱向柱距為9 m，車站總長為195 m。除車站兩端盾構(gòu)井段及風(fēng)道接口范圍采用現(xiàn)澆法施工外，其余約150 m有柱地下車站采用整體裝配式疊合墻板施工技術(shù)。裝配式結(jié)構(gòu)各構(gòu)件均通過濕節(jié)點連接形成整體，現(xiàn)澆混凝土與預(yù)制構(gòu)件形成疊合構(gòu)件，預(yù)制構(gòu)件可兼做永久模板，與現(xiàn)澆部分通過鋼筋連接。由于施工時預(yù)制構(gòu)件混凝土水化已基本完成，收縮變形很小，而現(xiàn)澆混凝土強度高，早期易產(chǎn)生較快的水化放熱和較大的收縮變形，受到高強預(yù)制構(gòu)件的約束也較大，容易因新老混凝土變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致嚴重收縮開裂問題。

為此，本文針對明挖裝配整體式現(xiàn)澆疊合層混凝土易開裂的難題，基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合收縮開裂評估方法[5]，對地下車站墻板疊合層現(xiàn)澆混凝土抗裂性進行定量分析，研究此類結(jié)構(gòu)混凝土的早齡期開裂風(fēng)險規(guī)律，可為此類工程的裂縫控制提供參考。

1 混凝土配合比與性能測試

地下車站明挖裝配整體式疊合層現(xiàn)澆混凝土設(shè)計強度等級為C40，因該工程現(xiàn)澆混凝土位于地下，一側(cè)模板為預(yù)制疊合板，另一邊為地下連續(xù)墻，均為永久模板，可忽略干燥收縮變形，但需重點考慮自收縮和溫度收縮變形對開裂的影響。因此，擬制備無收縮混凝土以提高結(jié)構(gòu)抗裂性。依據(jù)JGJ 55—2019 《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，在滿足強度、工作性和耐久性的基礎(chǔ)上，制備的混凝土需兼顧低溫升、無收縮等抗裂性能和體積穩(wěn)定性，初步設(shè)計了系列C40基準混凝土和無收縮混凝土配合比進行試驗研究。綜合技術(shù)性和經(jīng)濟性原則，選擇其中有代表性的配合比，如表1所示。

表1 明挖裝配式地下車站側(cè)墻疊合層現(xiàn)澆混凝土配合比

根據(jù)表1所示的混凝土配合比，參照相關(guān)標準規(guī)范，試驗測試了混凝土早齡期絕熱溫升、彈性模量、劈裂抗拉強度及自生體積變形等性能指標隨齡期的變化曲線，如圖1所示。

圖1 早齡期混凝土材料性能測試結(jié)果Fig.1 Test results of material properties of early age concrete

2 開裂風(fēng)險評估方法與計算模型

2.1 評估方法

通常實體結(jié)構(gòu)混凝土從澆筑成型開始一直處于水化、溫度、濕度、約束等多種因素共同作用的復(fù)雜環(huán)境中，本文主要采用課題組提出的基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機制的抗裂性評估理論與模型[5]，參照DB32/T 3696—2019《江蘇省高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的基本參數(shù)取值方法和計算方法，結(jié)合明挖裝配整體式地下車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)特點，對該軌道交通車站側(cè)墻疊合層現(xiàn)澆混凝土溫度歷程和開裂風(fēng)險進行評估。定義開裂風(fēng)險系數(shù)η為實時應(yīng)力與實時抗拉強度之比，如下式所示：

(1)

式中：

σ(t)——t時刻混凝土最大拉應(yīng)力；

ft(t)——t時刻的抗拉強度。

一般認為η>1.0時，混凝土已經(jīng)開裂；η=1時，混凝土達到理論上的臨界開裂狀態(tài)；0.7≤η<1.0時，考慮到混凝土早齡期性質(zhì)的不確定性以及結(jié)構(gòu)分析時的簡化和近似，混凝土有較大可能開裂；η<0.7時，混凝土開裂可能性較小。

2.2 結(jié)構(gòu)形式與計算模型

該軌道交通車站明挖裝配整體式側(cè)墻預(yù)制構(gòu)件每節(jié)長3 m，高4.86 m，現(xiàn)場沿長度方向拼裝成一定長度后，作為現(xiàn)澆混凝土的永久模板，另外一側(cè)為地下連續(xù)墻，現(xiàn)澆混凝土澆筑閉合。與底板連接部分內(nèi)側(cè)采用木模板，預(yù)制部分與現(xiàn)澆部分通過鋼筋連接，且分別呈凹槽狀，兩者互相咬合，現(xiàn)澆混凝土側(cè)墻不僅受到底板的約束，還受到預(yù)制側(cè)墻的約束?，F(xiàn)澆側(cè)墻與地下連續(xù)墻之間鋪設(shè)一層防水卷材，由于防水卷材屬于柔性材料，因此假設(shè)施工期地下連續(xù)墻與現(xiàn)澆側(cè)墻之間僅存在熱量的交換與傳遞，不對現(xiàn)澆混凝土產(chǎn)生約束作用?，F(xiàn)澆疊合層側(cè)墻總高度為6.46 m，但不同位置處厚度有所不同，主要有0.35 m、0.6 m或0.7 m幾種典型厚度區(qū)域，其中與底板連接處現(xiàn)澆層厚度為0.7 m，上部凹槽處有0.35 m和0.6 m兩種厚度。單塊預(yù)制板長度為3 m，所以一次性澆筑長度必須是預(yù)制構(gòu)件長度3 m的整數(shù)倍。側(cè)墻結(jié)構(gòu)具體布置情況及結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，建立開裂風(fēng)險評估計算模型如圖3所示。

圖2 側(cè)墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of side wall

圖3 側(cè)墻結(jié)構(gòu)計算模型Fig.3 Computational model of side wall structure

3 側(cè)墻疊合層現(xiàn)澆混凝土開裂風(fēng)險評估

3.1 材料參數(shù)

上述計算模型中的主要材料參數(shù)如表2所示；其余參數(shù)為：取日均氣溫20 ℃、入模溫度25 ℃，下部0.7 m厚側(cè)墻處采用木模板，3 d后拆除模板。

3.2 溫度結(jié)果分析

采用上述結(jié)構(gòu)熱分析計算參數(shù)、計算方法和計算模型，得到側(cè)墻現(xiàn)澆疊合層混凝土溫度計算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看到：

1) 對于基準混凝土，厚0.35～0.70 m側(cè)墻混凝土均在1.25 d左右達到溫峰值，其中心溫升和表面溫升分別約為15.86～21.73 ℃、13.03～15.96 ℃，內(nèi)外溫差均小于6 ℃?？梢?，此類結(jié)構(gòu)由內(nèi)外溫差引起開裂的可能性較小。

2) 無收縮抗裂混凝土最大溫升發(fā)生在1.75 d左右，厚0.35～0.70 m側(cè)墻混凝土中心溫升和表面溫升分別約10.91～16.21 ℃、8.47～11.66 ℃，內(nèi)外溫差小于5 ℃，與基準混凝土相比，無收縮混凝土溫峰值降低了4.45～5.58 ℃。這是因為混凝土中摻加的抗裂材料延緩了早期水化放熱速率，在結(jié)構(gòu)具備散熱條件下，為疊合層混凝土散熱贏得了時間，從而大幅緩解混凝土集中放熱程度，削弱溫升和溫降速度[6]。

3) 根據(jù)地鐵車站實體結(jié)構(gòu)混凝土的跟蹤與監(jiān)測分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)[7]，對于C35地鐵車站疊合墻體系內(nèi)襯墻混凝土，盡管溫升值基本在10 ℃以下，但是仍存在較大的開裂風(fēng)險。此外，本工程結(jié)構(gòu)形式類似于疊合墻結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上同時還受到凹槽狀C50預(yù)制板的咬合作用，約束作用更強，混凝土強度更高，溫升值也更高，在目前溫升值大于10 ℃的情況下有較大的開裂風(fēng)險。

3.3 基準混凝土開裂風(fēng)險結(jié)果分析

圖5為一次性澆筑不同長度時側(cè)墻現(xiàn)澆疊合層基準混凝土開裂風(fēng)險評估結(jié)果，可以看到：

1) 由圖5 a)、圖5 b)可知，一次性澆筑18～24 m時，現(xiàn)澆側(cè)墻中心混凝土最大η約1.17～1.23，大于1.0，說明該工況下基本上必然開裂；表面最大η約0.88～0.94，大于0.7，說明表面混凝土開裂風(fēng)險也比較大；澆筑長度越長，側(cè)墻混凝土最大開裂風(fēng)險越大，一次性澆筑長度18 m增加到24 m時，η增大幅度約為5%～7%。

圖4 側(cè)墻現(xiàn)澆混凝土溫度計算結(jié)果Fig.4 Temperature calculation results of the cast-in-situ concrete on the side wall

圖5 側(cè)墻現(xiàn)澆疊合層基準混凝土開裂風(fēng)險計算結(jié)果Fig.5 Calculation result of cracking risk of the cast-in-situ reference concrete on the side wall laminated layer

2) 由圖5 c)可知，除了離自由邊界較近的地方，其它大部分中部區(qū)域混凝土η均超過了0.7，甚至超過1.0，厚度0.35 m和0.6 m區(qū)域混凝土仍然有較大的開裂可能性；且同一時刻現(xiàn)澆混凝土側(cè)墻開裂風(fēng)險在長度方向上有所波動，這是因為C50預(yù)制板和現(xiàn)澆側(cè)墻截面厚度均是變化的，其現(xiàn)澆混凝土的約束程度和溫升值不同位置處也是不一樣的，溫度高且約束大的地方(預(yù)制板較厚的位置處)開裂風(fēng)險較大，而約束小的地方，開裂風(fēng)險相對較小。

3.4 無收縮混凝土開裂風(fēng)險結(jié)果分析

圖6為一次性澆筑不同長度時側(cè)墻現(xiàn)澆疊合層無收縮混凝土開裂風(fēng)險評估結(jié)果，可以看到：

1) 一次性澆筑18～24 m長時，現(xiàn)澆側(cè)墻無收縮混凝土最大η約0.66～0.72，除了澆筑長度24 m時，最大η稍大于0.7，有一定的開裂風(fēng)險；而澆筑18～21 m時，η小于0.7，基本可控制混凝土不開裂。表面最大η約0.45～0.50，小于0.7，也不大可能開裂；澆筑長度越長，側(cè)墻混凝土最大開裂風(fēng)險越大；一次性澆筑長度18 m增加到24 m時，η增大幅度約為9%。

圖6 現(xiàn)澆側(cè)墻疊合層無收縮混凝土開裂風(fēng)險計算結(jié)果Fig.6 Calculation result of cracking risk of the cast-in-situ non-shrinkage concrete on the side wall laminated layer

2) 采用無收縮混凝土，當(dāng)一次性澆筑長度不超過21 m時，現(xiàn)澆疊合層混凝土最大η不超過0.7，可避免裂縫產(chǎn)生；從開裂風(fēng)險隨長度變化曲線可以看出，與基準混凝土類似，同一時刻現(xiàn)澆混凝土側(cè)墻開裂風(fēng)險在長度方向上有所波動，主要是因為結(jié)構(gòu)尺寸和各位置處約束程度不同所致。

綜上，采用無收縮混凝土是明挖整體裝配式地下車站疊合層現(xiàn)澆混凝土裂縫控制的有效措施。

4 結(jié)語

綜上，采用基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機制的評估方法，結(jié)合明挖裝配整體式地下車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)特點和室內(nèi)實測混凝土性能參數(shù)，對一次性澆筑不同長度時側(cè)墻疊合層現(xiàn)澆混凝土的溫度歷程和開裂風(fēng)險進行了定量分析，結(jié)果表明：

1) 盡管該側(cè)墻結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆部分整體厚度較薄，尺寸較小，但由于本工程混凝土強度較高，早期水化較快，散熱條件差，現(xiàn)澆基準混凝土內(nèi)部仍然可產(chǎn)生15.9～21.7 ℃的溫升，表面可產(chǎn)生13.0～16.0 ℃的溫升，內(nèi)外溫差小于6 ℃，可見由內(nèi)外溫差產(chǎn)生裂縫的可能性較小，混凝土的開裂風(fēng)險主要由整體降溫過程中收縮變形受到高強預(yù)制側(cè)墻和先澆底板對現(xiàn)澆部分混凝土外部約束作用引起；與基準混凝土相比，無收縮混凝土內(nèi)部產(chǎn)生約10.91～16.21 ℃的溫升，表面可產(chǎn)生8.47～11.66 ℃的溫升，溫峰值降低約5 ℃，有利于結(jié)構(gòu)抗裂。

2) 一次性澆筑長度18～24 m時，現(xiàn)澆側(cè)墻疊合層基準混凝土內(nèi)部最大η均大于1.0，存在比較大的開裂風(fēng)險；澆筑長度越長，現(xiàn)澆側(cè)墻混凝土開裂風(fēng)險越大；一次性澆筑長度18 m增加到24 m時，η增大幅度僅5%～7%，而且增加幅度趨緩。這也從側(cè)面證實了此類結(jié)構(gòu)約束作用較強，到達一定的長度后，長度的增加對約束貢獻有限。因為地下車站疊合層現(xiàn)澆混凝土在溫降階段產(chǎn)生的收縮變形，不僅受到已澆底板混凝土的約束作用，而且受到凹槽狀高強預(yù)制板的約束，導(dǎo)致混凝土容易產(chǎn)生開裂。

3) 與基準混凝土相比，采用無收縮混凝土，一次性澆筑長度為18～24 m時，現(xiàn)澆側(cè)墻無收縮混凝土最大η約0.66～0.72，當(dāng)一次性澆筑長度不超過21 m時，現(xiàn)澆疊合層混凝土最大η不超過0.7，可見，理論分析結(jié)果表明，對于明挖裝配式地下車站側(cè)墻疊合層結(jié)構(gòu)，無收縮混凝土可以有效降低結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險，提高結(jié)構(gòu)抗裂性，避免裂縫產(chǎn)生。