深中通道隧道側(cè)墻大體積混凝土裂縫控制技術(shù)

劉迪，徐文，謝彪，鄭彬，宦文娟

（1.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；2.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211103；3.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103；4.蘇州工業(yè)園區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測咨詢服務(wù)有限公司，江蘇 蘇州 215024）

大體積混凝土裂縫控制一直是困擾工程界的技術(shù)問題，自混凝土材料問世以來，混凝土的裂縫問題就一直存在，但相較于20世紀(jì)，近些年混凝土的裂縫問題卻愈發(fā)嚴(yán)重[1-4]。這可能是現(xiàn)代混凝土的發(fā)展方向逐漸向大流態(tài)和高早強(qiáng)等發(fā)展，為適應(yīng)現(xiàn)代混凝土發(fā)展趨勢，從混凝土原材料角度分析，水泥越磨越細(xì)、水泥礦物相C3A含量越來越高、超細(xì)摻合料以及高效減水劑使用，除此之外，近些年混凝土原材料愈來愈差也是原因之一[5-7]。當(dāng)然，造成混凝土開裂的原因是非常復(fù)雜的，除了混凝土原材料因素外，環(huán)境因素、施工質(zhì)量以及工程結(jié)構(gòu)形式等也是造成混凝土開裂的原因。

根據(jù)GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，大體積混凝土的施工應(yīng)注意溫度控制，應(yīng)對混凝土澆筑的溫度、溫度應(yīng)力及收縮應(yīng)力進(jìn)行計算，制定相應(yīng)控制指標(biāo)及溫控技術(shù)措施。同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)采取減少大體積混凝土外部約束的技術(shù)措施，混凝土導(dǎo)熱性差且具有熱脹冷縮的性質(zhì)，膠凝材料水化放熱導(dǎo)致熱量在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部聚集，產(chǎn)生內(nèi)外溫差，溫度高膨脹變形大，因此遠(yuǎn)離中心位置體積變形相對中心部位變形減小，造成內(nèi)外體積變化不同步，使結(jié)構(gòu)在約束下產(chǎn)生收縮應(yīng)力[2-3，8-10]，當(dāng)外約束作用產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過閾值，混凝土就會開裂，這種約束作用受結(jié)構(gòu)形式影響很大[2，11-13]。

1 工程概況

本文以深圳至中山跨海通道（簡稱深中通道）現(xiàn)澆隧道主體結(jié)構(gòu)為工程背景，暗埋段隧道全長175 m，為單箱雙室管廊箱型結(jié)構(gòu)形式，頂板厚150 cm，底板厚150 cm，側(cè)墻厚130~150 cm，橫斷面46.00~74.84 m不等，高10.7 m，混凝土設(shè)計強(qiáng)度為C28d45、C56d50，抗?jié)B等級P10，混凝土坍落度（200±20）mm，單個隧道節(jié)段的混凝土方量約3000 m3，屬于典型大體積混凝土，裂縫控制難度極大。同時，本工程主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外海環(huán)境施工、抗裂防水要求嚴(yán)苛且絕大多數(shù)處于高溫季節(jié)施工，因此裂縫控制難度也進(jìn)一步增大。本文基于多場耦合抗裂性評估方法，從混凝土抗裂性設(shè)計、低溫升低收縮高抗裂混凝土制備及施工工藝等多方面研究提出海工大體積混凝土裂縫控制技術(shù)，并應(yīng)用于工程。

2 隧道大體積混凝土裂縫控制方案設(shè)計

2.1 多因素耦合抗裂性評估方法

混凝土受先澆結(jié)構(gòu)及自身基體約束，在澆筑后會由于溫度收縮、自收縮及干燥收縮等體積變形在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力，當(dāng)收縮應(yīng)力超過混凝土的瞬時極限抗裂強(qiáng)度時，混凝土就會開裂。本隧道工程基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合抗裂性評估理論研究方法，以開裂風(fēng)險系數(shù)評估結(jié)構(gòu)抗裂性，開裂風(fēng)險系數(shù)η采用結(jié)構(gòu)混凝土主拉應(yīng)力與極限抗拉強(qiáng)度之比表示，具體定義為：

式中：σ（t）——t時刻的混凝土最大拉應(yīng)力，MPa；

f（t）——t時刻的混凝土抗拉強(qiáng)度，MPa。

混凝土開裂風(fēng)險評判準(zhǔn)則：一般認(rèn)為η＞1.0時混凝土一定會開裂；考慮材料性能波動性，認(rèn)為0.7＜η＜1.0時混凝土存在較大的開裂風(fēng)險；η＜0.7時混凝土基本不會開裂。

2.2 開裂風(fēng)險評估

對于隧道工程側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)，其收縮變形主要發(fā)生于硬化階段，溫度收縮占主導(dǎo)，疊加自收縮變形，相較于底板混凝土，側(cè)墻混凝土受到來自于先澆底板和吊模段老混凝土的外約束，且散熱條件差，容易經(jīng)歷急劇的溫升溫降，因而更容易開裂，且一般在拆模前或者拆模后極短的時間內(nèi)開裂，裂縫基本垂直且間距規(guī)整分布，大多數(shù)為貫穿裂縫。具體到深中通道工程隧道側(cè)墻結(jié)構(gòu)，考慮施工季節(jié)普遍為高溫季節(jié)，評估模擬了2種入模溫度（28、35℃），墻體厚度分別為0.7、1.0、1.5 m工況下的側(cè)墻開裂風(fēng)險，側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土開裂風(fēng)險評估計算結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 隧道工程主體結(jié)構(gòu)不同厚度側(cè)墻混凝土的溫度歷程

圖2 側(cè)墻混凝土開裂風(fēng)險系數(shù)

由圖1可見，側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土厚度越大，其溫峰值越高，內(nèi)外溫差也會進(jìn)一步增大，由此帶來了側(cè)墻混凝土中心及表面開裂風(fēng)險變大。由圖2可見，固定側(cè)墻厚度為1.5 m時，降低入模溫度可顯著降低其開裂風(fēng)險，澆筑長度亦可顯著增加，入模溫度與澆筑長度存在一定的冪次關(guān)系，根據(jù)計算結(jié)果可以推斷不同入模溫度下一次性最大分段澆筑長度，或已知澆筑長度的情況下，入模溫度降低到閾值時可保證不開裂。

3 低溫升、低收縮混凝土的制備及相關(guān)指標(biāo)控制

3.1 原材料選擇及混凝土配合比設(shè)計

混凝土澆筑后易產(chǎn)生由較大內(nèi)外溫差而誘發(fā)的溫度裂縫，降低混凝土放熱量是一種有效減小內(nèi)外溫差的方法。通過優(yōu)選原材料及設(shè)計合理配合比是降低混凝土放熱量最直接的方法?；趥?cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性評估，原材料在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下質(zhì)量控制要求及優(yōu)選原材料的主要檢測指標(biāo)如下：

水泥：英德海螺P·Ⅱ42.5水泥，C3A含量≤6.0%，堿含量≤0.6%，比表面積≤350 m2/kg，C3A以及堿含量過高或者水泥過細(xì)都會增大收縮、加快放熱速率，水泥的礦物組成見表1；粉煤灰：諫壁F類Ⅰ級粉煤灰，符合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求；礦粉：唐山S95級礦渣粉，比表面積≤500 m2/kg；減水劑：江蘇蘇博特減縮型高性能聚羧酸減水劑，減水率27.3%，固含量20%，摻量以溶液計；砂：贛江Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量小于2.0%；碎石：5~25 mm連續(xù)級配，粒形良好、質(zhì)地堅硬、線膨脹系數(shù)小的潔凈碎石；拌合水：自來水。

表1 水泥的礦物組成

本工程地處海洋環(huán)境，混凝土需要考慮抗氯離子滲透性，同時更重要的是混凝土結(jié)構(gòu)剛性自防水性能，屬于典型的海工大體積混凝土控裂工程。該海工大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度為C28d45、C56d50，因此混凝土設(shè)計原則為低溫升、低收縮，混凝土初始坍落度（200±20）mm，初凝時間為18~20 h。

3.2 大體積混凝土抗裂性指標(biāo)

根據(jù)多場耦合評估計算方法，本工程一次性分段澆筑長度不宜超過20.0 m，同時依據(jù)GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》、JTS 202—2011《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》及JTG/TF 50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》等現(xiàn)行規(guī)范，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，提出大體積混凝土抗裂指標(biāo)，抗裂指標(biāo)相較于現(xiàn)階段相關(guān)抗裂規(guī)程和規(guī)范更加嚴(yán)格，具體如表2所示。

表2 混凝土抗裂性能指標(biāo)

經(jīng)綜合考量，通過低水泥用量、大摻量礦物摻合料降低混凝土溫升值，優(yōu)化配合比及使用減縮型高性能聚羧酸減水劑降低混凝土收縮值，低溫升、低收縮混凝土設(shè)計配合比見表3，混凝土的絕熱溫升及自生體積變形分別見圖3、圖4。

表3 低溫升、低收縮混凝土配合比 kg/m3

圖3 混凝土的絕熱溫升

圖4 混凝土的自生體積變形

由圖3可見，混凝土7 d絕熱溫升值為45℃，1 d與7 d混凝土絕熱溫升比值為40%，且7 d及28 d自生體積變形值分別為-35 με和-84 με，符合表3低溫升、低收縮的設(shè)計指標(biāo)要求。

4 隧道側(cè)墻大體積混凝土控裂措施

4.1 施工工藝措施

深中通道隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大且結(jié)構(gòu)漸變，外海施工作業(yè)條件復(fù)雜，且隧道類工程側(cè)墻受約束最強(qiáng)，開裂風(fēng)險最高，因此為降低混凝土結(jié)構(gòu)外約束作用，對原設(shè)計圖紙施工縫位置進(jìn)行優(yōu)化，縮短縱向分段澆筑長度（澆筑長度不超過20 m），采用豎向分2層澆筑的方式進(jìn)行[底板+側(cè)墻一體澆筑，最后澆筑頂板，如圖5（a）所示]，替代常規(guī)豎向分3層澆筑[底板、側(cè)墻、頂板依次澆筑，如圖5（b）所示]方式，減少側(cè)墻間的水平施工縫，消除側(cè)墻混凝土硬化后受底板的約束作用。

圖5 豎向分層施工示意

4.2 隧道大體積混凝土冷卻水管工藝措施

現(xiàn)場采用大體積混凝土智能溫控系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)中設(shè)置了冷卻循環(huán)水系統(tǒng)，冷卻循環(huán)水通過熱交換帶走熱量，以實(shí)現(xiàn)大體積混凝土內(nèi)部控溫、減少混凝土內(nèi)表溫差、減小降溫收縮的目的[13]。智能溫控系統(tǒng)主要通過“現(xiàn)場溫度信息采集”、“數(shù)據(jù)閾值處理”、“冷卻循環(huán)水智能控制”結(jié)合溫度監(jiān)測系統(tǒng)3方面進(jìn)行控制，具體控制指令如表4所示。

表4 關(guān)鍵溫控及控制指標(biāo)

4.3 大體積混凝土拆模及養(yǎng)護(hù)

充分、及時且合理的養(yǎng)護(hù)措施是確?；炷敛婚_裂的必要條件?，F(xiàn)代混凝土早期開裂與混凝土早期養(yǎng)護(hù)不充分有很大關(guān)系，混凝土溫降過程中后不及時保溫，導(dǎo)致混凝土溫降速率加快，內(nèi)外溫差增大。同時在沒保濕措施情況下，混凝土表面水分蒸發(fā)速率也較快，這些都是可能導(dǎo)致混凝土開裂的原因[6-7]。因此，混凝土養(yǎng)護(hù)的原則是：通過加強(qiáng)混凝土外保溫，降低混凝土內(nèi)表溫差；通過加強(qiáng)混凝土保濕養(yǎng)護(hù)，減少混凝土收縮引起的表面應(yīng)力?；炷敛鹉Ｇ皞?cè)面帶模養(yǎng)護(hù)，上表面收面后覆蓋塑料薄膜，初凝后頂面蓄水養(yǎng)護(hù)，拆模后及時覆蓋養(yǎng)護(hù)布以及灑水養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)用水采用冷卻水管出水，水溫與混凝土表面溫度之差應(yīng)小于15℃，根據(jù)現(xiàn)場情況合理延長養(yǎng)護(hù)時間。合理安排拆模時間，混凝土拆模時間應(yīng)按照齡期及實(shí)測溫度進(jìn)行雙控，其一，混凝土結(jié)構(gòu)澆筑完成5 d后方可拆模，5 d之內(nèi)不松模、不拆模；其二，拆模時需確認(rèn)混凝土內(nèi)表溫差小于15℃、混凝土表面溫度與環(huán)境溫度之差小于15℃，應(yīng)避免在夜間或氣溫驟降期間拆模，拆模時間應(yīng)選擇一天中較高溫度的時間段，且做到變拆模邊覆蓋進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。

混凝土的保溫保濕養(yǎng)護(hù)方案具體為：混凝土側(cè)墻拆模時間由混凝土內(nèi)表溫差及混凝土表面與大氣溫差監(jiān)測情況確定，拆模后使用帶膜土工布和噴淋系統(tǒng)進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，側(cè)墻保溫保濕養(yǎng)護(hù)如圖6所示。

圖6 側(cè)墻混凝土保溫保濕養(yǎng)護(hù)

5 實(shí)體結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用

混凝土基本處于夏季高溫季節(jié)澆筑，平均氣溫為35℃。通過檢測混凝土入模溫度嚴(yán)格控制在28℃以內(nèi)，入模坍落度為（200±10）mm，采用分層澆筑振搗工藝，底板及側(cè)墻總體澆筑順序由兩側(cè)向中間推進(jìn)。但為快速形成墻體施工條件，先在側(cè)墻倒角底口部位進(jìn)行布料，待混凝土擴(kuò)散至側(cè)墻側(cè)墻底部時，開始在側(cè)墻內(nèi)進(jìn)行布料，側(cè)墻與底板混凝土交替施工。同時對側(cè)墻不同部位混凝土進(jìn)行實(shí)時溫度監(jiān)測，選取3個溫控特征點(diǎn)進(jìn)行分析，3個溫控點(diǎn)分別位于側(cè)墻中心、側(cè)墻底部中心以及距離混凝土側(cè)表5 cm處，混凝土溫度監(jiān)測結(jié)果如圖7所示，關(guān)鍵控制指標(biāo)如表5所示。

圖7 側(cè)墻混凝土溫度監(jiān)測結(jié)果

表5 隧道主體結(jié)構(gòu)控裂性能指標(biāo)

由圖7及表5可見，混凝土入模溫度約27℃，溫峰出現(xiàn)時間為2.0 d，墻體高度中心處最高溫峰值為62.5℃，絕對溫升值為35.5℃，絕對溫升值略高于表2抗裂性控制指標(biāo)要求，后期施工可進(jìn)一步優(yōu)化冷卻水管溫降措施。由于混凝土外側(cè)表溫度因木模板保溫性較好受環(huán)境影響小，且在拆模后采用覆蓋帶膜土工布進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在整個過程中混凝土內(nèi)外溫差始終不超過15℃，且中心及側(cè)表平均溫降速率分別為2.5、2.1℃/d，整體混凝土平均溫降速率不超過3.0℃/d，溫控措施實(shí)施效果明顯。隧道主體結(jié)構(gòu)大體積側(cè)墻從2020年5月26日澆筑完成，至2020年12月1號進(jìn)行跟蹤觀察，未觀察到貫穿性收縮裂縫，大體積混凝土控裂效果良好。

6 結(jié)語

隧道大體積混凝土裂縫控制對于施工來說至關(guān)重要，基于多因素耦合抗裂性評估方法，混凝土抗裂性關(guān)鍵控制指標(biāo)，從材料到施工工藝全過程的進(jìn)行裂縫控制。

（1）采用多因素耦合抗裂性方法評估了不同入模溫度（28、35℃）以及不同厚度結(jié)構(gòu)側(cè)墻的開裂風(fēng)險系數(shù)，結(jié)果表明，開裂風(fēng)險系數(shù)與入模溫度及側(cè)墻厚度呈正相關(guān)。即相同澆筑長度下，入模溫度越高、結(jié)構(gòu)尺寸厚度越大，則混凝土開裂風(fēng)險越高。

（2）結(jié)合評估結(jié)果及現(xiàn)行相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提出了混凝土抗裂性關(guān)鍵控制指標(biāo)及低溫升、低收縮混凝土的制備和應(yīng)用，混凝土性能測試結(jié)果表明，通過使用低水泥用量、大摻量礦物摻合料及減縮型高性能聚羧酸減水劑，制備的混凝土性能符合低溫升、低收縮要求，7 d絕熱溫升值為45℃、1 d與7 d混凝土絕熱溫升比值為40%且7 d及28 d自生體積變形值分別為-35 με和-84 με。

（3）采用低溫升、低收縮混凝土并結(jié)合優(yōu)化施工工藝（縱向分2層澆筑及埋設(shè)冷卻水管）、合理保溫保濕及通過實(shí)時溫度監(jiān)測等措施協(xié)同控裂?；炷寥肽囟燃s27℃，峰值溫度為62.5℃，絕對溫升值為35.5℃，溫降速率≤3.0℃/d，里表溫差≤15℃，該隧道大體積混凝土各項溫控指標(biāo)基本滿足控制指標(biāo)要求，混凝土拆模至今未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，控裂效果明顯，取得較好的施工質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益，為今后同類工程提供相關(guān)參考經(jīng)驗(yàn)。