高原地區大體積混凝土施工裂縫控制措施

陳 欣 潘躍飛 魏 浩

（中交隧道工程局有限公司華南公司， 廣州 510700）

0 引言

畢節市機場高速快速化改造工程為城市快速化路，包括下穿隧道工程、路基工程及路面工程。其中下穿隧道全長480m，上蓋部分長120m，底板最大尺寸為30m×40m×1.75m，頂板尺寸為30m×40m×1m，均為大體積混凝土。

下穿隧道處于畢節市屬北熱帶帶，冬春半干燥夏季濕潤型。極端最高氣溫35.4℃，最低氣溫-10.4℃。年平均日照時數1348.9 小時，占可照時數的30%，以夏季為較多，冬季為少。年平均風速1.8 米/秒，30 年一遇最大風速24.4m/s。所處位置全年氣候多變，日照紫外線強，晝夜溫差大，多風多雨。在如此復雜氣候條件下施工大體積混凝土，極易產生表面溫度裂縫，危害下穿隧道整體結構的安全，因此我們需要有一整套相對應的解決方案，來保證整個下穿隧道的混凝土施工質量，所以探索高原地區環境下的大體積混凝土施工，尋找混凝土防裂施工的技術措施，具有非常重要的意義。

1 正文

畢節機場高速快速化改造工程中下穿隧道混凝土的體積最大為30m×40m×1.75m，如此大體積的混凝土給施工帶來了極大的挑戰。經過多次的討論，決定首先從內部降低混凝土的水化熱，然后針對高原地區環境的特點，逐項采取措施，減緩混凝土表面溫度變化，縮小混凝土內外溫差，從而減少混凝土裂縫的產生。

1.1 減少混凝土自身的水化熱

混凝土在硬結過程中，由于水泥水化熱會釋放大量的熱量，并且混凝土的導熱性能差，這些熱量積聚在混凝土的內部，難以散出，導致混凝土內外形成溫度梯度，混凝土體積越大，內外溫差就越大。

礦物摻合料會降低早期混凝土的強度，對后期混凝土的強度有提升，延緩了混凝土最高溫升出現的時間，降低了混凝土的絕熱溫升值，有利于降低溫度變化引起混凝土開裂的風險[1]。本工程中采用“雙摻”技術，即在摻入粉煤灰的同時再摻入減水劑，可顯著降低大體積混凝土水化熱。

但是礦物摻合料加入混凝土后帶來的問題是混凝土的收縮變大，對混凝土抗裂不利。所以還需要添加UEA 膨脹劑來解決礦物摻合料混凝土收縮大的弊端。

粉煤灰和UEA 膨脹劑的加入量通過實驗確定，擬做三組實驗，每組實驗參數如下：

表1 .1-1 礦物摻合料實驗配合比kg/m3

按照規范規定的方法，測定每組配合比的抗壓強度以及劈拉強度，結果如下：

表1 .1-2 礦物摻合料實驗結果

通過實驗得出，粉煤灰會降低前期混凝土的強度，但是在七天以后，強度就跟上了沒有參加粉煤灰的混凝土強度了，并且由于水泥用量的減少，水化熱明顯的降低。根據實驗結果，綜合考慮使用40%參量的礦物摻合料。

40%的礦物摻合料包含了粉煤灰和UEA 膨脹劑，初步擬定以下配合比作為實驗的配合比，以此來確定UEA 膨脹劑的用量：

表1 .1-3 UEA 膨脹劑實驗配合比kg/m3

按照規范規定的方法，測定每組配合比的抗壓強度以及劈拉強度，結果如下：

表1 .1-4 UEA 膨脹劑實驗結果

實驗結果顯示，UEA 膨脹劑在早期能夠有效的防止混凝土開裂，但是用量過多會對混凝土的強度增長有影響。最終結果顯示混凝土的28d 強度基本上影響可以忽略。

因此，綜合考慮，下穿隧道底板以及側墻混凝土采用B#組的配合比，頂板混凝土采用A#組的配合比。

1.2 減少高原地區外部環境對混凝土表面影響的措施

大體積混凝土在澆筑階段，常常伴隨的是外界環境的溫度變化，特別是環境溫度驟降的情況，會大大增加混凝土的內外溫度梯度。并且由于混凝土的散熱極差，在高溫混凝土體積較大的情況下，內外溫差會持續較長的時間，在這種情況下，研究合理的溫度控制措施，防止混凝土內外溫過大差引起的溫度應力，就顯得尤為重要[2]。

（1）減少紫外線對混凝土表面溫度的影響

高原地區的強紫外線會使混凝土表面溫度變化過快，難以保持相對穩定，因此需要采取相應的措施，減少強紫外線對混凝土表面的照射，減緩混凝土的表面溫度的變化速度，控制混凝土裂縫的產生。

機場路底板混凝土一次澆筑方量巨大，澆筑時間普遍超過了15 小時，因此日照紫外線無法從時間安排上避免，因此只能通過其他方法防止紫外線的直射。

采用多層覆蓋對大體積混凝土進行養護是一個有效的方法，即在混凝土澆筑完成后隨即遮蓋塑料薄膜，然后再根據大體積混凝土測量的溫度情況在塑料薄膜上覆蓋棉氈。若混凝土底板的中心溫度與表面溫度的差值大于25℃，就應在薄膜上面覆蓋一層棉氈；若中心溫度與表面溫度差值不能減小到25℃以下，則應當再覆蓋一層棉氈。當溫差值不大于25℃時，可以不覆蓋棉氈[3]。若覆蓋的塑料薄膜被大風刮起，則應用溫水灑一遍，然后再重新覆蓋好薄膜。并在薄膜四周壓上重物，防止再次被風吹起。

圖1 .2-1 混凝土覆蓋養護圖

利用棉氈，既能在白天防止紫外線直射導致的混凝土干縮裂縫，又能在夜間起到很好的保溫防風效果。

（2）減少高原大風以及干燥空氣對混凝土表面影響的措施

高原的大風環境以及干燥的空氣都會使得混凝土表面水分喪失過快，容易造成混凝土收縮裂縫的出現，并且相應的混凝土表面的溫度也會被帶走，增加了混凝土的內外溫差，因此需要采取相應的措施，保持混凝土表面的水分，以此來減少混凝土的裂縫[4]。

對于早期收縮裂縫的防治, 除加強早期養護外, 可以在混凝土終凝前進行二次抹壓。

讓混凝土表面保持濕潤的措施除了使用上文提到的養護措施以外，還應該注意養護時間，由于低濕度、大風的高原地區混凝土對于養護要求較高，保證早期養護的濕度對于混凝土的力學性以及耐久性都非常的重要，養護濕度的提升對提高混凝土的強度和耐久性更是十分必要的[5]。

考慮到本項目的混凝土為了降低水化熱，摻 了一定量的礦物摻合料，因此混凝土保溫保濕養護時間應延長至7～14d。這樣不僅能夠保證混凝土的強度發展，還能提升其抗滲性以及抗凍性。

（3）減小晝夜大溫差環境下施工對混凝土影響的措施

高原的晝夜溫差大，因此需要選擇合理的混凝土澆筑時間以及采取相應的夜間保溫措施，防止表面混凝土在夜間的溫度流失過快。

由于每次下穿隧道混凝土澆筑時間過長，因此無法只在夜間或者白天進行澆筑，經常是一次澆筑就要花費十幾個小時，所以只能在估計好每次的澆筑時間之后，將澆筑結束的時間控制在上午溫度升高的時間段，以此在最早期避免溫度的過快流失。在結束當天的下午，才有充足的時間，根據當天的天氣情況，來布置夜間的保溫措施，如鋪設棉氈、增設碘鎢燈等。

1.3 有限元分析大體積混凝土跳倉分塊澆筑對裂縫控制的價值

跳倉法是充分利用了混凝土在5 到10 天期間性能尚未穩定和沒有徹底凝固前容易將內應力釋放出來的“抗與放”特性原理，它是將大面積砼平面機構劃分成若干個區域，按照“分塊規劃、隔塊施工、分層澆筑、整體成型”的原則施工，其模式和跳棋一樣，即隔一段澆一段。相鄰兩段間隔時間不少于7 天，以避免混凝土施工初期部分激烈溫差及干燥作用。跳倉法澆筑順序示意圖如下：

圖1 .3-1 跳倉分塊法澆筑示意圖

現使用MIDAS CIVIL 2017 對本項目下穿隧道地板跳倉分塊施工進行有限元模擬，并以此模擬的結果為參考來指導施工，本次模擬只模擬單個倉塊的四分之一，方便查看內部的應力以及溫度情況。

參考《混凝土結構設計規范》和試驗數據以及相關文獻[5]，本次模擬的C30 混凝土參數取值如下：

表1 .3-2 C30 混凝土物理熱學參數

經過實地測量，項目所在地三月份溫度變化在大約在6℃至15℃之間，具體變化如下圖所示：

由于混凝土厚度比較厚，因此在建模中考慮冷卻管，間距1m，布置圖如下：

圖1 .3-4 冷卻管布置圖

經過計算，取混凝土內部和外部各一節點，兩點的溫度變化如下圖所示：

圖1 .3-5 混凝土內外溫差變化圖

由圖可以看出，跳倉分塊后的混凝土內部與外部的溫差最大在80 小時位置，大約12℃，符合規范規定要求。此時混凝土溫度與應力分布圖如下：

圖1 .3-6 80h 時混凝土溫度與應力分布圖

取混凝土表面的一點為代表值，取其容許拉應力和應力，其值如下圖所示：

圖1 .3-7 砼表面允許抗拉強度與應力走向圖

可以看出，應力始終在容許的拉應力之下，這表明混凝土表面不會出現裂縫，達到了預期的要求。

綜上所述，將大面積的混凝土分成若干小塊之后，在使用冷卻管降低混凝土內部溫度，對于大體積混凝土的水化熱控制是非常有效的。

2 結論

高原地區大體積混凝土施工對各個方面的要求都比較高，根據上述研究，給出以下建議：

（1）降低混凝土自身水化熱，應該減少水泥的用量并加入摻合料，同時輔以膨脹劑來抵消礦物摻合料的收縮。

（2）針對高原的氣候環境，應該加強養護措施，使用塑料薄膜灑水覆蓋養生，必要時鋪設棉氈來防風保溫。適當加長養護時間，保證混凝土強度。遇到溫度驟降或者夜間極冷天氣，應該設置碘鎢燈等外部加溫措施。

（3）面對大面積的大體積混凝土，跳倉分塊法可以有效的減小混凝土單次澆筑的體積，對于混凝土內外部溫差的控制也非常有用，可以有效的控制混凝土溫度裂縫的產生。