軌道交通工程側(cè)墻大體積混凝土裂縫控制技術(shù)
——以北京市為例

文｜中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司 韋龍

大體積混凝土主要是指混凝土的結(jié)構(gòu)以及尺寸達(dá)到了一定水平，并且需要采取針對(duì)性措施，此外應(yīng)該對(duì)混凝土內(nèi)部和外部溫度差值做出妥善處理，對(duì)裂縫做出控制。導(dǎo)致城市軌道交通發(fā)生滲水和漏水現(xiàn)象的根本原因在于混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂痕，在工程建設(shè)中應(yīng)該及時(shí)采取科學(xué)化措施預(yù)防和補(bǔ)救，提升城市軌道交通建設(shè)的質(zhì)量。

一、工程案例概況

目前我國交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展較為迅速，城市軌道工程作為城市交通事業(yè)重要組成單元，具備較為復(fù)雜的大體積混凝土施工組織。與此同時(shí)，在項(xiàng)目工程建設(shè)過程當(dāng)中存在較多控制點(diǎn)，由于外界環(huán)境變化以及內(nèi)部施工技術(shù)原因，將會(huì)導(dǎo)致側(cè)墻大體積混凝土出現(xiàn)裂痕。北京市軌道交通某在建地下車站，主體采用地下兩層三跨箱型框架結(jié)構(gòu)。車站總長(zhǎng)338m，主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段總寬23.5m，負(fù)二層層高6.29m、負(fù)一層層高5.55m。側(cè)墻厚度0.9m，采用C40 普通混凝土，施工方案中劃分施工單元長(zhǎng)度為21m。施工完成后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員檢查發(fā)現(xiàn)，墻體上出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象。為了最大限度彌補(bǔ)已經(jīng)出現(xiàn)混凝土裂縫問題，降低后期車站側(cè)墻混凝土出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象。擬通過優(yōu)化混凝土配合比，對(duì)側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土合理分段，并從澆筑、振搗以及養(yǎng)護(hù)混凝土，強(qiáng)化工程質(zhì)量控制。

表1 C40 側(cè)墻大體積混凝土配合比表（kg·m-3）

二、優(yōu)化側(cè)墻大體積混凝土制作材料的配合比

北京市地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季來臨時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，而冬季來臨，又將會(huì)出現(xiàn)持續(xù)低溫天氣，大體積混凝土的內(nèi)部位置具有相對(duì)較高的溫度，并且混凝土表面位置具有較快的散熱速度，從而導(dǎo)致大體積混凝土的外表面與內(nèi)部形成較大溫差，并且基礎(chǔ)的外約束應(yīng)力會(huì)作用到側(cè)墻結(jié)構(gòu)中，此時(shí)需采取科學(xué)的方案設(shè)計(jì)混凝土配合比，降低混凝土水化熱以及收縮。

對(duì)側(cè)墻大體積混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，擬采取以下幾種控制措施：

第一，混凝土采用60d 后期強(qiáng)度作為配合比、強(qiáng)度評(píng)定的依據(jù)。

第二，水泥采用水化熱較低的普通硅酸鹽水泥，水膠比控制在0.4 以下。

第三，細(xì)集料采用優(yōu)質(zhì)級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、細(xì)度適中、非活性的水洗中粗機(jī)制砂，在選擇粗集料的時(shí)候要選擇規(guī)格為5mm 到31.5mm 的高品質(zhì)洗碎石，這種材料運(yùn)用的主要目的是為了確保混凝土的穩(wěn)定性能得以提升。

第四，礦物摻合料采用Ⅰ級(jí)粉煤灰，用以減少水泥用量，增加混凝土的和易性，提高混凝土后期強(qiáng)度，并通過S95 高爐礦渣粉的摻入，對(duì)控制混凝土水化熱、保障工程所用的混凝土具有更加積極的影響。

第五，在選擇使用外加劑的時(shí)候，建議使用性能較高的CC-AI 聚羧酸減水劑。這種產(chǎn)品具有很高的減水性能，與國家的相關(guān)要求以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相吻合。使用這種減水劑的主要作用是將水化的溫度高峰值進(jìn)行推遲，適當(dāng)性的將水化反應(yīng)作出推遲，合理的控制混凝土在早期使用當(dāng)中的反應(yīng)速度，進(jìn)而達(dá)到對(duì)水溫進(jìn)行控制的目標(biāo)。

第六， 混凝土的坍落度控制在160mm±20mm。

經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后，確定側(cè)墻大體積混凝土配合比，詳細(xì)如表1 所示。

三、側(cè)墻施工流水段合理劃分

混凝土在使用的過程中也會(huì)產(chǎn)生溫度，并且其自身的體積也會(huì)發(fā)生一定程度的變化。若是混凝土遭受到外部力量與自身約束力時(shí)候，混凝土便會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。通過計(jì)算側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外約束應(yīng)力及最大的抗裂安全系數(shù)，以確定側(cè)墻施工流水段的合理劃分。

1. 計(jì)算最大內(nèi)約束應(yīng)力

初秋時(shí)分，項(xiàng)目工程建設(shè)時(shí)環(huán)境的溫度大約在23℃左右，混凝土自身的溫度大約在25℃，工程中的混凝土最終的溫度達(dá)到53℃，此時(shí)應(yīng)該是澆筑混凝土之后的第二天。本工程側(cè)墻采用外包柔性防水與圍護(hù)樁相互結(jié)合，從而構(gòu)筑成復(fù)合墻結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目工程人員需要綜合分析與計(jì)算混凝土的降溫系數(shù)，將取值數(shù)據(jù)作為0.56，這個(gè)時(shí)候便可以對(duì)混凝土內(nèi)部的溫度作出計(jì)算。

由于收到防水隔離層的影響，側(cè)墻大體積混凝土在考慮的時(shí)候可以忽略圍護(hù)樁的存在，當(dāng)項(xiàng)目工程施工控制在理想狀態(tài)下時(shí)，那么致使混凝土出現(xiàn)裂縫的主要原因是出現(xiàn)在側(cè)墻中心區(qū)域的內(nèi)約束應(yīng)力，以及集中在側(cè)墻的底部區(qū)域基礎(chǔ)施工縫處的外應(yīng)約束力。通過內(nèi)外約束應(yīng)力的計(jì)算，對(duì)導(dǎo)致側(cè)墻開裂的主要影響因素展開分析。

帶模進(jìn)行為期四天的側(cè)墻混凝土養(yǎng)護(hù)，混凝土最大內(nèi)外溫差出現(xiàn)在澆筑完成后的第五天，溫度差異大約在8℃到9℃之間。經(jīng)過實(shí)測(cè)量，二十八天彈性模量E（t）=3.45×104MPa，通過計(jì)算可知第五天時(shí)，其彈性模量約為19320MPa。

最大內(nèi)約束應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下：

最大的抗裂安全系數(shù)K 計(jì)算結(jié)果如下：

在公式之中:σ（t）所表示的含義為最大的內(nèi)約束力，單位表示為MPa；α 所表示的含義為混凝土線膨脹系數(shù)，其數(shù)據(jù)取值為1.0×10-5；E（t）所表示的含義是混凝土的內(nèi)部溫度與外部溫度之間的溫度差所對(duì)應(yīng)的齡期，單位表示為MPa；ΔT 所表示的含義為在完成混凝土澆筑工作之后，混凝土可能會(huì)出現(xiàn)的表面溫度與內(nèi)部溫度之間的溫度差異，單位表示為℃。

混凝土的約束力抗裂安全系數(shù)處于最小值的時(shí)候，是在第五天，由于K（5）=2.24＞＞1.15，數(shù)據(jù)結(jié)果表明，側(cè)墻大體積混凝土開裂的原因并非是內(nèi)約束應(yīng)力。

2. 計(jì)算最大外約束應(yīng)力

計(jì)算混凝土綜合降溫差時(shí)，要考慮各階段的干燥收縮與降溫收縮的結(jié)果，通過查看施工標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，可確定16m 和21m 的側(cè)墻大體積混凝土，當(dāng)澆筑混凝土出現(xiàn)最大約束力的時(shí)候，集中在第三天時(shí)間。

（1）21m 側(cè)墻混凝土的最大外約束應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下：

其抗裂安全系數(shù)的結(jié)算結(jié)果如下：

在公式中，σ（t）所表示的含義是混凝土的齡期是第t 天的時(shí)候，因?yàn)槭艿骄C合降溫差的影響，受外約束力影響而產(chǎn)生拉應(yīng)力，其單位表示為MPa。

通過上述計(jì)算過程展開計(jì)算，結(jié)果可知混凝土的外約束力抗裂安全系數(shù)最小值是1.06<1.15，由上述結(jié)果表明，當(dāng)側(cè)墻混凝土的施工分段長(zhǎng)度為21m 時(shí)，在混凝土澆筑的第三天，單一的外約束應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）16m 側(cè)墻混凝土的最大外約束應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下：

其抗裂安全系數(shù)的結(jié)算結(jié)果如下：

由上述計(jì)算結(jié)果得知，若是側(cè)墻混凝土施工的長(zhǎng)度為16m 的時(shí)候，外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)的最小值為1.15≥1.15，通過結(jié)果判斷可知，倘若混凝土出現(xiàn)單一約束力，是可以相對(duì)降低側(cè)墻開裂風(fēng)險(xiǎn)。若是長(zhǎng)度為21m，那么便可以有效提升安全系數(shù)。

四、混凝土施工及養(yǎng)護(hù)控制措施

嚴(yán)格控制到場(chǎng)混凝土坍落度，嚴(yán)禁施工人員加水調(diào)整，對(duì)超出坍落度允許偏差的混凝土進(jìn)行退場(chǎng)處理。采用天泵進(jìn)行混凝土澆筑，當(dāng)模中被均勻注入混凝土的時(shí)候，那么便應(yīng)該進(jìn)行分層澆筑和振搗，但是需要控制厚度低于400mm。在相鄰的兩層澆筑之間，其時(shí)間間隔需要控制在1.5 小時(shí)之內(nèi)，保證上層混凝土與下層混凝土兩者之間高效結(jié)合，保障不會(huì)出現(xiàn)施工縫。垂直控制其自由下落高度不超過2m。

混凝土振搗采用插入式振搗器，澆筑前需另準(zhǔn)備一個(gè)備用振搗器，以免振搗器出現(xiàn)問題。插入式振搗器使用時(shí)要快插慢拔，即插入時(shí)要快，拔出要慢，在振搗中，將振動(dòng)棒上下略微抽動(dòng)，以使上振下?lián)v密實(shí)均勻。在展開振搗活動(dòng)的時(shí)候，應(yīng)該將振搗器的位置做出規(guī)范，一般情況下在下層混凝土的5 厘米處，這樣便可以強(qiáng)化上層混凝土與下層混凝土兩者之間的結(jié)合力度。振搗器在移動(dòng)的時(shí)候，其前后移動(dòng)的幅度不能夠超過振搗作用的半徑1.5 倍距離，普遍情況下為30 厘米到40 厘米之間，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況作出實(shí)際調(diào)查。每次將振搗器插入之后，進(jìn)行的振搗時(shí)間需要控制在20 秒到30 秒，停止的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為混凝土中沒有出現(xiàn)任何氣泡、也沒有出現(xiàn)較為明顯的下沉現(xiàn)象，甚至開始出現(xiàn)泛漿的現(xiàn)象。采用振搗器進(jìn)行振搗的時(shí)間要做好嚴(yán)格的控制，時(shí)間不能夠太久，若是持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，將會(huì)導(dǎo)致水泥漿與砂產(chǎn)生分離，混合物中的石子也開始下沉，與此同時(shí)也會(huì)在混凝土的表層位置出現(xiàn)砂層，降低混凝土的質(zhì)量。

嚴(yán)格控制大體積混凝土溫度，夏季不大于28℃，冬季不低于不小于5℃，當(dāng)混凝土入模澆筑的時(shí)候，其溫度要做好合理控制，不能超過50℃，混凝土的表層溫度與其內(nèi)部溫度之間所形成的溫度差異要維系在25℃以內(nèi)，并且還應(yīng)該要控制器澆筑體降溫的實(shí)際速度也不能夠超過2℃，另外對(duì)于混凝土所處環(huán)境的溫度也有所要求，溫度之間的差異應(yīng)該控制在20℃之內(nèi)。

為保證混凝土有良好的硬化條件，防止早期干縮產(chǎn)生裂紋，在灌注后12h 內(nèi)，即時(shí)對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，防水混凝土養(yǎng)護(hù)不少于14d。為了利于混凝土保水養(yǎng)護(hù)，需在混凝土表面覆蓋塑料薄膜，防止養(yǎng)護(hù)期間下雨造成混凝土表面溫度的突降。

為了更進(jìn)一步的對(duì)大體積混凝土在工程施工中的水化熱大小情況予以了解，清楚掌握深度不同的溫度場(chǎng)變化情況，探究在項(xiàng)目工程施工過程中的早期與中期之間的溫度差異變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)在施工過程中有的放矢的控制施工質(zhì)量，在側(cè)墻上、中、下部埋設(shè)測(cè)溫點(diǎn)，在澆筑過程及養(yǎng)護(hù)過程中進(jìn)行溫度變化的測(cè)定。在底板混凝土的中間位置以及距離地板上表面9 厘米的位置提前設(shè)置測(cè)溫孔，在這兩處位置對(duì)大體積混凝土的表面溫度以及中間溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在位于露天位置、不容易被破壞的位置、距離混凝土表面1.5 米高度的位置安排三個(gè)溫度測(cè)量計(jì)，主要目的是檢測(cè)大氣中的溫度，將三個(gè)溫度測(cè)量計(jì)的數(shù)據(jù)取平均值。在混凝土澆筑完成的1 天到3 天之間，每三個(gè)小時(shí)測(cè)量一次溫度。在混凝土澆筑完成的4 天到15 天之間，每五個(gè)小時(shí)測(cè)量一次溫度。在混凝土建筑完成的15 天到30天之間，每十個(gè)小時(shí)測(cè)量一次溫度。借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)時(shí)管理測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。

結(jié)語

城市發(fā)展離不開公共基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)力支持，城市交通系統(tǒng)發(fā)展水平，將會(huì)在很大程度上促進(jìn)人口流動(dòng)，加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐。軌道交通作為當(dāng)下熱門交通工程，得到人們廣泛青睞。本文簡(jiǎn)要的分析了北京市交通軌道系統(tǒng)中某車站的側(cè)墻大體積混凝土的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及配比情況，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究人員提供參考。