蘇州某穿湖隧道大體積混凝土工程裂縫控制應用研究

王丙壘，紀憲坤，徐可，賀念，王德民

（武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢 430083）

0 引言

隨著基建工程突飛猛進的發展，混凝土也朝著低水膠比、早強、高膠材、高摻合料的方向發展[1]。核心膠凝材料水泥的細度普遍增加，強度和水化熱提前；天然細骨料資源緊張，大量機制砂、超細砂、海砂和尾礦砂等涌入市場，級配差、含泥（粉）量高且有害元素多；常用礦渣粉、粉煤灰和其它復合摻合料的摻量增加，其中礦粉干縮大，雖然粉煤灰能降低水化熱和收縮，但是大部分地區粉煤灰資源緊缺，以次充好的現象普遍存在，這都是導致現階段混凝土體積穩定性差、抗裂難度大的重要因素。混凝土的顯著特征是抗壓強度及脆性高而且抗拉強度低，拌合物從塑性到硬化的壽命周期內會發生溫度、干燥和化學等各種耦合因素導致的收縮變形，混凝土硬化后受到鋼筋、地基等約束而產生拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時便會產生微裂縫。隨著齡期延長和多種耦合效應的影響，微裂縫逐漸發展為貫穿性有害裂縫，繼而進一步誘發鋼筋銹蝕，導致混凝土結構破壞，嚴重影響結構的耐久性和壽命[2]。

配制補償收縮混凝土是目前裂縫控制較為普遍且行之有效的方法之一，補償收縮混凝土通過膨脹材料的水化形成穩定的膨脹水化產物，在混凝土內部產生預壓應力并提高混凝土的密實性。GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中氧化鈣類膨脹劑的適用條件有限，一旦混凝土結構溫度高于40℃，氧化鈣在混凝土中早期膨脹速率過快，塑性階段消耗大量無效膨脹能，難以對復雜條件的混凝土起到同步補償收縮作用。而鎂質抗裂劑具有水化產物穩定、延遲膨脹和反應活性可調控等特性，是大體積混凝土更為理想的補償收縮材料[3-4]。

大體積混凝土特點是散熱慢，容易形成溫度梯度，溫度收縮占主要因素，實際工程中的影響因素復雜多樣，如配筋率、原材料質量、混凝土強度等級與配合比、設計分段澆筑長度、結構最小尺寸、不同模板類型、支模方式、環境溫度、入模溫度、施工工法和養護方式等，因此需針對項目特點難點進行方案設計，因地制宜，科學管控。

1 工程概況

1.1 基本信息

該項目位于蘇州某湖泊景區，屬于明挖法穿湖隧道（見圖1），項目全長約6 km，雙向6車道規模，設計時速50 km/h，地連墻支護結構，樁筏基礎，中間設置鋼支撐。其主要使用功能為城市快速路和主干道，設計使用年限100年，防水等級二級以上（部分為一級），抗震設防地震烈度6級，底板、側墻和頂板的設計混凝土等級為C35P8。單段結構設計尺寸見表1。

圖1 單段隧道模型示意

表1 單段結構設計尺寸

1.2 項目特點

（1）項目主線隧道底板、側墻、頂板大屬于體積混凝土，原設計結構單段長度34m，地基約束大，開裂風險大，地下水位高，施工期間需采取不間斷降水措施，主體混凝土與土壤直接接觸，開裂滲水風險大，對裂縫控制要求高。

（2）側墻與地下連續墻直接相連接，屬于單側支模，外防水施工難度大，對結構自防水要求更高，采用鋼模板支撐，散熱速率快，開裂風險大。

（3）當地屬亞熱帶季風海洋性氣候，四季分明、雨量充沛。根據氣象臺歷年氣象資料統計：年平均氣溫15.8℃，最熱月平均溫度28.5℃，最冷月平均溫度3℃，最高溫度38.8℃，最低溫度-5℃。施工季節跨度大，需要不斷調控施工工法和養護方式。

1.3 方案設計

根據該項目多因素耦合收縮特性，設計如下方案：

（1）采用鎂質抗裂劑配制補償收縮混凝土，補償混凝土早期溫度收縮、化學收縮和中后期的干燥收縮，提高混凝土結構耐久性。

（2）優選預鋪反粘高分子防水卷材外防水材料，除了作為1層柔性防水之外，其關鍵作用在于該柔性材料可隔斷地連墻與主體新舊混凝土接茬，降低單側支模側壁地連墻對主體側墻的約束。

（3）優選溫度控制措施，降溫措施與溫度應變監控，針對夏季原材料溫度高特點，骨料粉料均采用封閉式儲存，減少直接光照，選用自來水冷卻系統（見圖2）。

圖2 采用水冷卻系統

（4）合理設置分段澆筑長度，原變形縫設計長度34m，墻高度8.4 m，為減少地基約束，將分段澆筑長度縮短為17 m，中間設置施工縫，側墻澆筑過高容易出現脹模和骨料沉降，設置水平施工縫分2次澆筑成型。

（5）合理布置溫度應變監控點，根據數據變化規律及時調整方案。

2 原材料及混凝土配合比優化

2.1 原材料

水泥：P·O42.5，比表面積385 m2/kg；粉煤灰：F類Ⅱ級；碎石：5～25mm連續級配，含泥量1.0%；機制砂：細度模數為2.7～3.0，石粉含量3.5%；聚羧酸減水劑：弗克FOX-8H；FQY鎂質高性能混凝土抗裂劑：武漢三源特種建材有限責任公司，其主要技術性能見表2。

表2 鎂質抗裂劑的主要技術性能

2.2 配合比優化及性能檢驗

頂板、底板和側墻混凝土設計等級為C35P8，在混凝土拌合站給定的初始配合比基礎上，采用不同摻量鎂質抗裂劑部分替代粉煤灰，測試混凝土各項性能，最終選取鎂質抗裂劑可靠的摻量進行實際生產，摻鎂質抗裂劑混凝土配合比見表3，各項性能見表4。

表3 摻鎂質抗裂劑混凝土配合比 kg/m3

表4 C35P8混凝土的主要技術性能

由表4可知，內摻鎂質抗裂劑后，符合C35P8混凝土的力學性能和抗滲性要求，且滿足設計初始坍落度（180±20）mm，1 h內損失不大于30 mm的要求。

3 抗裂驗算

采用ANSYS軟件對該尺寸的結構及混凝土配合比進行有限元模擬分析，預算抗裂安全系數，大體積混凝土溫控抗裂安全系數是指混凝土的劈裂抗拉強度與對應齡期溫度應力計算最大值之比，根據GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》，按式（1）進行判定：

式中：ftk（τ）——混凝土齡期為τ時的劈裂抗拉強度，MPa；

δx——混凝土的溫度應力，MPa；

K——混凝土抗裂安全系數，取K=1.4。

分別選取已知結構尺寸、混凝土配合比及強度結果、模板類型及其厚度和拆模時間等，假設環境溫度為20～30℃，入模溫度為28℃，隧道主體結構溫度計算結果見表5，不同抗裂方案下隧道混凝土主體結構應力計算結果見表6。

表5 隧道主體結構抗裂混凝土溫度計算結果

表6 不同抗裂方案下隧道混凝土主體結構應力計算結果

由表5、表6可知，各部位溫峰值相差不大，溫升值30℃左右，單次澆筑17 m長時，最小抗裂安全系數均大于1.4，單次澆筑34 m長時，底板和側墻最小抗裂安全系數均＜1.4，存在較大開裂風險。模擬驗算僅為參考數據，因為最大主應力主要考慮了溫度因素，未考慮混凝土自身收縮和抗裂劑產生的膨脹性能影響，比較單一。

4 施工過程控制

4.1 底板和頂板

采用連續分層澆筑施工，分層厚度≤500 mm，人工第1次攤平混凝土，初凝前（骨料已充分沉降后）整平機二次振搗，終凝前采用抹光機二次抹面，終凝后覆蓋土工布灑水保濕養護14 d以上，環境溫度低于5℃時僅覆蓋土工布保溫。澆筑過程控制見圖3。

圖3 澆筑過程控制

4.2 側墻

側墻采用連續分層澆筑施工，分層高度≤700 mm，澆筑宜從低處開始，沿長邊方向自一端向另一端推進，在距離另外一端一定長度（一般不小于墻高）時反向澆筑。

側墻澆筑完畢2～3 d拆除模板，但此時混凝土溫度正處于溫峰或剛過溫峰，因此養護以保溫為主，拆模后貼上1層專用保溫保濕養護膜（見圖4），用溫水充分吸水后黏在側墻表面，可以鎖住水分，防止蒸發，灑1次水具有14 d長時間保溫保濕效果，外層再覆蓋1～2層深色毛氈保溫（見圖5），毛氈層數根據環境溫度調整，養護14d以上。

圖4 拆模后采用專用保溫保濕養護膜養護

圖5 側墻外側覆蓋毛氈保溫

5 數據分析

由于大體積混凝土裂縫控制影響因素較多，而溫度控制是重中之重，對于混凝土原材料類型及配合比、分段澆筑長度、結構厚度、施工方式、模板類型和拆模養護方式等變化較小的因素作為限定條件，暫不予過多分析。本文從不斷變化的環境因素出發，借助溫度傳感器和振弦應變計等檢測設備，分析混凝土入模溫度、不同部位里表溫差和內部應變發展規律。

5.1 監測點布置

使用埋入式振弦式應變計和溫度傳感器可采集測點的應變和溫度數據，用于監測混凝土結構部位的受力和溫度狀態。驗證段應變計預埋：單段隧道長約為17 m，長度方向布置1個測位，每個測位的不同厚度處共布置3個傳感器。測點分別布置在底板、側壁、頂板內部三維方向尺寸的中心位置（監測點一般為1個），表層溫度由溫度傳感器在距內、外表面5 cm處監測，應變計埋置位置如圖6所示。

圖6 監測點分布示意

5.2 不同季節對混凝土溫度的影響

該項目采用的單側鋼模板支模大體積側墻中心混凝土的平均入模溫度、溫峰值和環境溫度如圖7所示。

圖7 各月份環境和混凝土內部溫度曲線

由圖7可知，溫度較高的月份集中在6～9月，環境溫度為20～35℃，環境溫度較低月份集中在11月至次年3月，環境溫度為0～15℃，混凝土平均入模溫度與環境溫度曲線呈正相關。溫峰值隨著環境溫度升高而增加，冬季溫峰值最低，表明隨著氣溫降低，混凝土散熱速率增加，混凝土水化放熱速率受入模溫度影響延遲，加之鋼模板導熱系數高，導致混凝土溫峰值大幅度降低；相反，夏季氣溫和混凝土入模溫度較高，混凝土水化放熱速率增大，溫峰值大幅度增大。

5.3 不同結構特征對混凝土溫度的影響

分別從底板、側墻和頂板部位選取具普遍性的監測點測溫（見圖8，暫不考慮季節因素），其中底板和頂板采用土工布保濕養護14d，側墻2～3d拆除模板，拆模后未采取養護膜進行養護，目的在于檢測不同部位溫峰和降溫速率，對比里表溫差（見表7），評估不同部位開裂風險。

由圖8和表7可知，底板和頂板里表溫度變化規律類似，中心溫度最高，這是因為大體積混凝土中心不與環境接觸，早期散熱速率較慢；下表面與地基或底部木模板接觸，保溫效果好，散熱速率較慢，里表溫差小；上表面與潤濕的土工布及大氣直接接觸，混凝土熱量與空氣對流加速散熱，散熱速率較快，其里表溫差最大，溫峰值最小，雖然養護水和環境溫度較低，但中心混凝土大部分熱量由于“蒸籠效應”持續傳導至上表面，致上表面溫峰持續時間較長，且里表溫差始終處于＜25℃的范圍內。

側墻內部溫度依然是“兩邊低中心高”，靠地連墻內表面溫峰最低，這是因為早期側墻混凝土熱量不斷傳導至防水卷材和相鄰地連墻，其導熱系數小，形成具溫度梯度的保溫層，溫峰持續時間長且降溫速率最慢；靠模板側墻混凝土拆模后降溫速率最高，混凝土熱量與空氣對流加速散熱，散熱速率較快，最大降溫速率達到8.4℃/d，開裂風險較高。

綜上，底板和頂板由于“蒸籠效應”，混凝土里表溫差和降溫速率均不大，C35混凝土水膠比較大，混凝土內部自收縮占比小，采取覆蓋土工布保濕養護的措施，混凝土外部相對濕度始終在90%以上，干燥收縮較少，開裂風險不大。但側墻拆模后外表面會因降溫速率過快導致內部收縮應力大于混凝土抗拉強度，受到相鄰結構和鋼筋限制而開裂，化學自收縮與干燥收縮會加劇表面裂縫擴展，最終導致混凝土貫穿開裂。因此，側墻的合理養護是裂縫控制的重中之重。

圖8 混凝土里表溫度曲線

表7 不同結構里表溫度數據

5.4 不同季節對側墻混凝土應變性能的影響

由于側墻較板式結構散熱面積大，理論里表溫差大，且受側墻和地連墻約束，開裂風險高，重點選取不同季節側墻溫度應變數據分析（見圖9～圖12），并通過數據分析鎂質抗裂劑在不同季節相同條件的變化規律。側墻均3 d拆模，拆模后采用專用保溫保濕養護膜和土工布進行養護。

圖9 春季側墻中心溫度應變曲線

圖10 夏季側墻中心溫度應變曲線

從圖9可以看出，春季環境溫度為9～23℃，側墻混凝土入模溫度為18.7℃，36 h后到溫峰51.7℃，溫升值33.0℃，10 d后降至26.3℃，最大降溫速率4.6℃/d，8 d后達到最大應變值112με，應變值呈遞增趨勢，證明混凝土持續處于穩定微膨脹狀態，無開裂風險。

從圖10可以看出，夏季環境溫度為22～35℃，側墻混凝土入模溫度為31.8℃，31.2 h后到溫峰66.5℃，溫升值34.7℃，17 d后降至30℃，最大降溫速率5.2℃/d，22 h后達到最大應變值60με，降溫階段混凝土開始收縮，消耗膨脹能，應變值開始遞減，17 d后降至-86με，開裂風險較高。

圖11 秋季側墻中心溫度應變曲線

從圖11可以看出，秋季環境溫度為14.5～21.5℃，側墻混凝土初始入模溫度為24.3℃，44 h后達到溫峰值55.3℃，溫升值為31℃，8.5d后溫度降至33.3℃，最大降溫速率4.0℃/d；側墻中心62h后溫度修正應變最大值達到56.8με，開始降低，并且與中心溫度曲線相擬合。說明隨著溫度的升高，抗裂劑膨脹組分持續反應產生預壓應力，使混凝土處于微膨脹狀態，在降溫階段，混凝土開始收縮，消耗膨脹能，9d后降至-41.8με，但不超過-100με，無開裂風險。

從圖12可以看出，冬季環境溫度為-4～15℃，側墻混凝土初始入模溫度為14.4℃，33h后達到溫峰值33.5℃，溫升值為19.1℃，8.9d后溫度降至18.5℃，最大降溫速率為2.5℃/d，7.5 d后溫度修正應變最大值達到31.4με，隨著溫度的降低，水泥水化速率降低，膨脹劑的反應速率延遲，在混凝土降溫階段膨脹組分持續反應，膨脹能持續補償收縮，最終處于穩定正應變狀態。

圖12 冬季側墻中心溫度應變曲線

綜上，夏季混凝土環境溫度、入模溫度和溫峰值最高，同等條件下，早期最大降溫速率高，開裂風險大于其他季節。這是因為混凝土當量降溫速率越快，其當量溫度收縮應力越大，此時混凝土對應抗拉強度不足以抵消收縮應力，開裂風險越大。因此，需針對夏季側墻部位的開裂風險及時調整抗裂劑活性，并適當增加抗裂劑摻量進行調控。

6 效果統計與展示

6.1 抗裂混凝土的整體應用效果評價（見表8）

表8 抗裂混凝土的整體應用效果評價

目前該項目已完成部分混凝土澆筑，其中幾段側墻夏季施工過后出現了拆模后未按要求及時養護的情況，集中出現了數10條有害裂縫，后經過對鎂質抗裂劑和活性調控，并對施工養護措施及時監督整改，后期效果優良。

6.2 抗裂混凝土的應用效果展示（見圖13）

圖13 抗裂混凝土的整體應用效果

7 結論

（1）針對大體積混凝土工程實際特點難點，科學合理設計并實施管控方案，可以有效降低開裂風險。

（2）大體積混凝土裂縫控制實際影響因素復雜多樣，應將變化較大的環境因素與混凝土原材料類型及配合比、分段澆筑長度、結構厚度、施工方式、模板類型和拆模養護方式等微變因素進行區分，通過監測數據的變化規律及時調整抗裂劑活性，可作為可控方案應對環境因素對抗裂造成的不利影響。

（3）實際溫度與抗裂模擬驗算數據基本擬合，但實際施工現場影響因素和涉及的變量較多，需靈活管控，監控數據出現異常狀況應及時協調各方進行整改，有助于大體積混凝土結構自防水的達成。