地下通道側(cè)墻結(jié)構(gòu)早期裂縫控制技術(shù)研究

何貝貝

(武昌首義學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430064)

大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料會(huì)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)中最容易產(chǎn)生裂縫、最難控制的是墻體結(jié)構(gòu)，且大體積混凝土裂縫一般出現(xiàn)在混凝土澆筑初期，故大體積混凝土側(cè)墻結(jié)構(gòu)的早期裂縫控制問題備受關(guān)注。劉迪等[1-3]針對隧道類結(jié)構(gòu)研究了針對大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制方案。王亞西等[4,5]針對不同的裂縫控制措施的效果進(jìn)行了研究，研究表明：水化熱抑制劑、冷卻水管有利于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制。

以江蘇徐州某地下通道為例，借助midas Civil有限元軟件中的水化熱分析模塊，建立了該地下通道的結(jié)構(gòu)模型，重點(diǎn)研究了其中某一現(xiàn)澆節(jié)段的大體積混凝土側(cè)墻結(jié)構(gòu)，從施工方面的影響因素考慮，模擬了入模溫度、模板類型、拆模時(shí)間、養(yǎng)護(hù)時(shí)長四種工況，得到了不同工況下前10 d的溫峰時(shí)間、溫升值及開裂風(fēng)險(xiǎn)等結(jié)果，并根據(jù)結(jié)果提出相應(yīng)的裂縫控制方案，使得側(cè)墻結(jié)構(gòu)在施工過程中取得了良好的裂縫控制效果。

1 工程概況

華廈廣場西地塊防空地下室地下通道項(xiàng)目位于江蘇徐州，為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。地下通道按施工后澆帶劃分，每一節(jié)段長27 m，橫截面如圖1所示。底板下設(shè)有100 mm厚C15素混凝土墊層，底板厚1.1 m；側(cè)墻高3.5 m，厚度為1 m；頂板厚0.8 m。每一節(jié)段分兩次澆筑，第一次對底板與底板面以上0.3 m的側(cè)墻進(jìn)行整體澆筑；第二次對余下的3.2 m側(cè)墻及頂板進(jìn)行整體澆筑。側(cè)墻混凝土強(qiáng)度等級C35P10，混凝土配合比如表1所示；第二次澆筑的側(cè)墻部分屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在澆筑初期，容易因?yàn)檫^大的內(nèi)外溫差產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

表1 C35P10混凝土配合比 /(kg·m-3)

2 模型建立

根據(jù)前述結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立的地下通道有限元模型如圖2所示。

3 工況分析

混凝土結(jié)構(gòu)開裂是一個(gè)復(fù)雜的問題，會(huì)受到自身材料性能、結(jié)構(gòu)尺寸、施工工藝等多個(gè)因素的影響，故對其進(jìn)行裂縫控制時(shí)需要明確各因素對結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響規(guī)律。考慮到該地下通道使用的材料、混凝土配合比、設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸以及施工季節(jié)等已經(jīng)確定，前期采用midas Civil進(jìn)行影響因素開裂風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)，可考慮的變量不多，現(xiàn)從施工環(huán)節(jié)的四個(gè)因素：入模溫度、模板類型、拆模時(shí)間、養(yǎng)護(hù)時(shí)長入手，分析其對側(cè)墻結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響，從中確定較優(yōu)的裂縫控制方案指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

針對該地下通道的側(cè)墻結(jié)構(gòu)，設(shè)置的4種分析工況的具體參數(shù)如表2所示。

針對同一種工況分別設(shè)置不同的參數(shù)條件，得出側(cè)墻結(jié)構(gòu)在該參數(shù)條件下的溫峰時(shí)間及溫升值，同時(shí)結(jié)合目前認(rèn)可度較高的“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機(jī)制的抗裂性評估理論與方法[6]，采用混凝土最大拉應(yīng)力與容許抗拉強(qiáng)度的比值——開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η來評估其開裂風(fēng)險(xiǎn)，一般認(rèn)為當(dāng)η≥1.0 時(shí)，混凝土一定會(huì)開裂；當(dāng)0.7≤η<1.0 時(shí)，混凝土存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)η<0.7 時(shí)，混凝土基本不會(huì)產(chǎn)生有害裂縫。

表2 工況分析表

3.1 入模溫度

入模溫度選取的參數(shù)值是15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃，其它影響因素設(shè)置如下：模板采用8 mm厚木模板、7 d拆模、無養(yǎng)護(hù)。

不同入模溫度下側(cè)墻結(jié)構(gòu)中心溫度的變化曲線如圖3所示，溫峰時(shí)間、溫峰值、溫升值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。由圖3、表3可知，隨著入模溫度升高，溫峰出現(xiàn)的時(shí)間逐漸提前，扣除入模溫度后的溫升值也有所升高。主要是因?yàn)槿肽囟仍礁撸嗨磻?yīng)的速度越快，導(dǎo)致溫峰出現(xiàn)的時(shí)間越早；同時(shí)較高的溫度環(huán)境會(huì)促進(jìn)水泥水化得更充分，產(chǎn)生的水化熱更多，導(dǎo)致溫升值升高。

不同入模溫度下側(cè)墻結(jié)構(gòu)前10 d開裂風(fēng)險(xiǎn)變化曲線如圖4所示。由圖4可知，入模溫度越高，開裂風(fēng)險(xiǎn)越大；從15～30 ℃，開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)到0.7所用的時(shí)間依次為7.8 d、6.2 d、4.8 d、3.9 d。

綜上所述，降低入模溫度，可以降低結(jié)構(gòu)的溫升值，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，有利于側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂縫控制。根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，該側(cè)墻結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)施工時(shí)間為4～5月，考慮到入模溫度控制越低，造價(jià)越高，推薦入模溫度控制在20 ℃左右。

表3 不同入模溫度下側(cè)墻結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)溫度參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.2 模板類型

模板類型選擇目前工程上最常用的木模板和鋼模板，其它影響因素設(shè)置如下：入模溫度20 ℃、7 d拆模、無養(yǎng)護(hù)。

不同模板類型側(cè)墻結(jié)構(gòu)中心溫度的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，鋼模板在26 h達(dá)到溫峰46.3 ℃；跟木模板相比，溫峰時(shí)間提前了21 h，溫峰值降低了16.1 ℃；且鋼模板的降溫速率明顯大于木模板。主要是因?yàn)殇撃０宓纳嵝员饶灸０搴茫炷林械臒崃坎灰追e聚。根據(jù)圖6不同模板類型側(cè)墻結(jié)構(gòu)前10 d開裂風(fēng)險(xiǎn)變化曲線可知，鋼模板在前8.5 d的開裂風(fēng)險(xiǎn)均高于木模板，且鋼模板開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)到0.7所用的時(shí)間為3.4 d，比木模板的6.2 d提前了2.8 d。主要是因?yàn)檫_(dá)到溫峰之后，鋼模板良好的散熱性導(dǎo)致降溫速率過快，容易產(chǎn)生溫度裂縫。

綜上所述，選擇木模板更有利于側(cè)墻結(jié)構(gòu)早期的裂縫控制，推薦使用木模板。

3.3 拆模時(shí)間

拆模時(shí)間選取的參數(shù)值是3 d、4 d、5 d、6 d、7 d，其它影響因素設(shè)置如下：入模溫度20 ℃、模板采用8 mm厚木模板、無養(yǎng)護(hù)。

不同拆模時(shí)間側(cè)墻結(jié)構(gòu)中心溫度的變化曲線如圖7所示，拆模前的溫度變化是一樣的，拆模后，結(jié)構(gòu)的降溫速率明顯提高。這是因?yàn)槟０宀鸪螅涌炝嘶炷两Y(jié)構(gòu)的散熱。降溫過快就會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險(xiǎn)增加。由圖8所示的開裂風(fēng)險(xiǎn)曲線可知，拆模時(shí)間越早，結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)達(dá)到0.7所用的時(shí)間就越短，3 d拆模所需時(shí)間4.5 d，而7 d拆模的時(shí)間為6.2 d，延長了1.7 d。

綜上所述，延遲拆模時(shí)間，可降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，有利于側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂縫控制，推薦第7 d拆模。

3.4 養(yǎng)護(hù)時(shí)長

針對基本工況：入模溫度20 ℃、模板采用8 mm厚木模板、7 d拆模、無養(yǎng)護(hù)，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果可知，側(cè)墻結(jié)構(gòu)在前6.2 d無開裂風(fēng)險(xiǎn)，在6.2～7.8 d具有較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)，7.8 d之后一定會(huì)開裂，故還須采取其它的裂縫控制措施，比如增加保溫保濕養(yǎng)護(hù)。針對該側(cè)墻結(jié)構(gòu)，其側(cè)面和頂面按覆蓋4 cm厚的草袋同時(shí)進(jìn)行灑水保濕來考慮，養(yǎng)護(hù)時(shí)長選擇1 d、2 d、3 d。

不同養(yǎng)護(hù)時(shí)長側(cè)墻結(jié)構(gòu)中心溫度的變化曲線如圖9所示，前7 d的溫度變化是一樣的，拆模后，施加保溫保濕養(yǎng)護(hù)會(huì)延緩結(jié)構(gòu)的降溫速率，溫度曲線會(huì)高于無養(yǎng)護(hù)時(shí)的情形。由圖10所示的開裂風(fēng)險(xiǎn)曲線可知，施加保溫保濕養(yǎng)護(hù)會(huì)降低結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險(xiǎn)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長越有利于降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。針對側(cè)墻結(jié)構(gòu)，如果施加3 d的保溫保濕養(yǎng)護(hù)，有利于將開裂系數(shù)控制在1.0以內(nèi)，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，施加保溫保濕養(yǎng)護(hù)且適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)長，有利于側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行裂縫控制。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)此次數(shù)值分析的結(jié)果，推薦該側(cè)墻結(jié)構(gòu)的裂縫控制方案為入模溫度控制在20 ℃左右，采用木模板，7 d拆模，拆模后使用4 cm厚的草袋進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)長3 d。采用此方案后，側(cè)墻結(jié)構(gòu)前10 d基本無有害裂縫產(chǎn)生，裂縫控制效果較好，現(xiàn)場效果如圖11所示。

5 結(jié) 論

a.根據(jù)對27 m×3.2 m×1 m厚的大體積混凝土側(cè)墻結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析結(jié)果來看，降低入模溫度，選擇合適的模板類型，延長拆模時(shí)間，增加養(yǎng)護(hù)時(shí)長，均有利于降低側(cè)墻結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險(xiǎn)，有利于改善裂縫控制的效果。

b.在實(shí)際應(yīng)用中，須根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整數(shù)值分析的結(jié)果，根據(jù)開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的大小，在允許范圍內(nèi)還可以增加其它裂縫控制措施，如在混凝土中加入水化熱抑制劑、布置冷卻水管等。