考慮環(huán)境溫度變化的大體積混凝土施工裂縫控制技術(shù)研究①

齊宏 李晨光 唐翟 何烈以

(中交路橋北方工程有限公司 北京 100024)

近年來，隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，其施工技術(shù)也隨之提高。混凝土作為最常用的建筑材料，在公路和鐵路的隧道建設(shè)、路面鋪筑等方面得到了大量運用。尤其是大型多跨連拱隧道建設(shè)過程中，需要強度大、體積大、承載能力較強的大體積混凝土。但在一些晝夜溫差變化較大或者地理位置本處于高溫、高寒地區(qū)的建筑而言，大體積混凝土在施工中同樣存在問題，其中最為顯著的就是由于溫度變化導(dǎo)致的混凝土開裂，這不但會降低混凝土強度，還會對整個工程在安全性方面造成一定的威脅。因此，本文以江蘇徐州九里山擬建的多跨連拱隧道工程為依托，考慮外界溫度變化，對大體積混凝土施工過程中的裂縫控制技術(shù)進(jìn)行分析，其研究結(jié)論可為類似工程的建設(shè)提供一些參考。

1 工程概況

本工程位于徐州市泉山區(qū)三環(huán)西路北側(cè)九里山古戰(zhàn)場遺址，與襄王路交叉口。襄王路位于九里山四處山口之一，山體以植物檜柏為主，周邊有文物古跡、宗教、公園、農(nóng)林、社會停車場等用地及九里山古戰(zhàn)場題詞、白云寺、白云洞等景點。本次山體修復(fù)擬連接襄王路道路兩側(cè)斷崖，山體為巖基，土壤層厚度較小。現(xiàn)狀道路在山體修復(fù)范圍內(nèi)改為隧道形式通過。隧道設(shè)計起點里程為K3+259.28，隧道終點里程K3+418. 48，總長約160m，平面及縱向均位于道路曲線段，最大縱向坡度3.5%。隧道最小覆土厚度約為2.5m，最大覆土厚度約為14m。本工程為超大斷面多跨連拱隧道，結(jié)構(gòu)厚度約1～1.6m，長度約160m，且強度等級較高，屬大體積混凝土（見圖1）。

圖1 大體積混凝土施工現(xiàn)場

圖2 徐州一年氣溫變化

由于工程區(qū)冬季溫度較低，在施工過程中混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多的水化熱，放出大量熱量，導(dǎo)致混凝土的內(nèi)外溫差較大[1]，內(nèi)外伸縮變形量不一致，因此極易使混凝土在過大溫差作用下產(chǎn)生裂縫。

2 大體積混凝土特征及產(chǎn)生裂縫原因

對比于普通混凝土結(jié)構(gòu)，大體積混凝土特點更明顯，主要表現(xiàn)在其承載能力更強，結(jié)構(gòu)面積較大，有的混凝土厚度甚至達(dá)到1m以上，整個混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋布置密實，施工工藝要求高且施工時間長，有些地區(qū)由于四季溫度變化較大，故環(huán)境因素對大體積混凝土影響也較大。一般而言，大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有以下特征：

（1）與普通混凝土相比，大體積混凝土在設(shè)計時所采用的標(biāo)號較高，水泥的用量較大，因此大體積混凝土具有較大的水灰比，由于大量水泥的需要吸收較多的水，吸水會造成混凝土收縮變形，從而出現(xiàn)裂縫的概率較大。

（2）大體積混凝土澆注后，由于其結(jié)構(gòu)尺寸較大，產(chǎn)生的水化熱不易發(fā)散，內(nèi)部溫度較高，若遇外部低溫，將會形成較大的溫度差。

（3）工程實際中，當(dāng)采用大體積混凝土做基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時，為了有效增強混凝土的抗裂性能[2]，需要配置較密實的鋼筋，其配筋率一般在采用0.3%～0.5%之間，在分析大體積混凝土性能時要考慮鋼筋的抗拉性能。

（4）大體積混凝土大多為屬于超靜定結(jié)構(gòu)，其承載能力不容易缺失。

大體積混凝土的開裂主要發(fā)生在兩個時期，一是前期混凝土養(yǎng)護(hù)時期的開裂，稱為早期開裂，這種開裂對混凝土有較大影響，若在前期做好處理，可延長有效控制后期裂縫的產(chǎn)生。另一種則是后期開裂。導(dǎo)致大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生大致有以下兩點原因：一是由堆載、修建建筑物、移動荷載等外荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力作用與混凝土表面，引起地基發(fā)生不均勻沉降；二是由溫度變化引發(fā)的混凝土伸縮變形。大體積混凝土的裂縫分為有害和無害兩種類型[3]（見表1）。

表1 大體積混凝土裂縫有害、無害判別標(biāo)準(zhǔn)

表2 河砂分類標(biāo)準(zhǔn)

表3 常用外加劑特點

3 溫度裂縫控制措施

江蘇徐州九里山隧道建設(shè)大體積混凝土施工區(qū)在冬季氣溫較低，最低氣溫可達(dá)到零度以下（見圖2），在寒冷的冬季，特別是氣溫較低的十一月至第二年的二月，當(dāng)大體積混凝土在澆筑時外部氣溫較低，而混凝土內(nèi)部放熱形成熱脹冷縮，將發(fā)生變形，此時會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大小超過混凝土的抗拉強度時，就會發(fā)生由溫度引起的溫度裂縫。因此，有效控制混凝土內(nèi)外的溫度差是防止其產(chǎn)生裂縫的關(guān)鍵，同時，要不斷優(yōu)化施工工藝，高效率、短時間內(nèi)完成混凝土澆筑。根據(jù)對九里山隧道大體積混凝土施工，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁靥攸c，本文提出以下幾點控制混凝土溫度裂縫的措施。

（1）分層澆筑。

由于本工程澆筑混凝土的厚度和面積都較大，因此選用斜面分層推移式澆筑較為合適。這種澆筑方法同樣是分成多層澆筑，一層澆筑一部分后，返回上一層繼續(xù)澆筑，澆筑層的形狀逐漸變?yōu)榕_階型[4]。對于澆筑層厚度的設(shè)置，運用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行分析，模擬出產(chǎn)生溫度應(yīng)力最小的澆筑厚度，以達(dá)到控制溫度裂縫的目的。

（2）選擇原材料。

大體積混凝土澆筑不同于一般建筑物的混凝土澆筑，往往需要一次性從底澆筑到頂，澆筑面積達(dá)、體量多。在選擇水泥石應(yīng)優(yōu)先選用凝固時間較長、強度高且水化熱比較低的材料，一般而言，通常所用的水泥為以礦渣、火山灰質(zhì)為成分的硅酸鹽水泥以及復(fù)合硅酸鹽水泥等。在工程實際中，需要進(jìn)行大體積混凝土澆筑的工程強度要求高，粗骨料應(yīng)選用粒徑較大，級配較好的石子，粒徑范圍通常在5～31.5mm，且要保證連續(xù)級配。粗骨料不能含有太多雜質(zhì)，尤其是泥沙含量，若含量較多則會影響混凝土強度。細(xì)骨料通常為河砂，分為細(xì)砂、中砂、粗砂，其判別標(biāo)準(zhǔn)如表2，大體積混凝土施工應(yīng)選擇中砂，砂的含泥量不能大于3%。混凝土拌合過程中還可加入外加劑，選擇合理的外加劑可有效改變混凝土性能，在一定程度上可降低水化熱，由于大體積混凝土澆筑時間長，為了避免其快速凝固，加入外加劑可延緩初凝[5]。常用的外加劑分為三類（表3），具有不同的特點，它不僅可以改變混凝土性能，還能降低施工成本。

（3）后期養(yǎng)護(hù)管理。

在高溫環(huán)境下澆筑混凝土后，要及時掛遮陽網(wǎng)，防止太陽直面照射，要有規(guī)律的及時澆水，避免外界溫度過高致使出現(xiàn)裂縫，在低溫時節(jié)澆筑時，澆筑成型后在外側(cè)包裹保溫材料，不要過早拆除模具。要保證養(yǎng)護(hù)達(dá)到一定時限才可進(jìn)行下一步操作。

（4）開展溫度監(jiān)測。

在澆筑過程中，可在混凝土內(nèi)部布設(shè)溫度監(jiān)測設(shè)備，設(shè)備需按照上、中、下三個層面進(jìn)行安裝，根據(jù)大體積混凝土澆筑厚度進(jìn)行設(shè)置。同時，要定時對混凝土外表面進(jìn)行溫度測試，通過溫度變化確定冷卻管何時排放水。

（5）優(yōu)化施工工藝。

大體積混凝土施工要在施工前制定合理計劃，確定好澆筑順序。振搗過程要均勻、密實，不能讓其出現(xiàn)氣泡。澆筑厚度和澆筑時間要經(jīng)過計算控制，做好溫度監(jiān)測。澆筑結(jié)束后養(yǎng)護(hù)要按照規(guī)范達(dá)到一定的養(yǎng)護(hù)時間。

4 環(huán)境保護(hù)及施工要點

九里山屬于風(fēng)景名勝區(qū)，大體積混凝土施工由于規(guī)模大、難度高、工藝復(fù)雜，在施工過程中必須要考慮對自然環(huán)境的影響，尤其要考慮對名勝古跡的保護(hù)，盡可能避免對其進(jìn)行擾動，施工應(yīng)做到人與自然的和諧統(tǒng)一，保證青山綠水的存在。因此，九里山大體積混凝土施工應(yīng)做到以下幾點。

（1）施工中盡量避免對山體兩邊的樹木進(jìn)行砍伐，有特色的巖體盡量不要擾動，對遭受破壞的風(fēng)景標(biāo)識在施工結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行修復(fù)。

（2）施工中的混凝土不能隨意排放，施工產(chǎn)生的廢水要進(jìn)行凈化處理，不能直接排放，以免污染環(huán)境。

（3）工程棄渣要進(jìn)行合理的周轉(zhuǎn)，不可直接堆棄在景區(qū)。澆筑過程中產(chǎn)生的噪聲要進(jìn)行控制，周邊要設(shè)置隔音墻。回填土?xí)r要避免產(chǎn)生過多揚塵，要設(shè)置防塵網(wǎng)，減小空氣污染。

5 結(jié)語

綜上所述，九里山大體積混凝土施工要充分結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蜃兓紤]環(huán)境溫度來制定合理的施工方案，防止施工過程中由于溫度變化引起大量有害裂縫的產(chǎn)生，這將會影響工程質(zhì)量，造成極不安全的隱患。本文綜合分析了溫度裂縫的產(chǎn)生與控制措施，并考慮風(fēng)景名勝區(qū)生態(tài)效應(yīng)，提出了一些施工要點，經(jīng)過在九里山超大斷面多跨連拱隧道大體積混凝土施工中的實施，表明具有一定的有效性。