苏州某穿湖隧道大体积混凝土工程裂缝控制应用研究

王丙垒，纪宪坤，徐可，贺念，王德民

（武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430083）

0 引言

随着基建工程突飞猛进的发展，混凝土也朝着低水胶比、早强、高胶材、高掺合料的方向发展[1]。核心胶凝材料水泥的细度普遍增加，强度和水化热提前；天然细骨料资源紧张，大量机制砂、超细砂、海砂和尾矿砂等涌入市场，级配差、含泥（粉）量高且有害元素多；常用矿渣粉、粉煤灰和其它复合掺合料的掺量增加，其中矿粉干缩大，虽然粉煤灰能降低水化热和收缩，但是大部分地区粉煤灰资源紧缺，以次充好的现象普遍存在，这都是导致现阶段混凝土体积稳定性差、抗裂难度大的重要因素。混凝土的显著特征是抗压强度及脆性高而且抗拉强度低，拌合物从塑性到硬化的寿命周期内会发生温度、干燥和化学等各种耦合因素导致的收缩变形，混凝土硬化后受到钢筋、地基等约束而产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时便会产生微裂缝。随着龄期延长和多种耦合效应的影响，微裂缝逐渐发展为贯穿性有害裂缝，继而进一步诱发钢筋锈蚀，导致混凝土结构破坏，严重影响结构的耐久性和寿命[2]。

配制补偿收缩混凝土是目前裂缝控制较为普遍且行之有效的方法之一，补偿收缩混凝土通过膨胀材料的水化形成稳定的膨胀水化产物，在混凝土内部产生预压应力并提高混凝土的密实性。GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》中氧化钙类膨胀剂的适用条件有限，一旦混凝土结构温度高于40℃，氧化钙在混凝土中早期膨胀速率过快，塑性阶段消耗大量无效膨胀能，难以对复杂条件的混凝土起到同步补偿收缩作用。而镁质抗裂剂具有水化产物稳定、延迟膨胀和反应活性可调控等特性，是大体积混凝土更为理想的补偿收缩材料[3-4]。

大体积混凝土特点是散热慢，容易形成温度梯度，温度收缩占主要因素，实际工程中的影响因素复杂多样，如配筋率、原材料质量、混凝土强度等级与配合比、设计分段浇筑长度、结构最小尺寸、不同模板类型、支模方式、环境温度、入模温度、施工工法和养护方式等，因此需针对项目特点难点进行方案设计，因地制宜，科学管控。

1 工程概况

1.1 基本信息

该项目位于苏州某湖泊景区，属于明挖法穿湖隧道（见图1），项目全长约6 km，双向6车道规模，设计时速50 km/h，地连墙支护结构，桩筏基础，中间设置钢支撑。其主要使用功能为城市快速路和主干道，设计使用年限100年，防水等级二级以上（部分为一级），抗震设防地震烈度6级，底板、侧墙和顶板的设计混凝土等级为C35P8。单段结构设计尺寸见表1。

图1 单段隧道模型示意

表1 单段结构设计尺寸

1.2 项目特点

（1）项目主线隧道底板、侧墙、顶板大属于体积混凝土，原设计结构单段长度34m，地基约束大，开裂风险大，地下水位高，施工期间需采取不间断降水措施，主体混凝土与土壤直接接触，开裂渗水风险大，对裂缝控制要求高。

（2）侧墙与地下连续墙直接相连接，属于单侧支模，外防水施工难度大，对结构自防水要求更高，采用钢模板支撑，散热速率快，开裂风险大。

（3）当地属亚热带季风海洋性气候，四季分明、雨量充沛。根据气象台历年气象资料统计：年平均气温15.8℃，最热月平均温度28.5℃，最冷月平均温度3℃，最高温度38.8℃，最低温度-5℃。施工季节跨度大，需要不断调控施工工法和养护方式。

1.3 方案设计

根据该项目多因素耦合收缩特性，设计如下方案：

（1）采用镁质抗裂剂配制补偿收缩混凝土，补偿混凝土早期温度收缩、化学收缩和中后期的干燥收缩，提高混凝土结构耐久性。

（2）优选预铺反粘高分子防水卷材外防水材料，除了作为1层柔性防水之外，其关键作用在于该柔性材料可隔断地连墙与主体新旧混凝土接茬，降低单侧支模侧壁地连墙对主体侧墙的约束。

（3）优选温度控制措施，降温措施与温度应变监控，针对夏季原材料温度高特点，骨料粉料均采用封闭式储存，减少直接光照，选用自来水冷却系统（见图2）。

图2 采用水冷却系统

（4）合理设置分段浇筑长度，原变形缝设计长度34m，墙高度8.4 m，为减少地基约束，将分段浇筑长度缩短为17 m，中间设置施工缝，侧墙浇筑过高容易出现胀模和骨料沉降，设置水平施工缝分2次浇筑成型。

（5）合理布置温度应变监控点，根据数据变化规律及时调整方案。

2 原材料及混凝土配合比优化

2.1 原材料

水泥：P·O42.5，比表面积385 m2/kg；粉煤灰：F类Ⅱ级；碎石：5～25mm连续级配，含泥量1.0%；机制砂：细度模数为2.7～3.0，石粉含量3.5%；聚羧酸减水剂：弗克FOX-8H；FQY镁质高性能混凝土抗裂剂：武汉三源特种建材有限责任公司，其主要技术性能见表2。

表2 镁质抗裂剂的主要技术性能

2.2 配合比优化及性能检验

顶板、底板和侧墙混凝土设计等级为C35P8，在混凝土拌合站给定的初始配合比基础上，采用不同掺量镁质抗裂剂部分替代粉煤灰，测试混凝土各项性能，最终选取镁质抗裂剂可靠的掺量进行实际生产，掺镁质抗裂剂混凝土配合比见表3，各项性能见表4。

表3 掺镁质抗裂剂混凝土配合比 kg/m3

表4 C35P8混凝土的主要技术性能

由表4可知，内掺镁质抗裂剂后，符合C35P8混凝土的力学性能和抗渗性要求，且满足设计初始坍落度（180±20）mm，1 h内损失不大于30 mm的要求。

3 抗裂验算

采用ANSYS软件对该尺寸的结构及混凝土配合比进行有限元模拟分析，预算抗裂安全系数，大体积混凝土温控抗裂安全系数是指混凝土的劈裂抗拉强度与对应龄期温度应力计算最大值之比，根据GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》，按式（1）进行判定：

式中：ftk（τ）——混凝土龄期为τ时的劈裂抗拉强度，MPa；

δx——混凝土的温度应力，MPa；

K——混凝土抗裂安全系数，取K=1.4。

分别选取已知结构尺寸、混凝土配合比及强度结果、模板类型及其厚度和拆模时间等，假设环境温度为20～30℃，入模温度为28℃，隧道主体结构温度计算结果见表5，不同抗裂方案下隧道混凝土主体结构应力计算结果见表6。

表5 隧道主体结构抗裂混凝土温度计算结果

表6 不同抗裂方案下隧道混凝土主体结构应力计算结果

由表5、表6可知，各部位温峰值相差不大，温升值30℃左右，单次浇筑17 m长时，最小抗裂安全系数均大于1.4，单次浇筑34 m长时，底板和侧墙最小抗裂安全系数均＜1.4，存在较大开裂风险。模拟验算仅为参考数据，因为最大主应力主要考虑了温度因素，未考虑混凝土自身收缩和抗裂剂产生的膨胀性能影响，比较单一。

4 施工过程控制

4.1 底板和顶板

采用连续分层浇筑施工，分层厚度≤500 mm，人工第1次摊平混凝土，初凝前（骨料已充分沉降后）整平机二次振捣，终凝前采用抹光机二次抹面，终凝后覆盖土工布洒水保湿养护14 d以上，环境温度低于5℃时仅覆盖土工布保温。浇筑过程控制见图3。

图3 浇筑过程控制

4.2 侧墙

侧墙采用连续分层浇筑施工，分层高度≤700 mm，浇筑宜从低处开始，沿长边方向自一端向另一端推进，在距离另外一端一定长度（一般不小于墙高）时反向浇筑。

侧墙浇筑完毕2～3 d拆除模板，但此时混凝土温度正处于温峰或刚过温峰，因此养护以保温为主，拆模后贴上1层专用保温保湿养护膜（见图4），用温水充分吸水后黏在侧墙表面，可以锁住水分，防止蒸发，洒1次水具有14 d长时间保温保湿效果，外层再覆盖1～2层深色毛毡保温（见图5），毛毡层数根据环境温度调整，养护14d以上。

图4 拆模后采用专用保温保湿养护膜养护

图5 侧墙外侧覆盖毛毡保温

5 数据分析

由于大体积混凝土裂缝控制影响因素较多，而温度控制是重中之重，对于混凝土原材料类型及配合比、分段浇筑长度、结构厚度、施工方式、模板类型和拆模养护方式等变化较小的因素作为限定条件，暂不予过多分析。本文从不断变化的环境因素出发，借助温度传感器和振弦应变计等检测设备，分析混凝土入模温度、不同部位里表温差和内部应变发展规律。

5.1 监测点布置

使用埋入式振弦式应变计和温度传感器可采集测点的应变和温度数据，用于监测混凝土结构部位的受力和温度状态。验证段应变计预埋：单段隧道长约为17 m，长度方向布置1个测位，每个测位的不同厚度处共布置3个传感器。测点分别布置在底板、侧壁、顶板内部三维方向尺寸的中心位置（监测点一般为1个），表层温度由温度传感器在距内、外表面5 cm处监测，应变计埋置位置如图6所示。

图6 监测点分布示意

5.2 不同季节对混凝土温度的影响

该项目采用的单侧钢模板支模大体积侧墙中心混凝土的平均入模温度、温峰值和环境温度如图7所示。

图7 各月份环境和混凝土内部温度曲线

由图7可知，温度较高的月份集中在6～9月，环境温度为20～35℃，环境温度较低月份集中在11月至次年3月，环境温度为0～15℃，混凝土平均入模温度与环境温度曲线呈正相关。温峰值随着环境温度升高而增加，冬季温峰值最低，表明随着气温降低，混凝土散热速率增加，混凝土水化放热速率受入模温度影响延迟，加之钢模板导热系数高，导致混凝土温峰值大幅度降低；相反，夏季气温和混凝土入模温度较高，混凝土水化放热速率增大，温峰值大幅度增大。

5.3 不同结构特征对混凝土温度的影响

分别从底板、侧墙和顶板部位选取具普遍性的监测点测温（见图8，暂不考虑季节因素），其中底板和顶板采用土工布保湿养护14d，侧墙2～3d拆除模板，拆模后未采取养护膜进行养护，目的在于检测不同部位温峰和降温速率，对比里表温差（见表7），评估不同部位开裂风险。

由图8和表7可知，底板和顶板里表温度变化规律类似，中心温度最高，这是因为大体积混凝土中心不与环境接触，早期散热速率较慢；下表面与地基或底部木模板接触，保温效果好，散热速率较慢，里表温差小；上表面与润湿的土工布及大气直接接触，混凝土热量与空气对流加速散热，散热速率较快，其里表温差最大，温峰值最小，虽然养护水和环境温度较低，但中心混凝土大部分热量由于“蒸笼效应”持续传导至上表面，致上表面温峰持续时间较长，且里表温差始终处于＜25℃的范围内。

侧墙内部温度依然是“两边低中心高”，靠地连墙内表面温峰最低，这是因为早期侧墙混凝土热量不断传导至防水卷材和相邻地连墙，其导热系数小，形成具温度梯度的保温层，温峰持续时间长且降温速率最慢；靠模板侧墙混凝土拆模后降温速率最高，混凝土热量与空气对流加速散热，散热速率较快，最大降温速率达到8.4℃/d，开裂风险较高。

综上，底板和顶板由于“蒸笼效应”，混凝土里表温差和降温速率均不大，C35混凝土水胶比较大，混凝土内部自收缩占比小，采取覆盖土工布保湿养护的措施，混凝土外部相对湿度始终在90%以上，干燥收缩较少，开裂风险不大。但侧墙拆模后外表面会因降温速率过快导致内部收缩应力大于混凝土抗拉强度，受到相邻结构和钢筋限制而开裂，化学自收缩与干燥收缩会加剧表面裂缝扩展，最终导致混凝土贯穿开裂。因此，侧墙的合理养护是裂缝控制的重中之重。

图8 混凝土里表温度曲线

表7 不同结构里表温度数据

5.4 不同季节对侧墙混凝土应变性能的影响

由于侧墙较板式结构散热面积大，理论里表温差大，且受侧墙和地连墙约束，开裂风险高，重点选取不同季节侧墙温度应变数据分析（见图9～图12），并通过数据分析镁质抗裂剂在不同季节相同条件的变化规律。侧墙均3 d拆模，拆模后采用专用保温保湿养护膜和土工布进行养护。

图9 春季侧墙中心温度应变曲线

图10 夏季侧墙中心温度应变曲线

从图9可以看出，春季环境温度为9～23℃，侧墙混凝土入模温度为18.7℃，36 h后到温峰51.7℃，温升值33.0℃，10 d后降至26.3℃，最大降温速率4.6℃/d，8 d后达到最大应变值112με，应变值呈递增趋势，证明混凝土持续处于稳定微膨胀状态，无开裂风险。

从图10可以看出，夏季环境温度为22～35℃，侧墙混凝土入模温度为31.8℃，31.2 h后到温峰66.5℃，温升值34.7℃，17 d后降至30℃，最大降温速率5.2℃/d，22 h后达到最大应变值60με，降温阶段混凝土开始收缩，消耗膨胀能，应变值开始递减，17 d后降至-86με，开裂风险较高。

图11 秋季侧墙中心温度应变曲线

从图11可以看出，秋季环境温度为14.5～21.5℃，侧墙混凝土初始入模温度为24.3℃，44 h后达到温峰值55.3℃，温升值为31℃，8.5d后温度降至33.3℃，最大降温速率4.0℃/d；侧墙中心62h后温度修正应变最大值达到56.8με，开始降低，并且与中心温度曲线相拟合。说明随着温度的升高，抗裂剂膨胀组分持续反应产生预压应力，使混凝土处于微膨胀状态，在降温阶段，混凝土开始收缩，消耗膨胀能，9d后降至-41.8με，但不超过-100με，无开裂风险。

从图12可以看出，冬季环境温度为-4～15℃，侧墙混凝土初始入模温度为14.4℃，33h后达到温峰值33.5℃，温升值为19.1℃，8.9d后温度降至18.5℃，最大降温速率为2.5℃/d，7.5 d后温度修正应变最大值达到31.4με，随着温度的降低，水泥水化速率降低，膨胀剂的反应速率延迟，在混凝土降温阶段膨胀组分持续反应，膨胀能持续补偿收缩，最终处于稳定正应变状态。

图12 冬季侧墙中心温度应变曲线

综上，夏季混凝土环境温度、入模温度和温峰值最高，同等条件下，早期最大降温速率高，开裂风险大于其他季节。这是因为混凝土当量降温速率越快，其当量温度收缩应力越大，此时混凝土对应抗拉强度不足以抵消收缩应力，开裂风险越大。因此，需针对夏季侧墙部位的开裂风险及时调整抗裂剂活性，并适当增加抗裂剂掺量进行调控。

6 效果统计与展示

6.1 抗裂混凝土的整体应用效果评价（见表8）

表8 抗裂混凝土的整体应用效果评价

目前该项目已完成部分混凝土浇筑，其中几段侧墙夏季施工过后出现了拆模后未按要求及时养护的情况，集中出现了数10条有害裂缝，后经过对镁质抗裂剂和活性调控，并对施工养护措施及时监督整改，后期效果优良。

6.2 抗裂混凝土的应用效果展示（见图13）

图13 抗裂混凝土的整体应用效果

7 结论

（1）针对大体积混凝土工程实际特点难点，科学合理设计并实施管控方案，可以有效降低开裂风险。

（2）大体积混凝土裂缝控制实际影响因素复杂多样，应将变化较大的环境因素与混凝土原材料类型及配合比、分段浇筑长度、结构厚度、施工方式、模板类型和拆模养护方式等微变因素进行区分，通过监测数据的变化规律及时调整抗裂剂活性，可作为可控方案应对环境因素对抗裂造成的不利影响。

（3）实际温度与抗裂模拟验算数据基本拟合，但实际施工现场影响因素和涉及的变量较多，需灵活管控，监控数据出现异常状况应及时协调各方进行整改，有助于大体积混凝土结构自防水的达成。