地下通道側墻結構早期裂縫控制技術研究

何貝貝

(武昌首義學院城市建設學院，武漢 430064)

大體積混凝土結構的裂縫控制是一個比較復雜的問題，結合工程經(jīng)驗和相關文獻資料會發(fā)現(xiàn)，結構中最容易產(chǎn)生裂縫、最難控制的是墻體結構，且大體積混凝土裂縫一般出現(xiàn)在混凝土澆筑初期，故大體積混凝土側墻結構的早期裂縫控制問題備受關注。劉迪等[1-3]針對隧道類結構研究了針對大體積混凝土結構的裂縫控制方案。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構的裂縫控制。

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構模型，重點研究了其中某一現(xiàn)澆節(jié)段的大體積混凝土側墻結構，從施工方面的影響因素考慮，模擬了入模溫度、模板類型、拆模時間、養(yǎng)護時長四種工況，得到了不同工況下前10 d的溫峰時間、溫升值及開裂風險等結果，并根據(jù)結果提出相應的裂縫控制方案，使得側墻結構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目位于江蘇徐州，為框架剪力墻結構。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。底板下設有100 mm厚C15素混凝土墊層，底板厚1.1 m；側墻高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的側墻進行整體澆筑；第二次對余下的3.2 m側墻及頂板進行整體澆筑。側墻混凝土強度等級C35P10，混凝土配合比如表1所示；第二次澆筑的側墻部分屬于大體積混凝土結構，在澆筑初期，容易因為過大的內外溫差產(chǎn)生溫度裂縫，影響結構的耐久性。

表1 C35P10混凝土配合比 /(kg·m-3)

2 模型建立

根據(jù)前述結構參數(shù)，建立的地下通道有限元模型如圖2所示。

3 工況分析

混凝土結構開裂是一個復雜的問題，會受到自身材料性能、結構尺寸、施工工藝等多個因素的影響，故對其進行裂縫控制時需要明確各因素對結構開裂風險的影響規(guī)律?？紤]到該地下通道使用的材料、混凝土配合比、設計的結構尺寸以及施工季節(jié)等已經(jīng)確定，前期采用midas Civil進行影響因素開裂風險評估時，可考慮的變量不多，現(xiàn)從施工環(huán)節(jié)的四個因素：入模溫度、模板類型、拆模時間、養(yǎng)護時長入手，分析其對側墻結構開裂風險的影響，從中確定較優(yōu)的裂縫控制方案指導現(xiàn)場施工。

針對該地下通道的側墻結構，設置的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置不同的參數(shù)條件，得出側墻結構在該參數(shù)條件下的溫峰時間及溫升值，同時結合目前認可度較高的“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機制的抗裂性評估理論與方法[6]，采用混凝土最大拉應力與容許抗拉強度的比值——開裂風險系數(shù)η來評估其開裂風險，一般認為當η≥1.0 時，混凝土一定會開裂；當0.7≤η<1.0 時，混凝土存在較大的開裂風險；當η<0.7 時，混凝土基本不會產(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 ℃，其它影響因素設置如下：模板采用8 mm厚木模板、7 d拆模、無養(yǎng)護。

不同入模溫度下側墻結構中心溫度的變化曲線如圖3所示，溫峰時間、溫峰值、溫升值的統(tǒng)計結果如表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。主要是因為入模溫度越高，水泥水化反應的速度越快，導致溫峰出現(xiàn)的時間越早；同時較高的溫度環(huán)境會促進水泥水化得更充分，產(chǎn)生的水化熱更多，導致溫升值升高。

不同入模溫度下側墻結構前10 d開裂風險變化曲線如圖4所示。由圖4可知，入模溫度越高，開裂風險越大；從15～30 ℃，開裂風險系數(shù)達到0.7所用的時間依次為7.8 d、6.2 d、4.8 d、3.9 d。

綜上所述，降低入模溫度，可以降低結構的溫升值，降低開裂風險，有利于側墻結構進行裂縫控制。根據(jù)施工組織設計，該側墻結構預計施工時間為4～5月，考慮到入模溫度控制越低，造價越高，推薦入模溫度控制在20 ℃左右。

表3 不同入模溫度下側墻結構中心點溫度參數(shù)統(tǒng)計

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，其它影響因素設置如下：入模溫度20 ℃、7 d拆模、無養(yǎng)護。

不同模板類型側墻結構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達到溫峰46.3 ℃；跟木模板相比，溫峰時間提前了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。主要是因為鋼模板的散熱性比木模板好，混凝土中的熱量不易積聚。根據(jù)圖6不同模板類型側墻結構前10 d開裂風險變化曲線可知，鋼模板在前8.5 d的開裂風險均高于木模板，且鋼模板開裂風險系數(shù)達到0.7所用的時間為3.4 d，比木模板的6.2 d提前了2.8 d。主要是因為達到溫峰之后，鋼模板良好的散熱性導致降溫速率過快，容易產(chǎn)生溫度裂縫。

綜上所述，選擇木模板更有利于側墻結構早期的裂縫控制，推薦使用木模板。

3.3 拆模時間

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

不同拆模時間側墻結構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，結構的降溫速率明顯提高。這是因為模板拆除后，加快了混凝土結構的散熱。降溫過快就會導致混凝土結構的開裂風險增加。由圖8所示的開裂風險曲線可知，拆模時間越早，結構開裂風險系數(shù)達到0.7所用的時間就越短，3 d拆模所需時間4.5 d，而7 d拆模的時間為6.2 d，延長了1.7 d。

綜上所述，延遲拆模時間，可降低開裂風險，有利于側墻結構進行裂縫控制，推薦第7 d拆模。

3.4 養(yǎng)護時長

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，根據(jù)運算結果可知，側墻結構在前6.2 d無開裂風險，在6.2～7.8 d具有較大的開裂風險，7.8 d之后一定會開裂，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。針對該側墻結構，其側面和頂面按覆蓋4 cm厚的草袋同時進行灑水保濕來考慮，養(yǎng)護時長選擇1 d、2 d、3 d。

不同養(yǎng)護時長側墻結構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)護會延緩結構的降溫速率，溫度曲線會高于無養(yǎng)護時的情形。由圖10所示的開裂風險曲線可知，施加保溫保濕養(yǎng)護會降低結構的開裂風險，養(yǎng)護時間越長越有利于降低開裂風險。針對側墻結構，如果施加3 d的保溫保濕養(yǎng)護，有利于將開裂系數(shù)控制在1.0以內，降低開裂風險。

綜上所述，施加保溫保濕養(yǎng)護且適當延長養(yǎng)護時長，有利于側墻結構進行裂縫控制。

4 工程應用

根據(jù)此次數(shù)值分析的結果，推薦該側墻結構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厚的草袋進行保溫保濕養(yǎng)護，養(yǎng)護時長3 d。采用此方案后，側墻結構前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 論

a.根據(jù)對27 m×3.2 m×1 m厚的大體積混凝土側墻結構的數(shù)值分析結果來看，降低入模溫度，選擇合適的模板類型，延長拆模時間，增加養(yǎng)護時長，均有利于降低側墻結構的開裂風險，有利于改善裂縫控制的效果。

b.在實際應用中，須根據(jù)現(xiàn)場情況調整數(shù)值分析的結果，根據(jù)開裂風險系數(shù)的大小，在允許范圍內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。