轨道交通工程侧墙大体积混凝土裂缝控制技术

余以明 ，郦亮 ，徐文冰 ，孟洪峰 ，徐勍

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430040；3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；4.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315000）

1 工程概况

轨道交通工程某地下车站侧墙混凝土尺寸为：长×高×厚=21 m×4.96 m×0.7 m，采用C35普通混凝土配合比，施工完成后，出现大面积的混凝土开裂现象，为减少车站侧墙混凝土的开裂现象，将车站侧墙结构混凝土作为大体积混凝土进行施工控制[1]，拟采用C35/P10大体积混凝土，并从侧墙结构混凝土的合理分段及加强混凝土的浇筑、振捣、养护等施工质量控制来降低侧墙混凝土的内外约束应力。

2 车站侧墙大体积混凝土配合比设计

本工程地处我国东南沿海地带，属亚热带季风气候，夏季气候炎热，冬季气温较低，3～4级以上风力天气占15%～20%，大体积混凝土内部温度较高，表面散热较快，混凝土内表温差较大，且侧墙结构受到基础的外约束应力较大，应对混凝土配合比进行科学设计，为减少混凝土的水化热及收缩，侧墙大体积混凝土配合比拟采取如下措施：

1） 采用普通硅酸盐水泥，水胶比不宜大于0.4；

2）混凝土强度不宜过高，56 d抗压强度满足设计要求；

3）矿物掺合料与高效减水剂双掺，充分发挥矿物掺合料与高效减水剂的“超叠加”效应，减小水泥用量和用水量，密实混凝土内部结构；

4）掺加8%苏博特HME-V氧化钙类抗裂剂，以补偿混凝土的收缩；

5） 砂率不宜超过42%，粗骨料选用5～31.5 mm碎石，以提高混凝土的体积稳定性；

6）坍落度不宜过大，宜控制在160 mm±20 mm。

经过前期对侧墙混凝土配合比的优化调试，确定侧墙大体积混凝土的配合比见表1。

表1 C35侧墙大体积混凝土配合比Table 1 Proportion of C35 side wall mass concrete

3 基于开裂风险评估的侧墙试验段合理分段

根据GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》[2]、《简明施工计算手册》[3]、JTS 202-2—2010《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》[4]等规范中混凝土温度收缩应力的计算公式，计算侧墙混凝土结构内外约束导致的混凝土拉应力，以确定侧墙结构混凝土的分段施工长度。

3.1 最大内约束应力计算

侧墙结构大体积混凝土在10月份浇筑施工，施工时环境温度为20～25℃，侧墙大体积混凝土的浇筑温度Tp=26℃，混凝土最终绝热温升Tα=60.2℃，最高温度约出现在混凝土浇筑后的第2天，侧墙通过防水材料与地连墙形成复合墙结构，综合考虑降温系数ξ取0.56，则混凝土内部最高温度为Tmax=Tp+Tξ=59.7℃。

侧墙结构大体积混凝土背面为防水隔离层，不考虑地连墙对其外约束作用，在施工、养护等条件理想的情况下，影响其开裂的主要因素为混凝土的内约束应力及旧混凝土基础对侧墙的外约束应力。侧墙混凝土的最大内约束应力出现在侧墙中心部位，基础对侧墙的外约束应力主要集中在侧墙下部区域，通过对侧墙中心部位每阶段内约束应力及侧墙底部外约束应力进行计算，分析影响侧墙开裂的最主要因素。

侧墙混凝土带模养护4 d，最大内表温差出现在浇筑后第5天，其大小约为8.7℃，实测28 d弹性模量E（t）=3.4×104MPa，计算其第5天的弹性模量约为19 135 MPa，则最大内约束应力σzmax（t）及抗裂安全系数K的计算结果如下：

式中：σzmax（t）为最大内约束应力，MPa；α为混凝土的线膨胀系数，取 1.0×10-5；E（t）为与内表温差相对应龄期t天时，混凝土的弹性模量，MPa；ΔTtmax为混凝土浇筑后可能出现的最大的内表温差，℃；Hi（t，τ）为在龄期为τ天时，第i计算区段产生的约束应力延续至t天时的松弛系数，按《大体积混凝土施工标准》[2]规范取值。

由上述计算可知，其内约束应力抗裂安全系数的最低值出现在第5天，但K（5）=2.24＞＞1.15，在侧墙中心部位几乎不受到底板外约束应力的情况下，其内约束应力不会导致混凝土开裂。

3.2 侧墙外约束应力计算

根据混凝土各阶段的降温收缩和干燥收缩计算混凝土综合降温差，根据《大体积混凝土施工标准》[2]确定21 m、16 m侧墙大体积混凝土外约束应力参数值，则21 m、16 m侧墙大体积混凝土各阶段外约束应力最大值出现在混凝土浇筑后的第3天。

1）21 m侧墙大体积混凝土最大外约束应力σwmax（t）及抗裂安全系数K的计算结果如下：

式中：σw（t）为龄期为t天时，因综合降温差，在外约束条件下产生的拉应力，MPa；α为混凝土的线膨胀系数，取1.0×10-5；μ为混凝土的泊松比，取0.167；ΔT（t）为在第t天内，混凝土浇筑体综合降温差 ，℃；E（t）为龄期t天时，混凝土的弹性模量，MPa；H（t，τ）为在龄期为 τ天时，第 i计算区段产生的约束应力延续至t天时的松弛系数，可按《大体积混凝土施工标准》[2]规范取值；R（t）为龄期为t天时，外约束的约束系数。

由上述计算可知，外约束应力抗裂安全系数最小值为K（3）=1.1＜1.15，表明当侧墙混凝土分段长度为21 m时，单一的外约束应力可导致混凝土在第3天龄期出现开裂现象，开裂风险较大。

2）16 m侧墙大体积混凝土最大外约束应力σwmax（t）及抗裂安全系数K的计算结果如下：

由上述计算可知，16 m侧墙混凝土外约束应力抗裂安全系数最小值K（3）=1.15，表明当侧墙混凝土分段长度为16 m时，单一的外约束应力导致侧墙混凝土开裂风险较小，相比于21 m侧墙混凝土，其最小抗裂安全系数K（3）值提高了6.5%。

4 混凝土的浇筑、振捣、拆模与养护措施

混凝土运抵现场后，当坍落度允许偏差超过±20 mm时，由专业技术人员进行二次流化，严禁通过加水调整坍落度。每层混凝土浇筑厚度宜为300 mm，不得超过500 mm。混凝土下落高度不得超过2 m，超过2 m时应采用导管或溜槽。

混凝土振捣时，振捣棒应快插慢拔，每一振点的振捣延续时间宜为20～30 s，以混凝土不再沉落，不出现气泡，表面呈现浮浆为度，防止过振、漏振[5]。

混凝土拆模以同条件养护混凝土试块的抗压强度达到设计要求的50%且混凝土内表温差不大于25℃、表面与环境温差不大于20℃为依据。

侧墙结构混凝土拆模后1 h内对混凝土进行覆盖，覆盖2层土工布进行保温养护，控制混凝土养护用水的水温，养护水温度与侧墙混凝土表面温度之差不宜大于15℃，不可将冷自来水直接浇于混凝土表面。

5 试验段温度、应变及力学性能对比

浇筑两段侧墙结构混凝土试验段，其中一段侧墙结构混凝土采用不掺加氧化钙类抗裂剂的基准配合比，另一段侧墙结构混凝土采用推荐配合比。现场温度监控采用TR-SD系列现场定时自动测温记录仪，实时测试其最高温度、最大内表温差[6]；现场应变监测采用VW-102型振弦读数仪[7]，将VWS-15M振弦式大弹模应变计埋设于结构中心部位，测试其7 d、28 d应变。相关测试数据见表2。

表2 混凝土温度、应变及力学性能测试结果Table 2 Test results of temperature,strain and mechanical properties of concrete

由表2可知，相比于不掺加氧化钙类抗裂剂的混凝土，掺氧化钙类抗裂剂的混凝土其力学性能有所降低，主要原因是氧化钙类抗裂剂的膨胀作用在水泥水化时破坏了水化产物的致密性[8]，因氧化钙类抗裂剂的水化放热较纯水泥高，其混凝土的最高温度有所提高。由应变监测数据可知，掺入氧化钙类抗裂剂后相比于基准配合比混凝土，其7 d的总膨胀值约为186 με，28 d的总膨胀值约为 206 με，7～28 d 的净膨胀值为 20 με，而基准配合比混凝土7～28 d的净收缩值为74 με，因此氧化钙类抗裂剂主要在水泥水化前7 d龄期发挥补偿作用，在7～28 d内仅能补偿约27%的后期收缩，其补偿能力有限。

6 试验段裂缝情况对比

混凝土浇筑后，观测两段侧墙试验段的裂缝情况，并与前期浇筑的侧墙混凝土裂缝情况进行对比，裂缝数量及分布见表3。

表3 侧墙混凝土裂缝观测结果Table 3 Crack observation results of side wall concrete

由表3可知，前期已浇筑侧墙结构在拆模后7 d内就出现了开裂现象，且后期裂缝数量增长迅速，主要原因是前期侧墙结构混凝土采用非大体积混凝土配合比，拆模时间为1 d，混凝土水化热、内表温差及表面与大气温差均较大，保温保湿养护时间短。相比于前期已浇筑侧墙，两段侧墙试验段混凝土裂缝均明显减少，在施工养护条件相同的情况下，掺氧化钙类抗裂剂的混凝土配合比其裂缝的数量仅有1条且出现的时间更晚，主要原因是氧化钙类抗裂剂对混凝土收缩的部分补偿作用，因其补偿能力有限，且施工单位在混凝土浇筑7 d后未进行任何保温保湿养护，为减少混凝土的后期裂缝，混凝土的保温保湿养护应持续至14 d龄期，并建议使用后期收缩补偿能力较强的氧化镁类抗裂剂[6]。

7 结语

1）通过侧墙混凝土配合比的优化设计，确定混凝土的水胶比为0.37，氧化钙类抗裂剂掺量为8%，掺合料掺量为30%，砂率为40%，坍落度控制在160 mm±20 mm时配制出来的混凝土综合性能较好，满足大体积混凝土裂缝控制的要求。

2）通过对侧墙大体积混凝土分段施工的开裂风险评估分析，确定其内约束应力不会导致混凝土开裂，引起混凝土开裂的主要因素是混凝土的外约束作用，相比于21 m侧墙，16 m侧墙混凝土外约束应力抗裂安全系数最小值为1.15，单一的外约束应力导致16 m侧墙混凝土开裂风险较小，相比于21 m侧墙混凝土，其最小抗裂安全系数提高了6.5%。

3） 混凝土分层浇筑厚度宜为300 mm，不得超过500 mm；混凝土下落高度不得超过2 m，超过2 m时应采用导管或溜槽；混凝土振捣时间宜为20～30 s；当混凝土抗压强度达到设计要求的50%且混凝土内表温差不大于25℃、表面与环境温差不大于20℃时允许拆模；混凝土养护用水温度与侧墙混凝土表面温度之差不宜大于15℃。

4）后期裂缝的出现表明侧墙大体积混凝土应保温保湿养护至14 d龄期，监测数据表明所使用的氧化钙类抗裂剂，其补偿能力主要在前7 d龄期发挥作用，在7～28 d内仅能补偿约27%的后期收缩，其补偿能力有限，建议使用后期收缩补偿能力较强的氧化镁类抗裂剂。