考虑环境温度变化的大体积混凝土施工裂缝控制技术研究①

齐宏 李晨光 唐翟 何烈以

(中交路桥北方工程有限公司 北京 100024)

近年来，随着建筑行业的高速发展，其施工技术也随之提高。混凝土作为最常用的建筑材料，在公路和铁路的隧道建设、路面铺筑等方面得到了大量运用。尤其是大型多跨连拱隧道建设过程中，需要强度大、体积大、承载能力较强的大体积混凝土。但在一些昼夜温差变化较大或者地理位置本处于高温、高寒地区的建筑而言，大体积混凝土在施工中同样存在问题，其中最为显著的就是由于温度变化导致的混凝土开裂，这不但会降低混凝土强度，还会对整个工程在安全性方面造成一定的威胁。因此，本文以江苏徐州九里山拟建的多跨连拱隧道工程为依托，考虑外界温度变化，对大体积混凝土施工过程中的裂缝控制技术进行分析，其研究结论可为类似工程的建设提供一些参考。

1 工程概况

本工程位于徐州市泉山区三环西路北侧九里山古战场遗址，与襄王路交叉口。襄王路位于九里山四处山口之一，山体以植物桧柏为主，周边有文物古迹、宗教、公园、农林、社会停车场等用地及九里山古战场题词、白云寺、白云洞等景点。本次山体修复拟连接襄王路道路两侧断崖，山体为岩基，土壤层厚度较小。现状道路在山体修复范围内改为隧道形式通过。隧道设计起点里程为K3+259.28，隧道终点里程K3+418. 48，总长约160m，平面及纵向均位于道路曲线段，最大纵向坡度3.5%。隧道最小覆土厚度约为2.5m，最大覆土厚度约为14m。本工程为超大断面多跨连拱隧道，结构厚度约1～1.6m，长度约160m，且强度等级较高，属大体积混凝土（见图1）。

图1 大体积混凝土施工现场

图2 徐州一年气温变化

由于工程区冬季温度较低，在施工过程中混凝土内部产生较多的水化热，放出大量热量，导致混凝土的内外温差较大[1]，内外伸缩变形量不一致，因此极易使混凝土在过大温差作用下产生裂缝。

2 大体积混凝土特征及产生裂缝原因

对比于普通混凝土结构，大体积混凝土特点更明显，主要表现在其承载能力更强，结构面积较大，有的混凝土厚度甚至达到1m以上，整个混凝土结构中钢筋布置密实，施工工艺要求高且施工时间长，有些地区由于四季温度变化较大，故环境因素对大体积混凝土影响也较大。一般而言，大体积混凝土结构具有以下特征：

（1）与普通混凝土相比，大体积混凝土在设计时所采用的标号较高，水泥的用量较大，因此大体积混凝土具有较大的水灰比，由于大量水泥的需要吸收较多的水，吸水会造成混凝土收缩变形，从而出现裂缝的概率较大。

（2）大体积混凝土浇注后，由于其结构尺寸较大，产生的水化热不易发散，内部温度较高，若遇外部低温，将会形成较大的温度差。

（3）工程实际中，当采用大体积混凝土做基础结构时，为了有效增强混凝土的抗裂性能[2]，需要配置较密实的钢筋，其配筋率一般在采用0.3%～0.5%之间，在分析大体积混凝土性能时要考虑钢筋的抗拉性能。

（4）大体积混凝土大多为属于超静定结构，其承载能力不容易缺失。

大体积混凝土的开裂主要发生在两个时期，一是前期混凝土养护时期的开裂，称为早期开裂，这种开裂对混凝土有较大影响，若在前期做好处理，可延长有效控制后期裂缝的产生。另一种则是后期开裂。导致大体积混凝土裂缝的产生大致有以下两点原因：一是由堆载、修建建筑物、移动荷载等外荷载作用产生的应力作用与混凝土表面，引起地基发生不均匀沉降；二是由温度变化引发的混凝土伸缩变形。大体积混凝土的裂缝分为有害和无害两种类型[3]（见表1）。

表1 大体积混凝土裂缝有害、无害判别标准

表2 河砂分类标准

表3 常用外加剂特点

3 温度裂缝控制措施

江苏徐州九里山隧道建设大体积混凝土施工区在冬季气温较低，最低气温可达到零度以下（见图2），在寒冷的冬季，特别是气温较低的十一月至第二年的二月，当大体积混凝土在浇筑时外部气温较低，而混凝土内部放热形成热胀冷缩，将发生变形，此时会在结构内部产生应力，当应力大小超过混凝土的抗拉强度时，就会发生由温度引起的温度裂缝。因此，有效控制混凝土内外的温度差是防止其产生裂缝的关键，同时，要不断优化施工工艺，高效率、短时间内完成混凝土浇筑。根据对九里山隧道大体积混凝土施工，并结合当地气温特点，本文提出以下几点控制混凝土温度裂缝的措施。

（1）分层浇筑。

由于本工程浇筑混凝土的厚度和面积都较大，因此选用斜面分层推移式浇筑较为合适。这种浇筑方法同样是分成多层浇筑，一层浇筑一部分后，返回上一层继续浇筑，浇筑层的形状逐渐变为台阶型[4]。对于浇筑层厚度的设置，运用ABAQUS有限元分析软件进行分析，模拟出产生温度应力最小的浇筑厚度，以达到控制温度裂缝的目的。

（2）选择原材料。

大体积混凝土浇筑不同于一般建筑物的混凝土浇筑，往往需要一次性从底浇筑到顶，浇筑面积达、体量多。在选择水泥石应优先选用凝固时间较长、强度高且水化热比较低的材料，一般而言，通常所用的水泥为以矿渣、火山灰质为成分的硅酸盐水泥以及复合硅酸盐水泥等。在工程实际中，需要进行大体积混凝土浇筑的工程强度要求高，粗骨料应选用粒径较大，级配较好的石子，粒径范围通常在5～31.5mm，且要保证连续级配。粗骨料不能含有太多杂质，尤其是泥沙含量，若含量较多则会影响混凝土强度。细骨料通常为河砂，分为细砂、中砂、粗砂，其判别标准如表2，大体积混凝土施工应选择中砂，砂的含泥量不能大于3%。混凝土拌合过程中还可加入外加剂，选择合理的外加剂可有效改变混凝土性能，在一定程度上可降低水化热，由于大体积混凝土浇筑时间长，为了避免其快速凝固，加入外加剂可延缓初凝[5]。常用的外加剂分为三类（表3），具有不同的特点，它不仅可以改变混凝土性能，还能降低施工成本。

（3）后期养护管理。

在高温环境下浇筑混凝土后，要及时挂遮阳网，防止太阳直面照射，要有规律的及时浇水，避免外界温度过高致使出现裂缝，在低温时节浇筑时，浇筑成型后在外侧包裹保温材料，不要过早拆除模具。要保证养护达到一定时限才可进行下一步操作。

（4）开展温度监测。

在浇筑过程中，可在混凝土内部布设温度监测设备，设备需按照上、中、下三个层面进行安装，根据大体积混凝土浇筑厚度进行设置。同时，要定时对混凝土外表面进行温度测试，通过温度变化确定冷却管何时排放水。

（5）优化施工工艺。

大体积混凝土施工要在施工前制定合理计划，确定好浇筑顺序。振捣过程要均匀、密实，不能让其出现气泡。浇筑厚度和浇筑时间要经过计算控制，做好温度监测。浇筑结束后养护要按照规范达到一定的养护时间。

4 环境保护及施工要点

九里山属于风景名胜区，大体积混凝土施工由于规模大、难度高、工艺复杂，在施工过程中必须要考虑对自然环境的影响，尤其要考虑对名胜古迹的保护，尽可能避免对其进行扰动，施工应做到人与自然的和谐统一，保证青山绿水的存在。因此，九里山大体积混凝土施工应做到以下几点。

（1）施工中尽量避免对山体两边的树木进行砍伐，有特色的岩体尽量不要扰动，对遭受破坏的风景标识在施工结束后应进行修复。

（2）施工中的混凝土不能随意排放，施工产生的废水要进行净化处理，不能直接排放，以免污染环境。

（3）工程弃渣要进行合理的周转，不可直接堆弃在景区。浇筑过程中产生的噪声要进行控制，周边要设置隔音墙。回填土时要避免产生过多扬尘，要设置防尘网，减小空气污染。

5 结语

综上所述，九里山大体积混凝土施工要充分结合当地气候变化，考虑环境温度来制定合理的施工方案，防止施工过程中由于温度变化引起大量有害裂缝的产生，这将会影响工程质量，造成极不安全的隐患。本文综合分析了温度裂缝的产生与控制措施，并考虑风景名胜区生态效应，提出了一些施工要点，经过在九里山超大断面多跨连拱隧道大体积混凝土施工中的实施，表明具有一定的有效性。