明挖隧道高强度薄壁侧墙混凝土裂缝防控技术

王超峰，禹化伟

(1.中铁隧道局集团有限公司，广州 511458； 2.中铁隧道局三处有限公司,深圳 515073)

为了提高结构自身防水性能和耐久性，海洋服役环境中普遍采用高强度高性能混凝土进行结构设计，虽然掺入高性能外加剂、矿物掺合料能使混凝土满足力学性能要求，同时提高工作性能和耐久性，但未充分改善其收缩性质，并且在施工阶段就出现由于温度变化、体积收缩以及内外约束等原因而产生的非荷载危害性裂缝，由此带来严重的开裂、渗漏、破坏问题。

以某海底明挖隧道薄壁侧墙结构作为施工案例，该文对高性能混凝土温度、收缩裂缝控制技术进行详细介绍。

1 工程混凝土设计及施工概况

项目主体结构侧墙混凝土厚度大部分在0.8 m，工程所处环境为Ⅲ-E非常严重的海洋氯化物环境，混凝土设计为C50/P10混凝土。设计要求混凝土裂缝宽度≤0.2 mm，混凝土浇筑入模温度≤28 ℃，混凝土内外温差≤25 ℃，混凝土配合比设计应采用大掺量矿物掺合料，混凝土水胶比宜为0.28～0.32，胶凝材料总量范围为340～450 kg/m3，不采用预埋冷却水管的降温措施。试验段采用的混凝土配合比见表1，混凝土性能见表2。

表1 混凝土配合比

表2 混凝土性能

主体结构采用底板—侧墙—顶板的顺序浇筑，侧墙一次性浇筑高度为4 m，一次浇筑长度为30 m。采用木模板，模板厚度3.5 cm，底板完成浇筑15d后开始侧墙混凝土浇筑，侧墙浇筑后第1 d松动模板，第2d拆模，拆模后外挂土工布人工喷水养护，养护期限为7d。

2 试验段裂缝监测情况

第一个试验段30 m跨度侧墙混凝土拆模后对裂缝进行了观测统计，统计结果见图1。

从图1中可看出，拆模后第1 d便出现一条裂缝，随龄期增长，混凝土裂缝数量直线发展，至第6 d裂缝数量趋于稳定，裂缝宽度也随养护时间延长增大，至第9 d趋于稳定。14条裂缝中有5条存在渗水现象，现场裂缝典型代表见图2。

3 裂缝形成机理分析

该工程结构不仅体量大易产生温度变化及收缩变形，同时工程结构长度及高度尺寸远大于结构厚度，为薄壁结构。与一般结构相比，薄壁结构散热面积大、水分散发速度快且散热量大，由于内外表面的温差及收缩差引起较大的约束应力，厚壁温差大，薄壁温差小，故间接地影响应力大小，似乎越薄越好；但越薄收缩快，均质性差，抗裂度也越低，结构材料越薄，温差梯度越大，承受均匀温度收缩的层厚越小，越容易开裂[1]。

该项目首段侧墙混凝土在0.5～1 d时间中心温度达到峰值，中心最高温度约为75 ℃，可见胶凝材料水化速度非常快，满足规范要求的拆模条件为里-表温差≤25 ℃、表-环温差≤20 ℃，拆模时间应在浇筑后2.5～3 d，实测温升曲线见图3。

从温升曲线可以看出，混凝土里表温差最高仅为14.3 ℃，完全满足混凝土拆模温度要求，表面与环境温差最高为33.5 ℃，在混凝土龄期2.7 d时温差达到拆模要求的温度20 ℃。

该工程结构施工顺序为先浇筑底板后浇筑侧墙，侧墙浇筑后降温过程产生的收缩变形受到先浇筑底板的约束。这种外界的约束对混凝土产生拉应力，若不改善或减小结构的相对约束，会产生有害裂缝。

因此对于高强度大体积薄壁侧墙混凝土，控制裂缝的关键，一是控制温差，二是锁水保湿控制后期干缩，三是加快底板与侧墙的施工间隔，减小约束。

4 改进措施

4.1 调整施工方案

4.1.1 修正混凝土浇筑跨度

有研究表明，对于大体积混凝土，侧墙分段长度宜为16 m[2]。因此，混凝土一次性浇筑高度保持4 m不变，浇筑跨度由30 m改为18 m，墙体跨度/高度由原来的7.5 m降为4.5 m，这样约束度Kr由0.8降低至0.65，降低幅度为19%。

4.1.2 改变模板形式和拆模时间

因木模板较难承受混凝土的高水化热造成的变形，推迟拆模时间模板无法承受过高的水化热温度所导致的变形，无奈只能提前拆模，为此，将木模板改为钢模板，并在钢模板外侧粘贴4 cm厚聚氨脂保温泡沫板，根据过程的温度监控结果，拆模时间延长至7 d，且期间不松动模板。虽然项目在试验段时拆模时间为2 d基本可以满足混凝土中心与表面温差不超过25 ℃、混凝土表面温度与环境温度之差不超过20 ℃的要求，但仍出现大量裂缝，说明温度控制值过于宽松。有研究表明[3]，为使得开裂风险系数不超过0.7，建议控制里表温差不超过18 ℃(开裂风险系数指混凝土内拉应力与其抗拉强度之比)。

在木模板与保温型的钢模板的保温性能对比方面，聚氨脂泡沫板(PU)的导热系数约为0.02 W/(m·K)，而木模板材质的导热系数约为0.15 W/(m·K)，钢材的导热系数为80 W/(m·K)。使用保温型钢模板有更好的保温效果，且钢板优异的刚度可在一定程度抵抗混凝土表面的收缩应变，对混凝土表面体积稳定性有一定的约束作用。

4.1.3 改变养护方法

混凝土浇筑完成时，待顶面水分稍蒸发，时间约为1 h，在表面喷涂养护剂起到表面水分封闭作用。研究表明，干燥收缩有一个相当长的发展过程，2周、3个月、1年龄期的干燥收缩值分别为20年龄期干燥收缩值的14%～34%、40%～80%、66%～85%[4]。

混凝土的干缩率与水胶比有密切关系，最终收缩应变在2～5×10-4的范围。由于洒水养护受人为因素影响较大，为节约劳动力投入、环保、高效起见，混凝土在拆模时直接刷涂高分子成膜混凝土养护剂。该养护剂是一种高分子涂膜材料，喷洒或涂刷在混凝土表面，固化后形成一层致密的薄膜，使混凝土表面与空气隔绝，防止水分过快蒸发，保证混凝土具有较好的保水养生条件，刷涂方式见图4。

4.2 优化混凝土配合比

4.2.1 优选原材料

1)水泥：为控制水化热，将原PO 52.5水泥改为PⅡ42.5水泥。因普通硅酸盐水泥中掺合料的掺量不确定，一味降低水泥用量不一定有益，且目前绝大多数PO 42.5水泥的检验结果也符合PO 42.5R水泥的检验结果，所以选择了PⅡ42.5硅酸盐水泥，而未选择PO 42.5普通水泥。因水泥越细，水化越快，因此与水泥厂家协商，水泥比表面积严格控制在350 m2/kg以内。水泥的细度对自收缩值也有影响，较细的水泥在早期表现出较大的自收缩速度[5]。

2)骨料：骨料的含泥量、粒形、线膨胀系数对混凝土强度、开裂风险影响很大，后期试验对比了石灰岩与花岗岩的强度、收缩性能，实测石灰岩7 d强度较花岗岩骨料高8%，干缩率低11%。线膨胀系数指材料随着温度变化的应变量，石灰岩的线膨胀系数约在5×10-6/K，而晶粒较大的花岗岩的线膨胀系数约在10×10-6/K，石灰岩的线膨胀系数较花岗岩低一半，宜首选石灰岩碎石。

3)减水剂：原使用减水剂初凝时间约6 h，终凝时间约8 h，经对减水剂成分的重新调整，初凝时间调整为15 h，终凝时间19 h，大幅延长了混凝土的凝结时间。

4.2.2 优化配合比

1)经与设计单位研究，将混凝土的强度评定龄期由28 d改为60 d，在不采用60 d龄期的情况下，大掺量矿物掺合料混凝土28 d强度保证率不高。

2)大幅提高了粉煤灰用量，降低了水泥、矿渣粉用量，单掺粉煤灰虽然很大程度降低水化热、早期强度，但双掺粉煤灰、矿渣粉效果更显著。研究表明，高标号混凝土在掺加粉煤灰的情况下，与矿渣粉复掺，在进一步提高混凝土力学性能的同时，能够降低反应水化热和绝热温升[6]。经计算，改变水泥品种及掺合料掺量后，胶凝材料体系的绝热温升由42.8 ℃降为33.6 ℃，降低幅度为21%。

3)水胶比经试验选用0.32，较原配合比提高了0.01。过小的水胶比，混凝土内部无法克服的自收缩将占主导。研究显示在水胶比为0.25左右时，混凝土的自收缩达到最大值[7]。在密封养护条件下混凝土内部相对湿度与其收缩具有较好的同步性，混凝土内部相对湿度可以看作其收缩发展的驱动力；水灰比越大，自干燥引起的混凝土内部相对湿度下降幅度越大，混凝土的收缩越大[8]。调整后的配合比及性能见表3、表4。

表3 优化后混凝土配合比

表4 优化后混凝土性能

5 实际效果

按上述配合比及其它施工措施进行了一模侧墙混凝土浇筑，经30 d的持续观察，裂缝病害有极大改观。裂缝发展情况见图5。

与第一个试验段相比，裂缝数量为3条，较最初14条(折合18 m跨度为8.4条)减少了64%，且裂缝平均宽度由0.5 mm降低为0.2 mm，均未贯通渗水，符合验收要求。

通过各项措施的改进，混凝土温度监控情况大有变化：首先，中心温度峰值大幅下降，由最初的75 ℃降至59 ℃，温峰出现时间由1 d以内推迟至3 d，同时由于保温模板的作用，混凝土表面温度降低速度较慢，形成良好的温度梯度，7 d拆模时表面温度与环境温度差约在17 ℃，中心温度与环境温度之差约在20 ℃。改进后的混凝土温度监测记录见图6。5～7 d龄期为较理想的拆模时机，且龄期越长越好，越长的龄期，混凝土可以获得更高的抗拉强度以抵抗温度降低造成的内应力。

从温度监控记录看出：

1)在采用保温模板的情况下，混凝土中心与表面温差较均衡，最大温度为10 ℃，远低于规范要求的25 ℃。

2)表面与环境温差较大，在龄期2～7 d时其值在20～24 ℃，7 d以内不宜拆模。因里表温差接近，中心与环境、表面与环境温差均可作为混凝土拆模的控制条件。

6 结论与建议

在不采用循环水冷却措施的情况下，通过采用优化配合比，改进施工工艺等措施，使项目混凝土裂缝情况得到了有效控制，对大体积混凝土侧墙混凝土的防裂，可作出以下总结。

1)混凝土水化温升是引起混凝土开裂的根本原因，合理的混凝土配合比可大幅降低绝热温升，所以，混凝土配合比是裂缝控制的关键。配合比设计宜采用大掺量矿物掺合料配合比，混凝土强度评定龄期宜采用56 d或60 d，不宜采用28 d评定。同时，调整外加剂缓凝组分，在不影响施工进度、模板承载能力的情况下，尽可能延长混凝土凝结时间。

2)相对于配合比引起的温升，混凝土入模温度的影响较小，但控制入模也是一项重要措施。

3)薄壁结构混凝土散热面积大、散热快，控制降温速率是施工阶段重点工作，采用木模板、保温钢模板均可控制降温速率，但木模板较保温钢模板，其对混凝土表面的约束作用较小，故采用保温钢模板。

4)拆模时间一般采用里表温差、表环温差双控，使用表面-环境温差进行控制更为合理，合理的拆模时间较常规拆模时间宜长2～3倍，在保证温差的同时，给予混凝土充足的抗拉强度增长时间，而且充分发挥了模板对混凝土表面收缩应力的约束作用。

5)采用养护剂较传统的水养方法相比，一劳永逸，同时避免了拆模时洒水造成的表面迅速降温而引起的裂缝形成。

在以上各项措施同时应用的条件下，通过对试验段混凝土的裂缝统计情况看，混凝土裂缝数量、平均裂缝宽度在一定龄期内可降低60%以上，对工程施工质量有重要意义。