市政隧道施工中大体积混凝土裂缝控制探究

曾 毅

(中铁二局集团有限公司,四川成都 610031)

0 引言

控制大体积混凝土裂缝是隧道施工的关键环节。在隧道施工过程中,由于温度等因素,隧道内很有可能出现混凝土裂缝,对整个隧道工程产生不利影响。因此,相应的工作人员应认识到大体积混凝土施工的要点,裂缝产生的原因,对症下药,合理控制裂缝,通过对混凝土的有效修补和加固,确保隧道工程的安全牢固。然而,大多数隧道工程处于室外环境,这给裂缝的防治带来了困难。作为隧道建设者,必须精心管理,提高裂缝控制的有效性,保护隧道安全。下面将分析大体积混凝土的定义,阐述隧道混凝土的发展,最后讨论隧道大体积混凝土的裂缝控制措施,希望通过本文的研究,能为相关施工人员提供更多的工作思路。

1 大体积混凝土定义

混凝土成为工程房屋结构系统使用的主体建筑材料,其实用价值显得更加重要。大体积混凝土用作承重、结构及转换层的使用,并在全国各项工程中广泛推广应用。不同的国家对大体积混凝土有不同的规定[1]。在中国,大体积混凝土的概念指混凝土的边长大于20 m,厚大于1 m,总体积大于400 m3的现浇混凝土构件,都属于大体积混凝土。但实际上其他国家对大体积混凝土并没有明确的定义。总之,大体积混凝土有一个显著的特点,就是整体结构和尺寸都比较大。在水化反应过程中,由于热力因素,混凝土结构内部的温度会较大,大体积混凝土与外界环境的最大温差可超过25 ℃[2]。因此,在实际施工过程中,必须做好温度控制工作,避免大体积混凝土结构因温度变化而产生裂缝。

2 隧道大体积混凝土发展现状

2.1 后期强度

在隧道施工中,我国通常采用矿物材料和泥沙混合的方式来配制混凝土。这样的原材料混合可以有效提高混凝土的整体硬度和强度,延长隧道的使用寿命,保证隧道的安全。但由于混凝土需要很好的养护,只有保证混凝土的强度,才能从根源上避免裂缝问题。比如在条件允许的情况下尽量减少混凝土中水泥材料的用量,以提高混凝土的稳定性。隧道壁施工时,混凝土强度不能低于c80,同时混凝土应按规定的比例进行搅拌,定期对隧道进行检测,详细记录混凝土强度,有利于后期检查[3]。关于混凝土隧道的后期强度龄期,制定了60～90年的较好指标。与世界其他国家相比,中国的龄期相对较长,这完全是出于隧道安全的考虑。

2.2 混合比例

众所周知,最大限度地降低混凝土拌合物中水泥材料的比例,可以有效提高混凝土裂缝控制的有效性。但这并不意味着水泥用量越少,控制效果就越好。因此,在搅拌混凝土的过程中所应用的搅拌技术是非常重要的。目前国内使用的混配技术多为单一混配技术[4]。这项技术在隧道工程中需要使用减水剂,因为减水剂可以提高混凝土材料的强度,避免裂缝的产生。

3 大体积混凝土裂缝产生原因

3.1 水化热影响

混凝土材料在水化过程中会产生热能,但是因为大体积混凝土截面较厚,且混凝土的导热性能不良,热能无法有效地向外扩散,因此导致了大体积混凝土的内温上升而膨胀。从而使得混凝土结构件外部温度稍低部分出现了更大的拉应力,而由于普通钢筋也不能抵抗这样的拉应力,因此出现了裂纹现象,见表1。

表1 各个龄期水化热 单位:J/g

3.2 环境因素

隧道工程通常在山区进行,施工环境恶劣,昼夜温差变化大。当外界环境温差较大时,大体积混凝土材料的浇筑温度也会发生变化。如果外部环境温差较大,混凝土材料内外的温度梯度会增大,最终导致大体积混凝土结构产生裂缝[5]。所以在这样的天气环境下,不适合大体积混凝土浇筑,尤其是水化热过程中出现的热量,再加上浇筑工作中出现的热量和结构散热温度这三个温度的累积,就会形成内部温度。这种温度的突变必然导致大体积混凝土内部温度应力的影响。此外,由于高温不利于混凝土的散热,也很容易导致混凝土内温上升,从而产生高温应力。所以,适当控制大尺寸混凝土的高温有助于控制裂纹的形成。

3.3 受到天气变化的影响导致热胀冷缩

温度变化也是市政隧道施工中可能导致裂缝的主要原因,而温度变化主要体现在以下两点:温度过高或过低,无论温度突然上升还是突然下降,都会对混凝土产生一定的影响,导致混凝土膨胀收缩,从而产生了混凝土裂缝[6]。

4 大体积混凝土裂缝控制措施

4.1 大体积混凝土设计措施

4.1.1 抗裂设计要求

(1)在混凝土设计过程中,工作人员应选择中等强度和低强度标准的混凝土材料,混凝土的范围应在C20～C35之间,最后期60天的强度应为R60。

(2)混凝土的整体结构既要满足隧道工程的承载能力标准,又要满足大体积混凝土的施工标准。需要对钢筋等材料进行科学的规划和配置,主要要求是直径更小,间距更小[7]。

(3)在基础设计时应正确设置永久变形缝和垂直施工缝。在施工过程中,应保证大体积混凝土基础浇块的温度下降,以减小对基础的约束强度。为提高建筑物开裂的有效预防,要正确设置基础混凝土的结构等级和配筋,进行防开裂管理。

(4)应确保箱体的混凝土横截面厚度和基层尺寸符合应用要求,做好侧墙的结构设计。除要满足刚度要求外,还需综合箱体结构正形、环形结构特征和薄壁构件要求的信息因素。在相同的作用力下,混凝土表面的温度差与收缩差将形成相应的约束应力,对混凝土结构造成冲击[8]。

(5)建筑物的壁厚大,压力才会加大。壁的厚薄要维持在适当的水平。

4.1.2 混凝土配合比设计

在隧道大体积混凝土施工过程中,混凝土浇筑块在水化热的作用下温度会升高。为了达到施工降温的目的,要作好强度分析和配合比设计,对混凝土60天后的强度进行分析研究,根据实际情况减少水泥的实际用量,以满足降温的要求,后期混凝土强度应经设计方同意。

4.2 大体积混凝土泌水处理技术

在大体积混凝土施工过程中,由于混凝土分层浇筑作业,流动性强,上、下两层施工间隔相对较长,通常为90～180 min。经过振捣处理后,向上流出的泌水和悬浮物,顺着坡面很容易流入坑底。在水力泵送混凝土浇筑工程中,容易产生很多积水。为有效解决这一问题,在混凝土垫层浇筑中必须提前在水平方向打一段2 cm以下的斜坡,同时在结构下方设计排水口,确保泌水充分排出[9]。而少量且无法顺利排出的泌水,会随着混凝土浇筑向前涌至基坑顶部,通过顶模下方的预留孔排出坑外,见图1。

图1 大体积混凝土泌水处理技术图示

4.3 浇筑技术

虽然大体积混凝土施工与其他类型的混凝土施工相似,但也有一些不同之处。因此,在施工过程中,不能仅仅依靠工作人员的个人经验来进行施工,而应该对工程现场等外部因素进行详细全面的分析和研究,加上相应的精确计算,并在此基础上选择和使用大体积混凝土的浇筑措施。一般情况下,在大体积混凝土浇筑施工过程中会选择应用连续浇筑技术或连续分层浇筑技术。浇筑施工时,如果工人采用泵送法浇筑,混凝土材料摊铺厚度应小于60 cm,如果不选择泵送法,大体积混凝土摊铺厚度应小于40 cm。如果工人采用连续分层浇筑工艺进行浇筑作业,要特别注意下一层混凝土的浇筑处理必须在前一层铺筑的混凝土初凝之前进行,同时要最大限度地缩短各层之间的时间间隔,及时清除每层混凝土表面的残留水,否则会严重影响施工质量[10]。

4.4 控制温度

由于大体积混凝土容易因温度因素而开裂,应合理控制大体积混凝土的温度。混凝土振捣后,浇筑温度在表面以下10 cm左右处较高。浇筑温度越低,越有利于控制混凝土内外温差。大体积混凝土由塑性状态变为弹性状态后,温差越大,出现裂缝的概率越高。在大体积混凝土施工过程中,浇筑温度每下降6 ℃,混凝土的温升将减少3 ℃。目前在隧道工程中,常用的降温措施是加冰或冷却水搅拌,或者将骨料进行预冷。笔者通过多年的工作经验发现,要达到整体效果,最佳的方式是先拌预冷的石子,然后再掺加预冷的砂浆,更常用的方法是对混凝土的预冷处理。混凝土浇筑后,应格外重视后期的保温与养护[11]。进行保温与养护,能够有效减小大体积混凝土内部的温度差异,减少约束力。但是必须注意的是,不要使用强制措施进行减热处理,不然容易产生反作用,提高混凝土裂缝的几率。

4.5 混凝土养护

4.5.1 蓄热与养护技术

如果市政隧道施工工程是在夏天,那么,对于混凝土的养护要注意在混凝土终凝后,要处理好保温的问题,通过准确计算保温层和保温层外侧的厚度来分析和确定该隧道是否需要加塑料薄膜。如果没有特殊的条件要求,应保证在硬化阶段,混凝土的实测温度必须满足混凝土内部和表面温度的温差要求,降温速度小于1.5 ℃/h。在拆除保温层的过程中,还要保证混凝土表面与大气的温度差要小于20 ℃。

4.5.2 混凝土养护期

应符合混凝土材料养护期标准,做好混凝土的养护工作。普通工程使用的硅酸盐水泥材料的养护时间不应少于14天,其他类型的材料不应少于21天。如果项目处于炎热的夏季,应根据实际情况适当延长养护时间。同时,在养护过程中,应确保混凝土表面始终处于温暖湿润状态,塑料薄膜中有一定的冷凝水[12]。

5 结束语

大体积混凝土裂缝影响隧道工程的质量,市政隧道工程是民生工程,要保证隧道工程整体质量达标,就要做好大体积混凝土的质量控制,而在大体积混凝土中,裂缝问题是无法避免的。为了有效地控制裂缝问题,最大限度地减少裂缝的影响,应该研究裂缝问题产生的原因,并对症下药,合理地控制和提高混凝土的坚固性,最大限度地提高混凝土的强度,有效地保证隧道工程的安全,造福社会。