市政隧道施工中大體積混凝土裂縫控制探究

曾 毅

(中鐵二局集團有限公司,四川成都 610031)

0 引言

控制大體積混凝土裂縫是隧道施工的關鍵環節。在隧道施工過程中,由于溫度等因素,隧道內很有可能出現混凝土裂縫,對整個隧道工程產生不利影響。因此,相應的工作人員應認識到大體積混凝土施工的要點,裂縫產生的原因,對癥下藥,合理控制裂縫,通過對混凝土的有效修補和加固,確保隧道工程的安全牢固。然而,大多數隧道工程處于室外環境,這給裂縫的防治帶來了困難。作為隧道建設者,必須精心管理,提高裂縫控制的有效性,保護隧道安全。下面將分析大體積混凝土的定義,闡述隧道混凝土的發展,最后討論隧道大體積混凝土的裂縫控制措施,希望通過本文的研究,能為相關施工人員提供更多的工作思路。

1 大體積混凝土定義

混凝土成為工程房屋結構系統使用的主體建筑材料,其實用價值顯得更加重要。大體積混凝土用作承重、結構及轉換層的使用,并在全國各項工程中廣泛推廣應用。不同的國家對大體積混凝土有不同的規定[1]。在中國,大體積混凝土的概念指混凝土的邊長大于20 m,厚大于1 m,總體積大于400 m3的現澆混凝土構件,都屬于大體積混凝土。但實際上其他國家對大體積混凝土并沒有明確的定義?？傊?大體積混凝土有一個顯著的特點,就是整體結構和尺寸都比較大。在水化反應過程中,由于熱力因素,混凝土結構內部的溫度會較大,大體積混凝土與外界環境的最大溫差可超過25 ℃[2]。因此,在實際施工過程中,必須做好溫度控制工作,避免大體積混凝土結構因溫度變化而產生裂縫。

2 隧道大體積混凝土發展現狀

2.1 后期強度

在隧道施工中,我國通常采用礦物材料和泥沙混合的方式來配制混凝土。這樣的原材料混合可以有效提高混凝土的整體硬度和強度,延長隧道的使用壽命,保證隧道的安全。但由于混凝土需要很好的養護,只有保證混凝土的強度,才能從根源上避免裂縫問題。比如在條件允許的情況下盡量減少混凝土中水泥材料的用量,以提高混凝土的穩定性。隧道壁施工時,混凝土強度不能低于c80,同時混凝土應按規定的比例進行攪拌,定期對隧道進行檢測,詳細記錄混凝土強度,有利于后期檢查[3]。關于混凝土隧道的后期強度齡期,制定了60～90年的較好指標。與世界其他國家相比,中國的齡期相對較長,這完全是出于隧道安全的考慮。

2.2 混合比例

眾所周知,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縫控制的有效性。但這并不意味著水泥用量越少,控制效果就越好。因此,在攪拌混凝土的過程中所應用的攪拌技術是非常重要的。目前國內使用的混配技術多為單一混配技術[4]。這項技術在隧道工程中需要使用減水劑,因為減水劑可以提高混凝土材料的強度,避免裂縫的產生。

3 大體積混凝土裂縫產生原因

3.1 水化熱影響

混凝土材料在水化過程中會產生熱能,但是因為大體積混凝土截面較厚,且混凝土的導熱性能不良,熱能無法有效地向外擴散,因此導致了大體積混凝土的內溫上升而膨脹。從而使得混凝土結構件外部溫度稍低部分出現了更大的拉應力,而由于普通鋼筋也不能抵抗這樣的拉應力,因此出現了裂紋現象,見表1。

表1 各個齡期水化熱 單位:J/g

3.2 環境因素

隧道工程通常在山區進行,施工環境惡劣,晝夜溫差變化大。當外界環境溫差較大時,大體積混凝土材料的澆筑溫度也會發生變化。如果外部環境溫差較大,混凝土材料內外的溫度梯度會增大,最終導致大體積混凝土結構產生裂縫[5]。所以在這樣的天氣環境下,不適合大體積混凝土澆筑,尤其是水化熱過程中出現的熱量,再加上澆筑工作中出現的熱量和結構散熱溫度這三個溫度的累積,就會形成內部溫度。這種溫度的突變必然導致大體積混凝土內部溫度應力的影響。此外,由于高溫不利于混凝土的散熱,也很容易導致混凝土內溫上升,從而產生高溫應力。所以,適當控制大尺寸混凝土的高溫有助于控制裂紋的形成。

3.3 受到天氣變化的影響導致熱脹冷縮

溫度變化也是市政隧道施工中可能導致裂縫的主要原因,而溫度變化主要體現在以下兩點:溫度過高或過低,無論溫度突然上升還是突然下降,都會對混凝土產生一定的影響,導致混凝土膨脹收縮,從而產生了混凝土裂縫[6]。

4 大體積混凝土裂縫控制措施

4.1 大體積混凝土設計措施

4.1.1 抗裂設計要求

(1)在混凝土設計過程中,工作人員應選擇中等強度和低強度標準的混凝土材料,混凝土的范圍應在C20～C35之間,最后期60天的強度應為R60。

(2)混凝土的整體結構既要滿足隧道工程的承載能力標準,又要滿足大體積混凝土的施工標準。需要對鋼筋等材料進行科學的規劃和配置,主要要求是直徑更小,間距更小[7]。

(3)在基礎設計時應正確設置永久變形縫和垂直施工縫。在施工過程中,應保證大體積混凝土基礎澆塊的溫度下降,以減小對基礎的約束強度。為提高建筑物開裂的有效預防,要正確設置基礎混凝土的結構等級和配筋,進行防開裂管理。

(4)應確保箱體的混凝土橫截面厚度和基層尺寸符合應用要求,做好側墻的結構設計。除要滿足剛度要求外,還需綜合箱體結構正形、環形結構特征和薄壁構件要求的信息因素。在相同的作用力下,混凝土表面的溫度差與收縮差將形成相應的約束應力,對混凝土結構造成沖擊[8]。

(5)建筑物的壁厚大,壓力才會加大。壁的厚薄要維持在適當的水平。

4.1.2 混凝土配合比設計

在隧道大體積混凝土施工過程中,混凝土澆筑塊在水化熱的作用下溫度會升高。為了達到施工降溫的目的,要作好強度分析和配合比設計,對混凝土60天后的強度進行分析研究,根據實際情況減少水泥的實際用量,以滿足降溫的要求,后期混凝土強度應經設計方同意。

4.2 大體積混凝土泌水處理技術

在大體積混凝土施工過程中,由于混凝土分層澆筑作業,流動性強,上、下兩層施工間隔相對較長,通常為90～180 min。經過振搗處理后,向上流出的泌水和懸浮物,順著坡面很容易流入坑底。在水力泵送混凝土澆筑工程中,容易產生很多積水。為有效解決這一問題,在混凝土墊層澆筑中必須提前在水平方向打一段2 cm以下的斜坡,同時在結構下方設計排水口,確保泌水充分排出[9]。而少量且無法順利排出的泌水,會隨著混凝土澆筑向前涌至基坑頂部,通過頂模下方的預留孔排出坑外,見圖1。

圖1 大體積混凝土泌水處理技術圖示

4.3 澆筑技術

雖然大體積混凝土施工與其他類型的混凝土施工相似,但也有一些不同之處。因此,在施工過程中,不能僅僅依靠工作人員的個人經驗來進行施工,而應該對工程現場等外部因素進行詳細全面的分析和研究,加上相應的精確計算,并在此基礎上選擇和使用大體積混凝土的澆筑措施。一般情況下,在大體積混凝土澆筑施工過程中會選擇應用連續澆筑技術或連續分層澆筑技術。澆筑施工時,如果工人采用泵送法澆筑,混凝土材料攤鋪厚度應小于60 cm,如果不選擇泵送法,大體積混凝土攤鋪厚度應小于40 cm。如果工人采用連續分層澆筑工藝進行澆筑作業,要特別注意下一層混凝土的澆筑處理必須在前一層鋪筑的混凝土初凝之前進行,同時要最大限度地縮短各層之間的時間間隔,及時清除每層混凝土表面的殘留水,否則會嚴重影響施工質量[10]。

4.4 控制溫度

由于大體積混凝土容易因溫度因素而開裂,應合理控制大體積混凝土的溫度?；炷琳駬v后,澆筑溫度在表面以下10 cm左右處較高。澆筑溫度越低,越有利于控制混凝土內外溫差。大體積混凝土由塑性狀態變為彈性狀態后,溫差越大,出現裂縫的概率越高。在大體積混凝土施工過程中,澆筑溫度每下降6 ℃,混凝土的溫升將減少3 ℃。目前在隧道工程中,常用的降溫措施是加冰或冷卻水攪拌,或者將骨料進行預冷。筆者通過多年的工作經驗發現,要達到整體效果,最佳的方式是先拌預冷的石子,然后再摻加預冷的砂漿,更常用的方法是對混凝土的預冷處理?；炷翝仓?應格外重視后期的保溫與養護[11]。進行保溫與養護,能夠有效減小大體積混凝土內部的溫度差異,減少約束力。但是必須注意的是,不要使用強制措施進行減熱處理,不然容易產生反作用,提高混凝土裂縫的幾率。

4.5 混凝土養護

4.5.1 蓄熱與養護技術

如果市政隧道施工工程是在夏天,那么,對于混凝土的養護要注意在混凝土終凝后,要處理好保溫的問題,通過準確計算保溫層和保溫層外側的厚度來分析和確定該隧道是否需要加塑料薄膜。如果沒有特殊的條件要求,應保證在硬化階段,混凝土的實測溫度必須滿足混凝土內部和表面溫度的溫差要求,降溫速度小于1.5 ℃/h。在拆除保溫層的過程中,還要保證混凝土表面與大氣的溫度差要小于20 ℃。

4.5.2 混凝土養護期

應符合混凝土材料養護期標準,做好混凝土的養護工作。普通工程使用的硅酸鹽水泥材料的養護時間不應少于14天,其他類型的材料不應少于21天。如果項目處于炎熱的夏季,應根據實際情況適當延長養護時間。同時,在養護過程中,應確?；炷帘砻媸冀K處于溫暖濕潤狀態,塑料薄膜中有一定的冷凝水[12]。

5 結束語

大體積混凝土裂縫影響隧道工程的質量,市政隧道工程是民生工程,要保證隧道工程整體質量達標,就要做好大體積混凝土的質量控制,而在大體積混凝土中,裂縫問題是無法避免的。為了有效地控制裂縫問題,最大限度地減少裂縫的影響,應該研究裂縫問題產生的原因,并對癥下藥,合理地控制和提高混凝土的堅固性,最大限度地提高混凝土的強度,有效地保證隧道工程的安全,造福社會。