曾 毅

(中鐵二局集團(tuán)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(guān)鍵環(huán)節(jié)。在隧道施工過程中,由于溫度等因素,隧道內(nèi)很有可能出現(xiàn)混凝土裂縫,對整個(gè)隧道工程產(chǎn)生不利影響。因此,相應(yīng)的工作人員應(yīng)認(rèn)識到大體積混凝土施工的要點(diǎn),裂縫產(chǎn)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(bǔ)和加固,確保隧道工程的安全牢固。然而,大多數(shù)隧道工程處于室外環(huán)境,這給裂縫的防治帶來了困難。作為隧道建設(shè)者,必須精心管理,提高裂縫控制的有效性,保護(hù)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(fā)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(guān)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)使用的主體建筑材料,其實(shí)用價(jià)值顯得更加重要。大體積混凝土用作承重、結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)換層的使用,并在全國各項(xiàng)工程中廣泛推廣應(yīng)用。不同的國家對大體積混凝土有不同的規(guī)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(xiàn)澆混凝土構(gòu)件,都屬于大體積混凝土。但實(shí)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(gè)顯著的特點(diǎn),就是整體結(jié)構(gòu)和尺寸都比較大。在水化反應(yīng)過程中,由于熱力因素,混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度會較大,大體積混凝土與外界環(huán)境的最大溫差可超過25 ℃[2]。因此,在實(shí)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(jié)構(gòu)因溫度變化而產(chǎn)生裂縫。

2 隧道大體積混凝土發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 后期強(qiáng)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(qiáng)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(yǎng)護(hù),只有保證混凝土的強(qiáng)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(wěn)定性。隧道壁施工時(shí),混凝土強(qiáng)度不能低于c80,同時(shí)混凝土應(yīng)按規(guī)定的比例進(jìn)行攪拌,定期對隧道進(jìn)行檢測,詳細(xì)記錄混凝土強(qiáng)度,有利于后期檢查[3]。關(guān)于混凝土隧道的后期強(qiáng)度齡期,制定了60～90年的較好指標(biāo)。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(yīng)用的攪拌技術(shù)是非常重要的。目前國內(nèi)使用的混配技術(shù)多為單一混配技術(shù)[4]。這項(xiàng)技術(shù)在隧道工程中需要使用減水劑,因?yàn)闇p水劑可以提高混凝土材料的強(qiáng)度,避免裂縫的產(chǎn)生。

3 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生原因

3.1 水化熱影響

混凝土材料在水化過程中會產(chǎn)生熱能,但是因?yàn)榇篌w積混凝土截面較厚,且混凝土的導(dǎo)熱性能不良,熱能無法有效地向外擴(kuò)散,因此導(dǎo)致了大體積混凝土的內(nèi)溫上升而膨脹。從而使得混凝土結(jié)構(gòu)件外部溫度稍低部分出現(xiàn)了更大的拉應(yīng)力,而由于普通鋼筋也不能抵抗這樣的拉應(yīng)力,因此出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象,見表1。

表1 各個(gè)齡期水化熱 單位:J/g

3.2 環(huán)境因素

隧道工程通常在山區(qū)進(jìn)行,施工環(huán)境惡劣,晝夜溫差變化大。當(dāng)外界環(huán)境溫差較大時(shí),大體積混凝土材料的澆筑溫度也會發(fā)生變化。如果外部環(huán)境溫差較大,混凝土材料內(nèi)外的溫度梯度會增大,最終導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫[5]。所以在這樣的天氣環(huán)境下,不適合大體積混凝土澆筑,尤其是水化熱過程中出現(xiàn)的熱量,再加上澆筑工作中出現(xiàn)的熱量和結(jié)構(gòu)散熱溫度這三個(gè)溫度的累積,就會形成內(nèi)部溫度。這種溫度的突變必然導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力的影響。此外,由于高溫不利于混凝土的散熱,也很容易導(dǎo)致混凝土內(nèi)溫上升,從而產(chǎn)生高溫應(yīng)力。所以,適當(dāng)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(dǎo)致熱脹冷縮

溫度變化也是市政隧道施工中可能導(dǎo)致裂縫的主要原因,而溫度變化主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn):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(chǎn)生一定的影響,導(dǎo)致混凝土膨脹收縮,從而產(chǎn)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(shè)計(jì)措施

4.1.1 抗裂設(shè)計(jì)要求

(1)在混凝土設(shè)計(jì)過程中,工作人員應(yīng)選擇中等強(qiáng)度和低強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的混凝土材料,混凝土的范圍應(yīng)在C20～C35之間,最后期60天的強(qiáng)度應(yīng)為R60。

(2)混凝土的整體結(jié)構(gòu)既要滿足隧道工程的承載能力標(biāo)準(zhǔn),又要滿足大體積混凝土的施工標(biāo)準(zhǔn)。需要對鋼筋等材料進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃和配置,主要要求是直徑更小,間距更小[7]。

(3)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)正確設(shè)置永久變形縫和垂直施工縫。在施工過程中,應(yīng)保證大體積混凝土基礎(chǔ)澆塊的溫度下降,以減小對基礎(chǔ)的約束強(qiáng)度。為提高建筑物開裂的有效預(yù)防,要正確設(shè)置基礎(chǔ)混凝土的結(jié)構(gòu)等級和配筋,進(jìn)行防開裂管理。

(4)應(yīng)確保箱體的混凝土橫截面厚度和基層尺寸符合應(yīng)用要求,做好側(cè)墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。除要滿足剛度要求外,還需綜合箱體結(jié)構(gòu)正形、環(huán)形結(jié)構(gòu)特征和薄壁構(gòu)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(yīng)的約束應(yīng)力,對混凝土結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)乃健?/p>

4.1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

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(dá)到施工降溫的目的,要作好強(qiáng)度分析和配合比設(shè)計(jì),對混凝土60天后的強(qiáng)度進(jìn)行分析研究,根據(jù)實(shí)際情況減少水泥的實(shí)際用量,以滿足降溫的要求,后期混凝土強(qiáng)度應(yīng)經(jīng)設(shè)計(jì)方同意。

4.2 大體積混凝土泌水處理技術(shù)

在大體積混凝土施工過程中,由于混凝土分層澆筑作業(yè),流動(dòng)性強(qiáng),上、下兩層施工間隔相對較長,通常為90～180 min。經(jīng)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(chǎn)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(shí)在結(jié)構(gòu)下方設(shè)計(jì)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(yù)留孔排出坑外,見圖1。

圖1 大體積混凝土泌水處理技術(shù)圖示

4.3 澆筑技術(shù)

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(gè)人經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行施工,而應(yīng)該對工程現(xiàn)場等外部因素進(jìn)行詳細(xì)全面的分析和研究,加上相應(yīng)的精確計(jì)算,并在此基礎(chǔ)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(yīng)用連續(xù)澆筑技術(shù)或連續(xù)分層澆筑技術(shù)。澆筑施工時(shí),如果工人采用泵送法澆筑,混凝土材料攤鋪厚度應(yīng)小于60 cm,如果不選擇泵送法,大體積混凝土攤鋪厚度應(yīng)小于40 cm。如果工人采用連續(xù)分層澆筑工藝進(jìn)行澆筑作業(yè),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(jìn)行,同時(shí)要最大限度地縮短各層之間的時(shí)間間隔,及時(shí)清除每層混凝土表面的殘留水,否則會嚴(yán)重影響施工質(zhì)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(yīng)合理控制大體積混凝土的溫度。混凝土振搗后,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(nèi)外溫差。大體積混凝土由塑性狀態(tài)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)后,溫差越大,出現(xiàn)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?dāng)嚢?或者將骨料進(jìn)行預(yù)冷。筆者通過多年的工作經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),要達(dá)到整體效果,最佳的方式是先拌預(yù)冷的石子,然后再摻加預(yù)冷的砂漿,更常用的方法是對混凝土的預(yù)冷處理?；炷翝仓?應(yīng)格外重視后期的保溫與養(yǎng)護(hù)[11]。進(jìn)行保溫與養(yǎng)護(hù),能夠有效減小大體積混凝土內(nèi)部的溫度差異,減少約束力。但是必須注意的是,不要使用強(qiáng)制措施進(jìn)行減熱處理,不然容易產(chǎn)生反作用,提高混凝土裂縫的幾率。

4.5 混凝土養(yǎng)護(hù)

4.5.1 蓄熱與養(yǎng)護(hù)技術(shù)

如果市政隧道施工工程是在夏天,那么,對于混凝土的養(yǎng)護(hù)要注意在混凝土終凝后,要處理好保溫的問題,通過準(zhǔn)確計(jì)算保溫層和保溫層外側(cè)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(yīng)保證在硬化階段,混凝土的實(shí)測溫度必須滿足混凝土內(nèi)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(yǎng)護(hù)期

應(yīng)符合混凝土材料養(yǎng)護(hù)期標(biāo)準(zhǔn),做好混凝土的養(yǎng)護(hù)工作。普通工程使用的硅酸鹽水泥材料的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不應(yīng)少于14天,其他類型的材料不應(yīng)少于21天。如果項(xiàng)目處于炎熱的夏季,應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間。同時(shí),在養(yǎng)護(hù)過程中,應(yīng)確保混凝土表面始終處于溫暖濕潤狀態(tài),塑料薄膜中有一定的冷凝水[12]。

5 結(jié)束語

大體積混凝土裂縫影響隧道工程的質(zhì)量,市政隧道工程是民生工程,要保證隧道工程整體質(zhì)量達(dá)標(biāo),就要做好大體積混凝土的質(zhì)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(yīng)該研究裂縫問題產(chǎn)生的原因,并對癥下藥,合理地控制和提高混凝土的堅(jiān)固性,最大限度地提高混凝土的強(qiáng)度,有效地保證隧道工程的安全,造福社會。