简析地铁车辆段大体积混凝土结构裂缝控制.pdf

58建筑科技2023 年 第 4 期简析地铁车辆段大体积混凝土结构裂缝控制胡坤，贺红云，王大鹏（中建一局集团第一建筑有限公司，上海 201100）摘要：对于大型混凝土结构建设来说，减少或避免混凝土裂缝的产生是必不可少的。从地铁车辆段大体积混凝土结构施工中出现的裂缝问题出发，提出一些可行性的解决措施，对提高大体积混凝土结构的施工质量、发挥大体积混凝土结构的优势有一定的借鉴意义。关键词：地铁车辆段；大体积；混凝土；裂缝控制中图分类号：TV544+.91 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）04-0058-030引言大体积混凝土可以理解为结构物任何一个横竖断面的几何尺寸均1 m，或者由于胶凝材料水化反应大量放热引起的结构内外温差过大或者体积变化而引起不利裂缝产生的混凝土。地铁车辆段中的结构物如尺寸最大的型钢混凝土柱承台，其结构厚实，且是建筑结构安全可靠的主要承载部分，长度和宽度基本16 m，高度2 m，钢筋混凝土使用量大。因此，研究解决大体积混凝土结构施工中遇到的裂缝现象特别重要，可以在一定程度上提升建筑工程的安全系数和可信度。1大体积混凝土裂缝产生的原因（1）水泥水化放热过大的影响。水泥的水化热在混凝土浇筑后的早期阶段释放较为集中。以硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥水化放热为例，前者主要集中在浇筑后的13 d，而后者则主要集中在浇筑后的15 d。在这段时期内，水化热产生速率较快且不断地进行累积，导致混凝土内部的温升值急速地增加，形成所谓的高温高热阶段，一般会在2448 h内形成高温高峰状态。由于不同的混凝土构件形状、尺寸的差异，以及使用不同品种的水泥和不同时间段在施工时周围环境温度和湿度的不一致，混凝土内部的高温高峰期会有所不同。加之大体积混凝土结构体的尺寸较大（即体积较大），所使用的水泥量较多，导致水泥水化反应时放出的热量较多，而当环境温度升高时，原材料的温度会随之上升而携带更多的热量，这些因素组合影响导致混凝土核心区的高温高峰会达到6070。由于混凝土的体积较大，其内部的水化热难以快速而有效地从表层排出，而热量在短时间内快速大量积聚，导致混凝土内部温度高于外界环境的工作温度；混凝土内部形成温度应力，进而影响混凝土表层的抗拉能力，加之混凝土初期正处于强度增长阶段，此时强度值相对较低。当混凝土的温度应力超出表层极限抗拉强度时（即内外的应力差过大），混凝土表层会形成裂缝。（2）混凝土收缩产生的影响。混凝土收缩如干燥收缩、自收缩、温度收缩等是指在其凝结初期或硬化阶段中，受到各种内部和外部因素的影响从而产生体积缩小的情况，而较大的体积收缩会导致混凝土产生裂缝。例如，混凝土在59建筑科技2023 年 第 4 期凝固后没有立即进行适当的养护，以及受到风吹日晒的影响，表层的水分快速散失，从而造成体积缩小较大，加之混凝土表层的收缩变形遭到内层结构的束缚，产生拉应力，进而引起混凝土表层破裂。相比之下，内部温湿度变化速度极小，混凝土的收缩速度也会较小。重要的是，水分的缺少会引起混凝土结构体积收缩，并遭到地基或垫层的束缚，在应力作用下会产生裂缝。自收缩是除结构物自身物质增减、温度变化、外部加载或约束等物理因素引起的体积变化的影响外，主要是由化学反应引起产生的。早期的自收缩会引起弹性模量的迅速增长，受到限制的高性能混凝土结构会承受较大的拉应力，从而产生裂缝。混凝土在硬化后，受到外界干燥或高温环境的作用，内部水分继续蒸发减少，引起收缩变化，产生裂缝。温度收缩是指水泥在混凝土浇筑后水化放热，导致混凝土的温度值在凝结硬化阶段快速增大，但在水泥水化反应放热从开始降速至结束的过程中，水化反应产生的热量产生缓慢并减少，当热量散失的速率大于产生速率时，混凝土开始进入降温阶段。由于热胀冷缩的影响，混凝土的体积缩小，在此过程中，体积可能性的不规则缩小会进一步影响到混凝土裂缝的产生。（3）外界温湿度变化的影响。混凝土体积较大，结构表面系数较小，造成其散热较慢，再加上水泥在前期水化放热迅速且集中，造成内部热量较多而温升较快。较大的内外温差会使混凝土产生裂缝。在大体积混凝土裂缝产生的因素中，温度变化产生的影响是主要的。在施工过程中，大体积混凝土的浇筑温度会受到作业环境天气变化的影响，尤其是当气温骤变时，内外层混凝土温度差会迅速变大，这将对大体积混凝土的施工产生较为不利的影响，而较大的内外温差引起的变形所产生的温度应力会形成裂缝。重要的是内外温差越大，相应的温度应力也会越大，产生裂缝的几率大大增加。在外界温度较高的情况下，混凝土内部的热量难以有效分散出去，热量累积到一定程度上导致内部温度可能会上升到6070，而且这种温度变化在一定程度上可能会延续较长时间。此外，湿度对结构物混凝土的裂缝形成有重要影响，当作业环境内的湿度降低时，混凝土的干缩会加速，从而产生裂缝1。（4）混凝土养护的影响。刚浇筑完成的混凝土，正处于强度增长速率快速升高阶段，且水泥的水化热的速率值此时较大，如果混凝土所需的水分补给不及时且不充足，混凝土表层会因脱水干燥而产生裂缝。以防水混凝土为例，自身水分在高温环境下蒸发，加之养护水分补给不充足，会进一步引起内部水分缺失，而水泥不完全水化，易造成混凝土因强度增长不足而表层开裂。除此以外，混凝土内部的毛细管道因水分缺失而互相贯通连接，混凝土的孔隙率会增大；同时混凝土的收缩加剧造成其整体产生龟裂，抗渗性急剧下降，严重的情况下可能会使混凝土完全丧失抗渗能力2。如果养护及时，即防水混凝土水泥水化时所处环境的湿度满足要求，混凝土内游离水散失缓慢和水泥水化反应充分，水化生成物堵塞毛细管道而使其不连通，进而提高抗渗性。2控制大体积混凝土裂缝的技术措施（1）优化混凝土配合比设计，减少水泥水化放热。解决水泥水化热高的问题，需要重点考虑水泥类别的选取，应尽可能选择水化放热较少的水泥，并尽可能减少水泥的使用。为了减少水泥的水化热，可以采取以下措施：选用水化放热较低的水泥（如火山灰渣硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰水泥等）或者混合胶凝材料，以降低水泥在凝固阶段的水化放热量。在大体积混凝土施工时，为了保证混凝土的设计工作强度满足要求，可以选用早期强度较高而水化放热相对来说较少的普通硅酸盐水泥，但必须明确水化放热的目标值。通常来说，按以下数值控制，3 d：水化放热250 kJ/kg，7 d：水化放热280 kJ/kg，当水泥强度等级为52.5时，7 d：水化放热300 kJ/kg3。可以适量加入粉煤灰，从而减少水泥的使用。粉煤灰混凝土的配合比设计应根据建筑物的类型和实际承载时间确定，并且应采用较长的设计寿命周期。为了提高混凝土结构物的强度和耐久性，地上工程应选用28 d或60 d的强度为混凝土配合比设计，而地下工程则应选用60 d或90 d的强度，大坝混凝土则应选用90 d或180 d的强度。此外，为了更进一步提高混凝土的坍落度和黏塑性，可以采取“双掺”工艺，即在水泥中加入适当量的I级磨细粉煤灰和减水剂，可以降低水化热。可以将膨胀剂加入到混凝土配合比中，利用其补偿收缩性能，能够有效减少混凝土体积收缩带来的影响，减小混凝土结构出现裂缝的可能性，同样也能在一定程度上达到混凝土的抗渗标准。添加高效减水剂，可以有效减少混凝土浇筑后的游离水（这些游离水不会参加水泥的水化反应，而是随着时间的推移逐渐消失，从而产生裂缝），进而减小混凝土的总收缩量，可以有效防止裂缝的产生。（2）重点控制混凝土浇筑时的作业温度。GB 504962018大体积混凝土施工标准规定，混凝土浇筑入模后的温度升高值50，内外温差（不包括混凝土收缩当量温度）25，降温速率2/d。保温养护结束时，和周围大气温度差20。在进行混凝土施工时，应当在适宜的温湿度条件下进行，尽可能避开酷热严寒气候。所使用的拌合水进行降温或者加入冰块来搅拌混凝土，或者可对砂、石子等喷洒冰冷水雾或者冷气降温处理。此外，可以采用防晒系统来防止日光直晒，以降低原材料的温度。为了保证质量，拌合站应严格控制混凝土入模时的温度不高于30。通过使用合适的缓凝剂，延迟水泥的初凝时间，进而减小水60建筑科技2023 年 第 4 期泥的水化放热速率，延迟混凝土温度最高值出现的时间，并在一定程度上降低混凝土的最高温升值。除上述的具体措施以外，大体积混凝土在浇筑时，应把握以下原则：夏季施工时，避免在天气炎热、温度较高的条件下浇筑混凝土，防止温差加大引起的温度裂缝；在冬季施工时，应注意防止混凝土的冻裂现象。需密切关注当地的气象条件，尽可能准确预测可能出现的恶劣天气，并且制订好相应的应急预案。（3）做好混凝土浇筑时的相关工作。根据不同工程的特点，为了获得较好的施工效果，混凝土浇筑时可以遵循“平面分段、斜面分级、薄层布料、顺序退打、一次到顶”的原则。除此以外，混凝土的布料厚度不应大于500 mm，混凝土浇筑时，分层厚度需控制在300 mm左右，这样有利于在浇筑初期就进行散热。边下料边进行振捣，上层混凝土浇筑在下层初凝前开始，避免间隔时间过长产生冷缝。在浇筑大体积混凝土时，振捣相对来说是至关重要的，严禁振捣过度或漏振。振捣时振捣棒须与混凝土表层保持垂直，做到“快插慢拔”，每次振捣的时间应控制在1520 s，振捣结束时需确保混凝土表层呈水平状态，不再产生明显的沉降现象，并且表层不会泛浆，有较少或者无气泡冒出。振捣时，应轻微抽动振捣棒，保证上下层振捣均匀，振捣紧跟布料。为保证上下层结合紧密，振捣上层时，振捣棒插入下层的距离为35 cm，行列或交错布设插点，且插点相互之间的距离应当是振捣棒振动有效半径的1.5倍。为了确保混凝土的浇筑质量，特别是模板边缘的混凝土，建议采用小振捣棒进行振捣，赶尽模板边缘的气泡。如果条件允许，在初凝前采取二次振捣，提高混凝土的密实度，减少细微裂缝的形成。（4）确保混凝土的养护工作到位。大体积混凝土在终凝后，应立即进行保湿养护，且持续时间需不少于14 d。采用不同品种的水泥时，养护时间按以下规定：普通硅酸盐水泥14 d，矿渣水泥、火山灰水泥21 d。养护时应依据气候条件采取相应的养护措施，当周围环境气温过高时，需对大体积混凝土采取覆盖塑料薄膜或土工布并洒水进行保湿养护；当气温较低时，可以覆盖棉被或者毛毡等材料进行保温养护，在混凝土内外温差未降至20 以下时，保温养护工作不得结束。3裂缝控制效果分析在承台底部、中部及表面布置测温点，混凝土浇筑的初期温度上升较快，前3 d每4 h一测，温度下降阶段每7 h一测，同时测量周围环境大气温度。对测温数据进行整理分析，选取每日各测点中承台内外温差最大的数据绘制折线图如图1所示。图1承台各测点温度由图1可知，采取合理的施工措施后，可以有效控制大体积混凝土内外温差25。降低混凝土中心温度，可避免因混凝土内外温差过大而产生裂缝。养护结束后，对承台进行检查，未发现有害裂缝。由此可知，控制大体积混凝土内外温差是控制裂缝产生的重要环节。4结语总之，大体积混凝土浇筑时，会受到很多因素的影响，一旦忽视且未采取有效的措施就可能会产生裂缝。为此，应当采用合理选择材料、调整混凝土配合比设计、严格控制浇筑温度、加强大体积混凝土养护等措施以有效防止形成裂缝。除上述以外，为了确保混凝土的施工质量，笔者建议应当全面考虑各种因素，采取正确的做法，并选用适宜的降温措施，以调节施工温度，这对于保证混凝土的施工质量是至关重要的。参考文献：1 谢胜利.客运专线大体积混凝土施工裂缝原因分析与控制C.山东铁道学会，年山东省科协学术年会胶济客运专线相关技术研讨会论文集.出版者不详，2009：154-156.2 覃业艳.地下工程防水与施工工艺J.四川建筑，2006（增刊1）：2.3 张刘鹏，刘飞.房屋建筑工程大体积混凝土结构施工技术研究J.住宅与房地产，2020（21）：184.收稿日期：2023-05-15作者简介：胡坤，本科，助理工程师，从事市政、地铁等基础设施施工工作，现供职于中建一局集团第一建筑有限公司。通信地址：上海市闵行区紫秀路100号虹桥总部2号楼2层。