王仲平

上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司 上海 200092

作為重要的建筑材料，混凝土在現(xiàn)代建筑工程中發(fā)揮了重要的作用。與其他建材相比，混凝土具有價(jià)格低廉、強(qiáng)度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，因此，在地鐵車(chē)站等大型構(gòu)筑物建設(shè)中廣泛應(yīng)用。

混凝土是粗細(xì)骨料、水泥以及水按照一定比例，經(jīng)過(guò)攪拌而成的非均質(zhì)復(fù)合材料，在粗骨料和砂漿之間含有大量的原生微裂縫，為混凝土開(kāi)裂提供了先天的條件。混凝土裂縫的發(fā)展與外部環(huán)境息息相關(guān)，引起混凝土開(kāi)裂的因素主要有溫度、不均勻收縮、荷載等?；炷灵_(kāi)裂會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性，因此，混凝土的開(kāi)裂問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)都是困擾人們的難題。針對(duì)混凝土的開(kāi)裂機(jī)理及影響因素已開(kāi)展了大量的研究[1-4]。王沖等[5]利用微量熱儀法研究了細(xì)度對(duì)水泥水化熱及水化放熱速度的影響規(guī)律，利用非接觸式激光位移傳感器和集中約束平板法測(cè)試了不同細(xì)度水泥混凝土的早期收縮變形與開(kāi)裂；李云峰等[6]分析不同種類(lèi)摻合料對(duì)混凝土早期開(kāi)裂性能的影響；車(chē)乘乘等[7]研究再生細(xì)骨料替代率、水灰比、砂率對(duì)混凝土塑性收縮開(kāi)裂性能的影響，并用圖像處理技術(shù)對(duì)混凝土的裂縫進(jìn)行了分析；胡兵等[8]研究了體表比對(duì)混凝土干燥收縮的影響以及混凝土軸向抗拉強(qiáng)度和彈性模量與齡期的關(guān)系；李鳳木[9]分析了大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中產(chǎn)生裂縫的危害及控制裂縫的相應(yīng)措施。

目前，針對(duì)混凝土開(kāi)裂的影響因素研究主要集中在溫度、摻合料配比、養(yǎng)護(hù)條件影響等方面，對(duì)施工、養(yǎng)護(hù)階段外部約束條件對(duì)混凝土裂縫發(fā)展的影響研究較少。由于約束條件的不同，同一工程中不同澆筑段的混凝土開(kāi)裂情況參差不齊，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性和強(qiáng)度產(chǎn)生了較大影響。本文在混凝土開(kāi)裂機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析方法建立了混凝土開(kāi)裂損傷模型，分析了不同約束條件下混凝土裂縫的發(fā)展規(guī)律，并提出了混凝土抗裂措施。

1 工程背景

上海軌交15號(hào)線北起寶山顧村公園站，南至紫竹高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)，途經(jīng)寶山、普陀、長(zhǎng)寧、徐匯及閔行等5個(gè)行政區(qū)，對(duì)帶動(dòng)沿線區(qū)域發(fā)展、均衡沿線相交軌道路線客流有著重要作用。

軌交15號(hào)線共設(shè)置30個(gè)車(chē)站，其中羅秀路站位于老滬閔路與羅秀路路口，設(shè)于老滬閔路路中，沿老滬閔路南北向敷設(shè)。車(chē)站采用疊合墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯墻、梁、板和墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C35。

上海地區(qū)為典型的富水軟土地層，具有含水量高、滲透性強(qiáng)、強(qiáng)度低、靈敏度高等特點(diǎn)。在疊合墻結(jié)構(gòu)中，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的限制，易發(fā)生開(kāi)裂并引發(fā)滲漏水問(wèn)題，對(duì)地下車(chē)站的防水及耐久性產(chǎn)生不利影響。

2 混凝土開(kāi)裂原理

混凝土的開(kāi)裂主要是由變形不協(xié)調(diào)引起的。混凝土在澆筑過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，隨著溫度逐漸下降，混凝土結(jié)構(gòu)逐漸收縮。由于混凝土邊緣受到約束作用，混凝土內(nèi)部因無(wú)法自由變形而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土內(nèi)部的原生微裂縫將逐漸發(fā)展并造成混凝土開(kāi)裂。

設(shè)α為混凝土熱膨脹系數(shù)，則混凝土的拉伸應(yīng)變?chǔ)舤與溫降ΔT之間的關(guān)系如式（1）所示：

根據(jù)JGJ/T 317—2014《建筑工程裂縫防治技術(shù)規(guī)程》，混凝土拉應(yīng)力和拉應(yīng)變之間的關(guān)系如式（2）所示：

式中：Ec——混凝土彈性模量；

φt——混凝土徐變系數(shù)，取值2.5。

當(dāng)拉應(yīng)力σt超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度σp時(shí)，混凝土發(fā)生開(kāi)裂，如式（3）所示：

通過(guò)式（3）可以看出，可通過(guò)降低溫降、提高抗拉強(qiáng)度等方法來(lái)提高混凝土的抗裂性能，除此之外，還可通過(guò)優(yōu)化混凝土的約束條件來(lái)降低混凝土開(kāi)裂的可能性。

3 混凝土開(kāi)裂計(jì)算模型

3.1 混凝土開(kāi)裂損傷模型

混凝土損傷塑性模型（CDP模型）的本構(gòu)方程如式（4）所示：

式中：σ ——應(yīng)力張量；

d——損傷因子；

D0el——材料的初始（無(wú)損）剛度；

Del=（1—d）D0el——有損剛度；

ε ——應(yīng)變張量；

εpl——應(yīng)變塑性部分。

根據(jù)CDP模型參數(shù)，計(jì)算得出混凝土損傷計(jì)算參數(shù)，如表1、表2所示。

表1 C35混凝土抗拉損傷計(jì)算參數(shù)

表2 C35混凝土抗拉損傷計(jì)算參數(shù)

3.2 有限元計(jì)算模型

由于車(chē)站結(jié)構(gòu)龐大，為降低水化熱，車(chē)站側(cè)墻結(jié)構(gòu)澆筑方式一般采用分區(qū)分塊澆筑。采用Abaqus/Dynamic建立混凝土損傷數(shù)值分析模型，如圖1所示。單元類(lèi)型coupled temperature-displacement，每個(gè)混凝土分塊均為一次性澆筑完成，寬度為20 m，高度為12 m?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C35，水化熱最高溫度為70 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，混凝土對(duì)流換熱系數(shù)為2?；炷僚蛎浵禂?shù)與溫度之間的關(guān)系見(jiàn)表3，其他計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4。

各混凝土分塊根據(jù)其位置和施工方法的不同，其邊界約束條件也不同，而邊界約束條件將會(huì)限制混凝土墻體的變形，對(duì)混凝土裂縫的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。為研究邊界約束條件及水化熱對(duì)混凝土開(kāi)裂的影響，考慮5種常見(jiàn)的邊界約束條件，如圖2所示。

圖1 混凝土損傷計(jì)算模型

表3 混凝土膨脹系數(shù)與溫度之間的關(guān)系

表4 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)

圖2 混凝土邊界約束類(lèi)型

4 混凝土裂縫發(fā)展規(guī)律分析

不同邊界約束條件下的混凝土裂縫發(fā)展及分布如圖3～圖7所示。

圖3為混凝土底部邊界受到水平和豎向約束條件下的混凝土開(kāi)裂情況。首先在底邊中部出現(xiàn)垂直于邊界的短裂縫，隨后該裂縫隨著混凝土收縮逐漸向上發(fā)展。隨著溫度的繼續(xù)降低，左右上方各開(kāi)始出現(xiàn)斜向上45°的斜裂縫。當(dāng)溫度降至環(huán)境溫度時(shí)，中部的垂直裂縫上下貫通。在裂縫發(fā)展過(guò)程中并未出現(xiàn)明顯的主裂縫。

圖3 工況一裂縫分布

圖4 工況二裂縫分布

圖5 工況三裂縫分布

圖6 工況四裂縫分布

圖7 工況五裂縫分布

圖4為混凝土底部和右邊界受到水平和豎向約束條件下的混凝土開(kāi)裂情況。首先在底邊出現(xiàn)垂直于底邊的短裂縫，同時(shí)右側(cè)邊的角部開(kāi)始出現(xiàn)45°斜裂縫。隨著溫度繼續(xù)降低，左側(cè)自由邊界逐漸出現(xiàn)一組斜向上的裂縫，同時(shí)在右下方出現(xiàn)了長(zhǎng)度和寬度較大的主裂縫，在主裂縫基礎(chǔ)上出現(xiàn)了新的微裂縫，這些微裂縫基本呈斜向上45°分布。

圖5為混凝土底部、左側(cè)以及右側(cè)邊界受到水平和豎向約束條件下的混凝土裂縫發(fā)展情況。首先在左右下角部各出現(xiàn)1條微裂縫，該裂縫與底邊呈45°傾斜，同時(shí)底邊也出現(xiàn)2條斜裂縫。隨著溫度繼續(xù)降低，底邊上的2條斜裂縫垂直向上發(fā)展形成2條主裂縫，在該主裂縫上又生成了多條次生裂縫。當(dāng)混凝土溫度降至常溫時(shí)，裂縫發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定，最終形成底邊2條垂直主裂縫、多條次生斜裂縫的分布格局。

圖6為混凝土上下邊界及右邊界均受到水平和豎向約束條件下的混凝土裂縫發(fā)展情況。首先在上下邊界處各出現(xiàn)1個(gè)傾斜的微裂縫，呈45°向左側(cè)發(fā)展，同時(shí)右側(cè)出現(xiàn)了垂直于邊界的短裂縫。隨著溫度逐漸降低，2條斜裂縫繼續(xù)斜向發(fā)展并逐漸發(fā)展成為主裂縫，右半邊短裂縫數(shù)量逐漸增多，裂縫寬度逐漸增大。

圖7為混凝土上下邊界、左右邊界均受到水平和豎向約束條件下的混凝土裂縫發(fā)展情況。首先在混凝土4個(gè)邊附近出現(xiàn)垂直于所在邊的短裂縫。隨后這些短裂縫逐漸向邊界和內(nèi)部發(fā)展，出現(xiàn)斜裂縫，原本相互獨(dú)立的裂縫相互貫通。在4個(gè)邊界都約束的情況下，各個(gè)裂縫的寬度和長(zhǎng)度基本一致，因此沒(méi)有主裂縫和微裂縫之分，并形成四周為垂直短裂縫、內(nèi)部為相互交錯(cuò)的斜裂縫的分布格局。

通過(guò)上述分析可以看出，工況一中的裂縫數(shù)量最多，但沒(méi)有形成主裂縫，裂縫寬度和長(zhǎng)度較?。还r二的裂縫數(shù)量較多，且存在主裂縫；工況三和工況四的裂縫數(shù)量較少，但裂縫寬度和長(zhǎng)度比較大；工況五的裂縫數(shù)量多，且裂縫寬度較大。因此，工況一的邊界約束條件有利于混凝土裂縫控制。

5 混凝土抗裂措施及其效果

為減少混凝土開(kāi)裂、控制裂縫發(fā)展，應(yīng)適當(dāng)減少混凝土澆筑區(qū)段的邊界約束條件：預(yù)留后澆帶，減少混凝土邊界約束條件，使得混凝土可以收縮變形，減少收縮應(yīng)力，降低混凝土開(kāi)裂的可能性；對(duì)抗裂和防水要求比較高的區(qū)段，可適當(dāng)優(yōu)先澆筑。

此外，為降低混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，提高車(chē)站結(jié)構(gòu)的防水性能及耐久性，在混凝土拌和過(guò)程中添加HME-V混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑。該抗裂劑可延緩混凝土放熱速度，降低水化熱峰值溫度，同時(shí)延長(zhǎng)降溫過(guò)程，從而達(dá)到抗裂效果。該抗裂劑具體參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 HME-V混凝土高效抗裂劑參數(shù)

為檢測(cè)HME-V抗裂劑的抗裂效果，采用徠卡全站掃描儀Nova MS60對(duì)車(chē)站側(cè)墻進(jìn)行裂縫掃描，如圖8所示。

圖9為掃描得到的混凝土局部點(diǎn)陣圖，可以看出圖中的區(qū)域A和區(qū)域B中出現(xiàn)了微小裂縫。該裂縫主要分布在相鄰分塊澆筑混凝土接縫處，這是由于先后澆筑混凝土之間存在溫度差，混凝土收縮不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的。通過(guò)裂縫形態(tài)及尺寸可以看出，這些裂縫長(zhǎng)度較短，屬于表面裂縫，因此不會(huì)引起混凝土滲漏。

圖8 混凝土裂縫現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

圖9 混凝土局部點(diǎn)陣圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文建立了混凝土損傷數(shù)值模型，對(duì)不同邊界約束條件下的混凝土裂縫發(fā)展規(guī)律及特點(diǎn)進(jìn)行分析，得到如下主要結(jié)論：

1）混凝土本身存在原生微裂縫，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即發(fā)生開(kāi)裂?；炷灵_(kāi)裂受到溫降、混凝土強(qiáng)度以及邊界約束條件的影響。

2）混凝土裂縫形態(tài)與邊界約束條件有關(guān)，當(dāng)只有混凝土澆筑塊底部約束時(shí)，裂縫數(shù)量較多，但裂縫尺寸較小，對(duì)混凝土防水有利。

3）在邊界約束較多時(shí)，混凝土收縮變形受到限制，盡管裂縫數(shù)量較少，但裂縫長(zhǎng)度和寬度較大，不利于混凝土防水。

4）在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，可通過(guò)預(yù)留后澆筑帶、優(yōu)先澆筑重點(diǎn)防水位置、添加高效抗裂劑等措施來(lái)降低車(chē)站混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，提高防水性能。