养护方式对宁波通途路综合管廊混凝土抗裂性能的影响

夏 露,周建敏,冯 蕾,王兴龙,温小栋，*

(1.绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000;2.宁波城市地下空间投资有限公司，浙江 宁波 315000;3.宁波工程学院 浙江省土木工程工业化建造工程技术研究中心，浙江 宁波 315000;4.腾达建设集团股份有限公司，浙江 宁波 315000)

0 引言

城市综合管廊是指建于城市地下用于容纳2类及2类以上城市工程管线的构筑物及附属设施。"十三五"期间，综合管廊累计规划达到10 000 km[1]。根据相关文献可知，大部分在建或已经建成的隧道管廊类工程在侧墙、顶层等部位出现了裂缝[2-3]。混凝土裂缝的存在和发展不仅降低了结构的承载能力，而且容易发生渗漏现象，不利于管廊结构的耐久性和安全性。

按照规范[4]要求，综合管廊工程结构防水等级为二级，结构构件的裂缝等级应为三级，结构构件的最大裂缝宽度应小于或等于0.2 mm，且不得贯通。目前，综合管廊的裂缝控制研究主要集中在后期综合管廊结构的受力性能方面[5-6]，而综合管廊裂缝往往在早期就形成了,因此需对综合管廊混凝土早期裂缝采取控制措施。为探究干旱、大温差环境下最有利的混凝土养护方式，许多研究者展开了相关研究。李强等[7]研究发现相较于自然养护方式，养护剂养护下混凝土抗裂性能最好。康健等[8]经研究表明，养护方式影响混凝土的抗裂性，土工布养护、养护剂养护和保温保湿养护等不同养护方式中，保温保湿养护防止混凝土开裂的效果最佳。也有研究人员提出，在混凝土制备时通过内掺减缩剂的方式来降低毛细管张力，以提高混凝土的抗裂性能，在低水胶质量比、高水泥用量下也能发挥优良的减缩效果[9-10]。但内掺减水剂也为混凝土带来了不利影响，例如降低了混凝土力学性能[11]、影响混凝土拌和物性能、与减水剂间的相容性问题[12-13]，更为重要的是明显增加了混凝土单方成本，制约了其推广应用。

近年来，研究人员提出了混凝土减缩剂喷涂工艺[13-15]，以克服内掺工艺影响混凝土性能的缺点，同时具有明显的经济优势。但目前对减缩剂减缩抗裂效果的研究较少。本文主要研究减缩剂喷涂养护、混凝土养护剂养护及土工布养护3种养护方式对综合管廊混凝土抗裂性能的影响，以探究类似薄壁结构混凝土的最有利养护方式。

1 试验方案

1.1 工程背景

明挖现浇综合管廊工程东起通途路与清水桥路交叉口，西至通途路与世纪大道，世纪大道向北与新晖路相交。明挖段分为两舱，长度约为49 m，两舱净宽分别为2.8 m和2.6 m，净高为3.1 m，管廊的上下顶层与左右两侧厚350 mm，中间间隔厚250 mm，地下综合管廊截面尺寸如图1所示。设计采用C35普通混凝土，设计年限为100年。地下综合管廊混凝土配合比见表1。

图1 地下综合管廊截面尺寸 (单位：m)Fig.1 Cross-sectional size of underground utility tunnel (unit：m)

表1 地下综合管廊混凝土配合比Table 1 Concrete mixing ratio for utility tunnel

1.2 抗裂性试验方法

采用椭圆环法与实体模型试验2种方法研究减缩剂养护、混凝土养护剂养护和土工布养护3种养护方式对综合管廊混凝土抗裂性能的影响。

1.2.1 椭圆环法

椭圆环法试验装置如图2所示。椭圆钢环尺寸:长半轴为105 mm，短半轴为45 mm，高50 mm；椭圆PVC外模尺寸:长半轴为125 mm，短半轴为65 mm，厚20 mm，高50 mm。

进行椭圆环试验时，水泥胶砂环因收缩受到椭圆钢环约束而产生拉应力，这使得试件在较短的时间内产生早龄期收缩裂缝，并可预测裂缝最先出现的位置。水泥胶砂初始开裂时间是椭圆环法评价混凝土抗裂性能的指标。初始开裂时间越迟，混凝土的抗裂性能越好。

本文中水泥胶砂椭圆环抗裂性试验每组2块试验块，共3组。采用的配合比：水胶质量比为0.5，胶砂质量比为0.5，粉煤灰掺量为胶凝材料的18%，矿粉掺量为胶凝材料的25%，减水剂掺量为胶凝材料的0.6%。胶砂试件浇筑后，在椭圆环胶砂表面覆盖塑料薄膜，待其终凝后在椭圆环上涂抹蜡油，阻止水分从椭圆表面散失；24 h后拆除模具，使用毛刷将椭圆环表面刷干净，再用毛刷在试件表面分别涂抹减缩剂、养护剂，并覆盖尼龙布。定期观测裂缝开裂情况，记录裂缝出现的时间、位置、宽度和长度。当第1条贯穿裂缝出现时，停止试验。

1.2.2 实体模型试验法

在现场综合管廊顶层取长约5 m、宽约5.65 m的平板，每块平板上选取6块位置相近、面积大小(600 mm×800 mm)相同的区域进行实体模型试验，如图3所示。

图3 综合管廊混凝土实体试验平板选取示意图 (单位：m)Fig.3 Schematic diagram of full-scale experiment of concrete for utility tunnel(unit：m)

为保证不同区域混凝土的均质性，混凝土通过弯管泵送分段分层方式进行浇筑，经振捣、人工收光等工序后对综合管廊混凝土表面各段按不同的养护方式进行养护。养护结束后，对各区域的裂缝宽度、长度及裂缝数目进行统计，并参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》[16]附录A2推荐的平板法中的总裂缝面积来评价实体模型混凝土的抗裂性能。平板总开裂面积越小，说明混凝土抗裂性能越好。具体计算方法如下。

1)计算平均开裂面积(mm2):

(1)

2)计算单位面积平板的裂缝数量(条/mm2):

Y=N/A。

(2)

3)计算单位面积平板的总裂缝面积(mm2/m2):

Z=XY。

(3)

式(1)-(3)中：Wi为第i条裂缝的最大宽度，mm；li为第i条裂缝的长度，mm；N为总裂缝数目；A为试验板面积28.25 m2。

椭圆环法与实体模型试验中裂缝宽度采用SSS-110型裂缝测宽仪进行测试。

1.3 养护方案

结合当前施工中常用的养护方式，本试验采用混凝土减缩剂养护、养护剂养护及土工布养护3种养护方式进行对比试验。养护方案见表2。

表2 养护方案Table 2 Maintenance schemes

具体养护方案如下。

1)减缩剂养护。采用某公司提供的SBT-SRA(I)减缩剂，其属于聚醚类减缩剂，主要成分为烷基聚氧乙烯醚，具体物化性能指标见表3。从混凝土开始加水搅拌到浇筑完约24 h后，在混凝土表面喷涂减缩剂养护，至混凝土表面湿润为止。喷涂完成后在混凝土表面覆盖土工布，3～4 h后对混凝土进行洒水养护，养护14 d。

表3 减缩剂物化性能指标Table 3 Physico-chemical properties of shrinkage reducer

2)养护剂养护。采用的养护剂为某有限公司提供的Ereducer-201，其属于高分子乳液型，主要成分以苯丙体系为主，具体物化性能指标见表4。从混凝土开始加水搅拌到浇筑约24 h后，在混凝土表面喷涂养护剂，至其表面湿润；喷涂完成后覆盖土工布，3～4 h后进行洒水养护，养护14 d。

表4 养护剂物化性能指标Table 4 Physico-chemical properties of curing agent

3)土工布养护。从混凝土加水开始搅拌到浇筑完约24 h后，在混凝土表面洒水，至其表面湿润；然后用土工布对混凝土进行覆盖，并进行洒水养护，养护14 d。

2 试验结果与分析

2.1 水泥胶砂椭圆环抗裂试验

椭圆环开裂敏感性现场试验见图4。表5示出不同养护方式下椭圆环开裂敏感性试验结果，其中，YH01为混凝土养护剂养护，TG02为湿土工布养护，JS03为减缩剂养护。根据试验结果汇出养护方式与开裂时间、平均裂缝宽度的关系曲线，结果如图5所示。

图5 养护方式与开裂时间、裂缝宽度的关系曲线Fig.5 Relationship among curing method,cracking time and crack width

表5 不同养护方式下椭圆环开裂敏感性试验结果Table 5 Test results of cracking sensitivity of cement mortar elliptical ring

从表5中可知：1)椭圆环约束下水泥胶砂试件裂缝基本出现在长轴45 mm附近；2)土工布和养护剂养护的试件为贯穿性裂缝，减缩剂养护的试件虽然也是贯穿性裂缝，但裂缝宽度较土工布与养护剂养护的小。

从图5中可知：1)与土工布养护相比，减缩剂养护将水泥胶砂试件初始开裂时间从260 h推后了17.3 h，推迟了约6.65%；而养护剂养护则将开裂时间提前了2 h，提前了约0.77%。2)减缩剂养护将椭圆环下约束水泥胶砂试件裂缝宽度从土工布养护下的0.375 mm减小到0.110 mm，即裂缝宽度降低了近70.67%；而混凝土养护剂养护下试件裂缝宽度增加到了0.417 mm，较土工布养护下裂缝开裂宽度增加了11.20%。从裂缝出现的时间和裂缝宽度来看，减缩剂养护下水泥胶砂试件抗裂性能最好，土工布养护方式次之。

2.2 综合管廊混凝土实体模型试验

通过分析综合管廊混凝土的表观质量、开裂情况，评价不同养护方式下综合管廊混凝土抗裂性能的差异。表6示出不同养护方式下综合管廊混凝土开裂情况统计结果。图6和图7分别示出不同养护方式下综合管廊混凝土裂缝形态及表观质量。

表6 不同养护方式下综合管廊混凝土开裂情况统计结果Table 6 Concrete cracks of utility tunnel under different curing methods

从表6中可知：1)减缩剂养护方式下混凝土7 d裂缝数量最少，养护剂养护次之，土工布养护下最多；2)裂缝宽度最大的为养护剂养护，最小的为土工布养护；3)裂缝长度最大的为土工布养护，最小的为减缩剂养护；4)平板总裂缝面积最大的为混凝土养护剂养护，土工布养护次之，最小的为减缩剂养护。综上所述，3种养护方式中减缩剂养护下综合管廊混凝土的抗裂性能最好。

(a) 土工布养护下24 h裂缝形态 (b) 养护剂养护下24 h裂缝形态

(a) 平面图

(a) 土工布养护

(c) 减缩剂养护下24 h裂缝形态 (d) 土工布养护下7 d裂缝形态

(a) 减缩剂养护 (b) 养护剂养护 (c) 土工布养护图7 不同养护方式下综合管廊混凝土表观质量Fig.7 Apparent quality of utility tunnel concrete under different curing methods

从图6中可知，综合管廊混凝土7 d裂缝长度、开裂宽度及数量相比于24 h都有减少。由图7可知：1)减缩剂养护下混凝土表面有较多的微型龟裂缝，无明显麻面；2)养护剂养护下混凝土表面无明显龟裂缝，但有明显麻面；3)土工布养护下混凝土表面有麻面且伴有龟裂缝。

图8示出不同养护方式下7 d龄期混凝土平板的总开裂面积。从图中可知：减缩剂养护方式下混凝土平板总开裂面积最小，为103.43 mm2/m2；土工布养护方式次之，为195.04 mm2/m2；养护剂养护方式下最大，为208.98 mm2/m2。减缩剂养护相比于土工布养护混凝土平板总开裂面积减少了46.97%，养护剂养护相比于土工布养护混凝土平板总开裂面积增加了7.15%，减缩剂养护相比于养护剂养护混凝土平板总开裂面积降低了近50.51%。

图8 不同养护方式下7 d龄期混凝土平板的总开裂面积Fig.8 Total cracking areas concrete after 7 days of curing under different curing methods

综上所述，从裂缝数目、裂缝最大宽度、裂缝最大长度和平板总开裂面积等方面分析可知，在养护方式选择方面，减缩剂养护方式下综合管廊混凝土抗裂性能最好，土工布与混凝土养护剂养护相差不大。对于综合管廊箱梁式薄壁地下结构工程，为提高其早期混凝土抗裂性能，减缩剂养护方式可作为首选。

2.3 减缩机制分析

混凝土表面喷涂减缩剂的减缩作用机制与内掺减水剂工艺相同，除了可以降低孔溶液中K+、Na+含量及毛细孔中水的表面张力之外，还可以减少试件内部水分蒸发量，减小收缩[13，17]。虽然喷涂减缩剂只能作用于混凝土表面10 mm的区域[18]，但这一区域的水分是非常容易散失的，因此降低该区域因混凝土毛细孔失水而引起的收缩应力，可提高表层混凝土的抗裂性能[19]。高分子乳液养护剂的作用机制为高分子乳液在混凝土表层干燥后形成一层薄膜，该膜可对混凝土表层的毛细孔进行紧密封闭以抑制混凝土内部的水分蒸发,达到养护的目的[20]。土工布养护机制主要是使混凝土表面达到保湿效果，起保水作用。

综上所述，减缩剂养护优于其他2种养护方式的主要原因是其可以通过降低混凝土孔溶液的表面张力及水泥石总孔隙率和毛细孔数量，进而有效减小混凝土干燥收缩及自收缩。养护剂养护比土工布养护混凝土开裂更敏感的原因可能是养护剂养护下混凝土表面形成的薄膜受混凝土表面的水、热作用而破坏，以致混凝土表面水分蒸发产生区域性差异，从而使得平板总开裂面积增大，因此喷涂养护剂需要考虑成膜后的耐热性、浸水溶解性。

3 结论与建议

针对综合管廊混凝土的早期抗裂性能,本文基于不同的养护方式，通过椭圆环法和实体模型试验方法进行相关研究，得出以下主要结论及建议。

1)养护方式会影响混凝土的抗裂性能，在本次试验中，喷涂聚醚类减缩剂养护对提高混凝土抗裂性能的能力明显高于土工布和高分子乳液混凝土养护剂，其能推迟裂缝开裂时间，且很大程度上降低了管廊混凝土平板的总开裂面积。

2)在混凝土的早龄期内，混凝土裂缝发展较快，常规的养护方法满足不了其抗裂要求，必须采取相应的保护措施防止混凝土开裂。经过研究，对于综合管廊混凝土薄壁结构建议采取减缩剂养护的方式来提高混凝土的抗裂性能；此外，混凝土表面喷涂养护剂养护时需要考虑成膜后的耐热性、浸水溶解性。

本文仅研究了不同养护方式下综合管廊混凝土抵抗干燥收缩与自收缩开裂的能力，对于综合管廊薄壁混凝土结构水化温升引起的温度裂缝并未展开研究。因此，建议进一步研究施工工艺对薄壁混凝土结构温度裂缝的影响。