孫 彰，肖新瑜，羅人賓

（1、深圳地鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 深圳 518035；2、廣州城市理工學(xué)院 廣州 510800）

0 引言

混凝土開(kāi)裂是工程中普遍存在的現(xiàn)象，主要由外荷載和變形引起［1］。裂縫的開(kāi)展源于裂縫處材料的最大拉應(yīng)力大于實(shí)際抗拉強(qiáng)度，對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和超大尺寸結(jié)構(gòu)而言，混凝土的裂縫中有80%是非荷載因素造成的［2］。結(jié)構(gòu)在約束狀態(tài)下，承受混凝土收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力的影響，在早期容易出現(xiàn)收縮裂縫和溫度裂縫［3］?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010》［4］中規(guī)定，為減小收縮與溫度變化等因素引起開(kāi)裂，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)置伸縮縫的最大間距建議值為30 m。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)公建項(xiàng)目的體量越來(lái)越大，但有些特殊的大體量結(jié)構(gòu)，如地鐵工程結(jié)構(gòu)，受結(jié)構(gòu)功能和環(huán)境因素制約，變形縫相對(duì)其他建筑結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，一般采用不設(shè)或少設(shè)伸縮縫處理，從而也導(dǎo)致需要承受車輛動(dòng)荷載的地鐵工程車輛段的側(cè)壁和上蓋的尺寸遠(yuǎn)超過(guò)文獻(xiàn)［4］要求，因此需要有較為有效的防裂措施保證混凝土不出現(xiàn)早期裂縫。目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的混凝土防裂措施有3 種［5］：預(yù)應(yīng)力混凝土、纖維混凝土和收縮補(bǔ)償混凝土。其中纖維混凝土主要有鋼纖維和聚丙烯纖維、PVA 纖維等?；炷林袚饺肜w維，能在混凝土內(nèi)部形成較為均勻的亂向支撐體系，提高混凝土的粘聚性，有效抑制混凝土開(kāi)裂方向的任意性，減少裂縫的寬度和數(shù)量［6-10］。

目前工程領(lǐng)域中，采用聚丙烯纖維、PVA 纖維進(jìn)行工程運(yùn)用較多，對(duì)鋼纖維的實(shí)際運(yùn)用案例較少，本文結(jié)合深圳地鐵某車輛段大平臺(tái)混凝土頂板項(xiàng)目，對(duì)摻加了鋼纖維的混凝土和常規(guī)抗?jié)B混凝土進(jìn)行對(duì)比研究，比對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和抽樣試驗(yàn)結(jié)果，探索大分塊混凝土結(jié)構(gòu)抗裂能力的提升方法，為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

深圳地鐵某車輛段位于沈海高速公路以北，秀沙路以西，淡水河南側(cè)，占地面積約為40.73 公頃，車輛段預(yù)留上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)條件并設(shè)置2 座上蓋橋梁，主要包含大架修庫(kù)、運(yùn)用庫(kù)、物資總庫(kù)、咽喉區(qū)、綜合體等18個(gè)蓋內(nèi)外建筑單體，如圖1所示。

圖1 深圳地鐵某車輛段平面示意圖Fig.1 Plan Diagram of a Shenzhen Metro Depot

該車輛段上蓋平臺(tái)建筑面積為237 298 m2，平面尺寸可長(zhǎng)達(dá)400～500 m，寬200～300 m。為減少變形縫數(shù)量，兼顧塔吊作業(yè)范圍，大平臺(tái)頂板共分為11 個(gè)施工區(qū)，平均每塊面積約21 000 m2，如圖2所示。分塊后的11 個(gè)板塊仍屬于大平臺(tái)分塊，遠(yuǎn)超過(guò)文獻(xiàn)［4］建議的最大變形縫間距30 m的要求［3］。其中施工七區(qū)采用添加鋼纖維的混凝土，為試驗(yàn)區(qū)，施工一區(qū)采用未添加鋼纖維的普通商品混凝土，混凝土等級(jí)為C35，抗?jié)B等級(jí)為P6，為對(duì)比區(qū)。兩個(gè)施工區(qū)板厚均為200 mm，均根據(jù)施工需要設(shè)置二級(jí)分區(qū)，二級(jí)分區(qū)面積相近，均為2 500 mm2左右，二級(jí)分區(qū)預(yù)留后澆帶，以有效釋放混凝土收縮成型變形能，后澆帶寬800 mm，間距為30～50 mm［11］，混凝土早期約束條件相近。

圖2 深圳地鐵某車輛段施工分區(qū)Fig.2 The Construction Division of a Shenzhen Metro Depot

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 鋼纖維混凝土配置

本工程試驗(yàn)塊所采用的混凝土需考慮工程經(jīng)濟(jì)性，添加的鋼纖維含量應(yīng)滿足并貼近《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程：JGJ∕T 221—2010》［12］5.3 節(jié)鋼纖維混凝土的纖維體積率下限要求，同時(shí)減少原材料中的膠凝材料，優(yōu)化前后的材料配量如表1所示：膠凝材料用量從原配合比336 kg 調(diào)整到295 kg，粉煤灰占膠凝材料總量20%以內(nèi)，添加30 kg 普通鋼纖維，纖維長(zhǎng)度20～60 mm，直徑0.3～0.9 mm，長(zhǎng)徑比30～80 之間，鋼纖維體積率為0.38%，貼近文獻(xiàn)［12］規(guī)定的普通鋼纖維混凝土中的纖維體積率下限要求0.35%。優(yōu)化前后的水膠比相當(dāng)，保證混凝土強(qiáng)度相當(dāng)。

表1 優(yōu)化前后的材料配量Tab.1 Material Allocation before and after Optimization

對(duì)鋼纖維混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，為了保證纖維均勻分散在混凝土中，先將纖維和粗、細(xì)骨料干拌，以較好打散鋼纖維，再加入其他材料共同濕拌。保證優(yōu)化前后的混凝土拌合物具有良好的和易性，不得離析、泌水或纖維聚團(tuán)，保證鋼纖維混凝土和普通混凝土的坍落度相當(dāng)。

纖維混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中不應(yīng)離析和分層。當(dāng)纖維混凝土拌合物因運(yùn)輸或等待澆筑的時(shí)間較長(zhǎng)而造成坍落度損失較大時(shí)，需在卸料前摻入適量減水劑進(jìn)行攪拌，但不得加水?？杀眯詰?yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程：JGJ∕T 10—2011》［13］的規(guī)定。

2.2 混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)與分析

混凝土收縮和溫度變化均會(huì)引起結(jié)構(gòu)板在平面內(nèi)的變形，大平臺(tái)結(jié)構(gòu)頂板厚度200 mm，混凝土本身已具備較好的散熱條件，與外環(huán)境溫差小，降溫速率適中。因此忽略溫度應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，主要考慮大尺寸結(jié)構(gòu)收縮應(yīng)力的影響。

為了驗(yàn)證鋼纖維混凝土和普通混凝土對(duì)收縮應(yīng)力的影響，本項(xiàng)目對(duì)試驗(yàn)區(qū)和對(duì)比區(qū)分別預(yù)埋了12個(gè)傳感器，位置為：在頂板上部鋼筋處共布置4 個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位沿平行于長(zhǎng)邊和垂直于長(zhǎng)邊兩個(gè)方向各布置1個(gè)傳感器，共計(jì)8個(gè)傳感器，在下部鋼筋處共布置2 個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位沿平行于長(zhǎng)邊和垂直于長(zhǎng)邊兩個(gè)方向各布置1 個(gè)傳感器，共計(jì)4 個(gè)傳感器。如圖3 所示，奇數(shù)表示水平方式的應(yīng)變片編號(hào)，偶數(shù)表示豎直方向的應(yīng)變片編號(hào)，實(shí)心表示應(yīng)變片放置于板底，空心表示應(yīng)變片放置于板頂。本文采用的測(cè)試點(diǎn)編號(hào)為：YL2-應(yīng)變片編號(hào)。普通混凝土監(jiān)測(cè)時(shí)間為9 d，鋼纖維混凝土監(jiān)測(cè)時(shí)間為17 d，采集儀每間隔30 min 自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并上傳至安全監(jiān)測(cè)云信息平臺(tái)。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)Fig.3 Monitoring Point Number

2.2.1 確定應(yīng)變零點(diǎn)及有效數(shù)據(jù)

實(shí)際應(yīng)變零點(diǎn)的確定關(guān)系到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為準(zhǔn)確確定應(yīng)變零點(diǎn)，該項(xiàng)目同一板塊保證同天完成澆筑，但由于混凝土不可能在同一時(shí)間統(tǒng)一澆筑完成，澆筑過(guò)程中存在時(shí)間差導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)具有滯后性，并且應(yīng)考慮澆搗過(guò)程中存在著對(duì)測(cè)試點(diǎn)位置的擾動(dòng)，因此采用溫度數(shù)據(jù)突變和相對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)突變相結(jié)合的方式確定實(shí)際應(yīng)變零點(diǎn)。

以YL2-10為例，如圖4 所示，傳感器測(cè)量的初始溫度為19.98 ℃，該溫度為鋼纖維混凝土開(kāi)始澆筑時(shí)的大氣溫度。該初始溫度下實(shí)驗(yàn)儀器記錄應(yīng)變零點(diǎn)。在0.7 d的位置，略微下降的溫度曲線出現(xiàn)溫度突變，處于相對(duì)零點(diǎn)左右的相對(duì)應(yīng)變曲線出現(xiàn)了突變，對(duì)應(yīng)溫度22.12 ℃為實(shí)際的入模溫度，與入模溫度相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)A為實(shí)際的應(yīng)變零點(diǎn)位置。普通混凝土在大氣溫度為26.57 ℃時(shí)開(kāi)始進(jìn)行澆筑，傳感器測(cè)量開(kāi)始測(cè)量數(shù)據(jù)，并記錄為應(yīng)變零點(diǎn)。在0.2～0.3 d的位置，略微下降的溫度曲線出現(xiàn)溫度突變，處于相對(duì)零點(diǎn)左右的相對(duì)應(yīng)變曲線出現(xiàn)了2 個(gè)較大突變，可以考慮此時(shí)澆筑對(duì)應(yīng)變片產(chǎn)生擾動(dòng)作用，可以確定34.45 ℃為實(shí)際入模溫度，點(diǎn)B為實(shí)際的應(yīng)變零點(diǎn)位置。

圖4 YL2-10入模溫度與實(shí)際應(yīng)變零點(diǎn)位置Fig.4 Mold Entry Temperature and Actual Strain Zero Position of YL2-10

YL2-1 與YL2-2 數(shù)據(jù)缺失，無(wú)法準(zhǔn)確獲得普通混凝土的大氣溫度，其他測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的大氣溫度、入模溫度如表2 所示。鋼纖維混凝土對(duì)應(yīng)的大氣溫度在19～25℃之間，入模溫度為25～32 ℃；普通混凝土對(duì)應(yīng)的大氣溫度為26～29 ℃，入模溫度為30～45 ℃，根據(jù)混凝土入模溫度不宜超過(guò)35 ℃的要求，選擇YL2-3及YL2-10作為比對(duì)的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并以入模溫度確定實(shí)際應(yīng)變零點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

表2 測(cè)試點(diǎn)大氣溫度及入模溫度Tab.2 The Atmospheric Temperature of the Test Point and the Temperature of the Mold （℃）

考慮應(yīng)變片安裝位置、傳感器穩(wěn)定性因素的影響，對(duì)鋼纖維混凝土及普通混凝土關(guān)于溫度-相對(duì)應(yīng)變分析，剔除測(cè)量過(guò)程中的畸變點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2.2 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

如表3 所示，對(duì)比YL2-3 與YL2-10 試驗(yàn)點(diǎn)的入模溫度和大氣溫度的溫度差后發(fā)現(xiàn)，鋼纖維混凝土和普通混凝土的溫度差集中在2～8℃之間，鋼纖維混凝土溫度差的平均值為4 ℃，普通混凝土的溫度差平均值為5.6 ℃，鋼纖維混凝土相對(duì)比普通混凝土，可以適當(dāng)降低入模溫度，但不存在明顯優(yōu)勢(shì)。

表3 入模溫度和大氣溫度的溫度差Tab.3 The Temperature Difference between the Mold Temperature and the Atmosphere Temperature （℃）

結(jié)構(gòu)的抗裂性能與混凝土的累計(jì)應(yīng)變關(guān)系密切，在約束條件下大尺寸混凝土產(chǎn)生收縮變形中，支座處的早期開(kāi)裂相對(duì)于其他部位更加明顯，因此本文主要對(duì)支座處的YL2-3、YL2-4、YL2-7、YL2-8 的時(shí)間-累計(jì)負(fù)應(yīng)變進(jìn)行分析，其中普通混凝土監(jiān)測(cè)時(shí)間為9 d，鋼纖維混凝土監(jiān)測(cè)時(shí)間為17 d，為保證時(shí)間的統(tǒng)一性，均采用前9 d的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

混凝土?xí)r間-累計(jì)應(yīng)變?nèi)鐖D5 所示，鋼纖維混凝土數(shù)據(jù)分布較為集中，累計(jì)負(fù)應(yīng)變的分布范圍集中在（-100～100）με，普通混凝土累計(jì)應(yīng)變分布范圍集中在（-150～0）με?？梢钥闯觯谙嗤募s束條件和相同的板塊尺寸條件下，鋼纖維混凝土能有效減少初期應(yīng)變量，達(dá)到較好的抗裂效果。

圖5 混凝土?xí)r間-累計(jì)應(yīng)變Fig.5 Time-accumulated Strain of Concrete

3 抽樣試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定鋼纖維混凝土早期抗裂性能，對(duì)昂鵝車輛段大平臺(tái)頂板的混凝土現(xiàn)場(chǎng)取樣，進(jìn)行早期抗裂性能試驗(yàn)和收縮率試驗(yàn)。

3.1 早期抗裂性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用尺寸為800 mm×600 mm×100 mm 平面薄板型試件進(jìn)行早期抗裂試驗(yàn)，混凝土采用型號(hào)為SB-87 強(qiáng)制式單臥軸混凝土攪拌機(jī)制作，試驗(yàn)規(guī)程依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法：GB∕T 50082—2009》［14］。

本試驗(yàn)每組試件為2 個(gè)，分別定義為試件1 和試驗(yàn)2，對(duì)試件早期的抗裂結(jié)構(gòu)根據(jù)文獻(xiàn)［14］對(duì)裂縫名義面積、裂縫條數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算后，計(jì)算24 h 的混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果，如表4所示。

從表4 可以看出，單個(gè)試件每條裂縫的平均開(kāi)裂面積，鋼纖維混凝土相對(duì)普通混凝土試件降低了近50%，但單個(gè)試件單位面積上裂縫數(shù)量，鋼纖維混凝土并不存在絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，裂縫數(shù)目與普通混凝土相當(dāng)。由此可以得出結(jié)論：加入鋼纖維的混凝土由于纖維本身具有較高的抗拉強(qiáng)度和與水泥有很好的粘結(jié)力，能夠有效控制裂縫的擴(kuò)展，早期抗裂強(qiáng)度明顯優(yōu)越于普通的混凝土，但采用以文獻(xiàn)［12］下限的鋼纖維含量對(duì)于控制裂縫數(shù)量效果不明顯。

表4 混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果（24 h）Tab.4 The Results of Early Crack Resistance Test of Concrete（24 h）

3.2 收縮率試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×515 mm 的試模進(jìn)行收縮率試驗(yàn)，混凝土采用型號(hào)為SS-01 的收縮膨脹儀測(cè)量，試驗(yàn)期齡為移入恒溫恒濕的室內(nèi)環(huán)境后開(kāi)始計(jì)算，試驗(yàn)規(guī)程依據(jù)文獻(xiàn)［14］。

混凝土收縮率如圖6 所示：試驗(yàn)7 d 內(nèi)，鋼纖維混凝土收縮率相對(duì)于普通混凝土的收縮率增長(zhǎng)較慢，但28 d 后的鋼纖維混凝土與普通混凝土收縮率基本相同，由此可以得出結(jié)論：鋼纖維能有效抑制混凝土早期的收縮變形，但對(duì)混凝土后期收縮的抑制作用不存在明顯優(yōu)勢(shì)。

圖6 試驗(yàn)齡期-混凝土收縮率關(guān)系Fig.6 Relationship between Test Age and Concrete Shrinkage

4 結(jié)論

本工程針對(duì)大尺寸混凝土結(jié)構(gòu)采取了多種措施進(jìn)行裂縫控制，如優(yōu)先采用水化熱較低的混凝土，低收縮率、低開(kāi)裂性、低泌水率的水泥膠凝材料等，保證工程結(jié)構(gòu)能夠滿足一級(jí)抗?jié)B防水要求，在此基礎(chǔ)上對(duì)鋼纖維混凝土的優(yōu)越性進(jìn)行了分析，可以得出以下結(jié)論：

⑴現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要對(duì)應(yīng)變量變化的分析，判斷現(xiàn)混凝土入模溫度及大氣溫度及實(shí)際的應(yīng)變零點(diǎn)，該方法可為類似工程分析提供參考。

⑵用鋼纖維混凝土可以適當(dāng)降低入模溫度。

⑶鋼纖維能夠有效減少初期應(yīng)變量，提高早期的抗拉性能，控制裂縫的擴(kuò)展，但對(duì)抑制裂縫數(shù)量效果不明顯。

⑷加鋼纖維能夠有效控制混凝土的早期收縮變形，但對(duì)后期收縮的抑制作用不存在明顯優(yōu)勢(shì)。

⑸鋼纖維材料成本較高，考慮工程經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于早期抗裂要求高或者無(wú)法避免需采用大尺寸的混凝土構(gòu)件，對(duì)鋼纖維的含量采用文獻(xiàn)［12］下限即可達(dá)到減少應(yīng)變的效果，提高抗裂能力。