地鐵工程混凝土開裂原因及綜合防治

地鐵工程混凝土開裂原因及綜合防治【摘要】地鐵工程混凝土結構開裂主要是受兩類荷載的作用，影響其開裂的因素主要有材料選擇、結構設計、施工技術、環境條件等四個方面。基于這四方面的影響因素，提出一套分別從選材、施工及設計三個方面統籌兼顧的綜合防治思路。【關鍵詞】地鐵；混凝土；開裂；防治1引言 地鐵是人類利用地下空間的一種有效形式。地鐵工程屬大體積地下工程，技術復雜，投資巨大，百年大計，混凝土除強度等級要滿足結構要求外，還必須考慮混凝土,結構的耐久性和可靠性，滲漏就是一個重要的控制環節。如何防治地鐵工程滲漏已成為科研、設計、施工單位研究的重要課題。從現澆混凝土結構滲漏機理來分析：主要原因是由于混凝土自身的孔隙、裂縫、施工縫造成的，而裂縫的危害最大，因此，對混凝土結構的開裂原因及防治措施的研究就成為一個重要課題。2地鐵工程混凝土裂縫成因機理分析 據國內研究資料，嚴格意義上的混凝土裂縫包括微觀裂縫和宏觀裂縫。觀裂縫是混凝土在硬結過程中形成的微觀裂縫與微孔，可分為砂漿裂縫、黏結裂縫和骨料裂縫。混凝土未受力之前，微觀裂縫主要是前兩種。混凝土受力后，微觀裂縫與微孔逐漸連通，形成宏觀裂縫。從裂縫尺寸上講，寬度小于0.05mm的裂縫稱為微觀裂縫，大于0.05mm的裂縫稱為宏觀裂縫。而據國內試驗資料[3]，裂縫寬度小于0.1mm時具有自愈、自封現象，當裂縫寬度在0.1mm～0.2mm之間時混凝土結構雖無自封現象，但卻有自愈現象。故從防滲角度而言，控制宏觀裂縫的產生就成為地鐵抗裂防滲的關鍵所在。 地鐵工程混凝土與其它混凝土結構一樣，宏觀裂縫是在兩類荷載作用下產生并擴展的。一類是由靜荷載、動荷載與結構次應力組成的荷載，另一類是由溫度、脹縮、不均勻沉降等因素產生的荷載。這兩種荷載引起裂縫的機理是有區別的，區別在于后者產生裂縫的起因是結構首先要求變形，當變形得不到滿足才引起應力，而且應力尚與結構的剛度大小相關，只有當應力超過一定數值才引起裂縫。另外，二者對地鐵工程混凝土的開裂與滲漏的影響也不同。國內資料統計[4]表明：由外部荷載引起的裂縫約占15%。而由變形荷載引起的裂縫約占85%，所以，研究和解決由變形荷載引起的裂縫是解決地鐵工程滲漏問題的重點。3地鐵工程混凝土開裂影響因素 總的來說，地鐵工程混凝土開裂是十分復雜的系統性問題，影響開裂的因素很多，主要有四個方面：材料選擇、結構設計、施工技術、環境條件。由于地鐵工程混凝土屬于大體積混凝土，所以環境條件對地鐵混凝土開裂影響是大，尤其是溫度與濕度兩個環境因素。3.1材料選擇 混凝土原材料質量不良或配合比設計不當，可以引起地鐵工程混凝土的開裂與滲漏。從混凝土原材料來看，水泥安定性不合格，砂石中含泥量或石粉含量過大，使用反應性骨料或風化巖，使用水化熱過高的水泥等都可能引起混凝土開裂。混凝土本身不均勻也會導致其產生變形，砂漿過多會使其產生較大收縮，在水化硬化過程中產生局部的約束效應，當該應力大于混凝土的抗拉強度時，便會導致宏觀裂縫的出現與擴展。3.2結構設計 地鐵結構設計一般包括結構選型、荷載計算、基坑圍護結構設計、內襯設計、結構樓板和梁的設計、抗浮設計等[4]。其中結構選型包括選擇淺埋式矩形箱式結構還是深埋式圓形隧道式結構等，其它幾個方面的結構設計主要是估算各種荷載的大小并對各主要構件作強度與抗裂的設計。但如果選型不當或估算荷載與真實情況有較大的偏差，都會造成在選用混凝土等級和配筋設計方面出現失誤，造成地鐵混凝土抗裂性能不足而出現滲漏。3.3施工技術 從我國目前研究實踐的現狀來看，在施工技術方面影響混凝土開裂的環節主要有混凝土的拌制、振搗、運輸、澆筑、養護，還有施工縫、變形縫、伸縮縫的設置，以及泄壓裝置的處理等方面。具休來講，混凝土的拌制、振搗等方面是為了改善混凝土本身的物理性質，尤其是增加其密實性，減少內部微裂縫與微孔洞，從而大大降低宏觀裂縫的形成機率。施工縫等人工縫的設置主要是體現“放”的防裂抗滲原則，實質上是為了盡量降低由溫度、脹縮、不均勻沉降等因素產生的第二類荷載對大體積混凝土開裂的影響。而一些泄壓措施則體現了“排”的防裂抗滲原則，尤其是對于地下水壓大，涌水量多的特殊環境，一般通過樁間埋設泄壓管或在底板下設置排水盲溝，以靜力釋放地下水的浮力，這些泄壓措施可使主體結構減少承受的水壓，而降低混凝土結構開裂的可能性。凝土頂板兩面的溫度場與濕度場都有很大的差異，另外地鐵在采用單側墻結構時，其兩面的溫度場與濕度場也有很大的差異。由于地鐵結構采用的是大體積混凝土，在凝結和硬化過程中，會釋放出大量的熱。在外界的溫度、濕度場的差異與混凝土自身產生的熱量場的共同作用下，地鐵混凝土將受到第二類荷載的作用，使變形超過混凝土的極限拉伸值而產生裂縫。地鐵結構屬于超靜定結構，在其基礎為軟土地基時，會因基礎的不均勻沉降而使結構受到強迫變形，而使結構開裂。4我國地鐵混凝土開裂實例總結 筆者對我國地鐵工程混凝土結構開裂工程實例作了總結，得出地鐵混凝土開裂具有以下特點： 引起滲漏的宏觀裂縫主要集中在頂板與側墻，且頂板多于側墻，底板開裂最少。溫度高時澆筑的混凝土出現宏觀裂縫的機率高于溫度低時澆筑的混凝土，冬季施工出現宏觀裂縫的機率高于夏季。水泥用量過大時混凝土宏觀裂縫出現較多。圍護結構與主體沒有分開的易產生宏觀裂縫。在同樣施工環境下，對于區間隧道，礦山法施工段出現宏觀裂縫較多，盾構和明挖段相對較少。5地鐵工程混凝土開裂綜合防治 國內對如何控制地鐵工程混凝土裂縫已經作了大量的研究，但缺乏一套較為全面的控制措施。筆者在目前研究的基礎上，提出一套從材料、施工和結構設計三方面出發的裂縫控制措施。5.1材料 在材料方面，應從水泥、砂石和外加劑和摻和料四個環節對裂縫進行控制。5.1.1水泥 在水泥的選材環節上，主要從水泥品種的選擇、水泥用量的確定以及水泥技術指標的要求等方面進行控制。在選擇水泥品種時，應盡可能優先采用水化熱低、大廠旋窯生產的優質水泥,且不宜使用早強水泥。在滿足混凝土的強度和抗滲性條件下，盡量減少水泥用量是防止混凝土開裂的一條重要措施。對水泥技術指標的要求，在細度上，要求水泥不宜過細，比表面積控制在4000cm2/g為宜。此外還應控制對體積安定性有較大影響的游離石灰、三氧化硫和游離氧化鎂的含量，以及水化速度快，水化熱高，需水量大，體積收縮大的鋁酸三鈣(規范規定不超過8%)，而且還要嚴格控制水泥中含堿量（以Na2O計）不應大于0.6%。5.1.2砂石方面的要求見表1。 外加劑在外加劑中，對混凝土抗裂有重要影響的有膨脹劑、減水劑和防裂復合型外加劑。膨脹劑可在水化和硬化階段本身既可產生膨脹,也可與水泥中其他成分反應產生膨脹,以補償混凝土硬化的體積收縮。同時改善了混凝土的孔結構,使之更加密實,所以它是一種較理想的結構抗裂防滲外加劑。目前工程中較為常用的膨脹劑有U型膨脹劑(生熟明礬、石膏等組成)、復合膨脹劑(CEA)、鋁酸鈣膨脹劑(AEA-高強熟料、天然明礬石、石膏)、EA-L膨脹劑(生明礬石、石膏等組成)。減水劑能降低混凝土的水灰比,增大坍落度和控制坍落度損失,賦予混凝土高密實度和優異施工性能，而增加混凝土的抗裂性能。目前工程中常用的減水劑有普通減水劑、AE減水劑、高效減水劑和高效能AE減水劑。由于地鐵混凝土強度不能太高，所以只能選擇普通減水劑與AE減水劑來增加混凝土的抗裂性能。防裂復合型外加劑主要有防裂型FS系列混凝土外加劑，其中防裂型FS-H混凝土復合劑可用于地鐵混凝土中,因它具有降低水化熱,補償混凝土冷縮的特點,從而提高了混凝土的抗裂、抗滲能力。5.1.4摻和料 目前在抗裂方面最為常用的摻和料是粉煤灰。由于粉煤灰的顆粒呈圓球狀，加入到混凝土中后，能起到潤滑作用，可顯著地改善混凝土的和易性，同時在滿足強度要求下可代替部分水泥，以降低水化熱，減小混凝土的溫度應力，從而增加地鐵混凝土的抗裂性能。我國水泥產量世界第一,粉煤灰的排放量也占首位,充分地利用粉煤灰資源的意義深遠、前景廣闊。5.2施工 在施工中，施工環境、參數控制、施工注意事項、拆模時間及養護都會影響到地鐵混凝土的抗裂性能，此方面研究較多[5]～[7]，不贅述。5.3結構設計 當混凝土直接承受外部作用或自身變形受到限制時，將引起相應部位垂直主拉應力方向的微細裂紋擴展，直到形成引起地鐵滲漏的宏觀裂縫。混凝土自應力、預應力對拉應力效應有抵消作用，普通鋼筋對宏觀裂縫有阻斷與約束作用，不同種類或直徑的纖維對不同尺度裂紋的擴展有限制作用。所以針對具體的工程，在進行地鐵混凝土抗裂設計時，首先需要弄清造成拉應力產生的因素及分布特征，然后分別設計預應力筋解決荷載平衡與整體傳力問題，設計普通鋼筋緩解拉應力局部峰值，同時以試驗為指導，加入經濟性與抗裂性都較好的一種或幾種不同直徑的纖維解決細觀與微觀裂紋的擴展問題。這些結構設計實質上是增強混凝土的自防水功能，因為地鐵混凝土的抗裂的最終目的是防滲，所以結構設計是和抗裂的最終目標緊密聯系的。6結論 1)地鐵混凝土開裂是因為受到兩類荷載的作用：第一類是由外荷載作用而引起的裂縫，即結構性裂縫；第二類是由變形變化而引起的裂縫，即非結構性裂縫。 2)由于地鐵工程混凝土屬于大體積混凝土，所以環境條件是造成開裂的最重要的影響因素，尤其以溫度與濕度場的影響最大。 3)基于地鐵混凝土開裂影響因素的復雜性，本文提出一套分別從選材、施工和結構設計三方面進行綜合防治的措施。 4)目前國內已在選材與施工方面做了大量地研究，但在抗裂機理方面研究較少，尤其是對地鐵工程混凝土結構在各主要影響因素下應力場的研究，以及預應力筋和纖維混凝土抗裂效果與機理的研究尚不成熟，有待作進一步地深入研究。【參考文獻】【1】趙國藩,李樹瑤，等.鋼筋混凝土結構的裂縫控制[M].北京:海洋出版社,1991.【2】王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.【3】何克文.地鐵主體結構裂縫控制的技術措施[J].新型建筑材料，2004，（5）.【4】張慶賀.地鐵與輕軌[M].北京:人民交通出版社,2002.【5】GB50299-1999地下鐵道工程施工及驗收規范[S].【6】崔玖江.施工技術北京地鐵新線工程地下結構[J].防水技術,2004,33(3):9～13.【7】溫竹茵,陳寶.地鐵車站的裂縫分析與防水技術研究[J].施工技術,2002,31(3):30～32.