某地铁车站混凝土结构裂缝控制研究!
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摘 要：针对江西省某地铁车站在建工程侧墙结构裂缝产生的原因，从工艺和材料两个方面提出并采取了裂缝控制措施。工程实践表明，采取合适的工艺措施和材料措施均能很好地控制裂缝，而且材料措施控制效果更佳，保证了工程质量。
关键词：地铁；车站；混凝土；裂缝；膨胀剂；纤维；减缩剂；施工
前言
地铁车站是大型地下混凝土框架结构，为满足使用性与耐久性的要求，对车站结构的防水性有很高要求。但地铁工程渗漏水是现今国内地下工程较常见的一种缺陷，尤其是在南方多雨和地下水位较高的地区，情况特别突出。在工程中，裂缝是造成渗水的主要原因，可以说控制裂缝发展是预防渗水的关键[1]。
根据对江西省轨道交通部分已建地铁车站所做的调查，发现混凝土结构裂缝、渗水现象较多，有些部位虽经注浆、修补、堵漏等维修处理，也未能根治渗水现象，这将给地铁车站结构后期的运营带来较大的隐患，运营后的维护成本很高。因此，对地铁车站混凝土结构裂缝原因进行分析和总结，提出针对性的防治措施，是非常重要的。
本文以江西省某地铁车站为研究背景，从工艺和材料两方面对混凝土结构裂缝进行了控制，其研究成果可为后期工程的施工作业提供重要的参考。
1 工程概况
1.1 车站结构形式
工程为江西省地铁某线的一个标准站。整个工程采用明挖顺作法施工，车站长度为163.2m，标准段主体结构宽度为21.3m，端头井处主体结构宽度为25m，有效站台中心里程处底板埋深13.11m，端头井处底板埋深15.64m。车站为地下两层三跨箱型框架结构，围护结构与车站主体结构采用复合式结构。
车站按设防烈度6度考虑，三级抗震构造设计。地下侧墙厚度均为800mm，负一层设600mm厚内衬，负二层设700mm厚内衬。车站地下结构抗渗等级：主体结构P8（埋深<20m），P10（埋深≥20m，且≤30m）。
1.2 工程材料
地铁车站顶板、顶梁、底板、侧墙和暗柱、壁柱等临水构件均采用C35P8防水混凝土，中板、中梁、内墙、中隔墙、楼梯、站台板采用C35混凝土，内部结构柱子采用C45混凝土，后浇顶板采用C35P8微膨胀混凝土，浇筑中板孔采用C35微膨胀混凝土，底板下垫层采用C20早强混凝土。
2 地铁车站混凝土裂缝产生原因及控制措施
2.1 裂缝产生的原因
影响地铁车站混凝土开裂的因素很多，是十分复杂的系统性问题。由于地铁车站结构混凝土截面比较厚，属于大体积混凝土。混凝土结构出现裂缝，并不是因为其强度不够，而是因为混凝土体积比较大，在水泥水化过程中水化热产生的温度应力与大体积混凝土收缩产生的收缩应力的综合作用[2]。
地铁车站裂缝一般分为表面裂缝和贯通裂缝两种。表面裂缝是由于混凝土内外温差形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度便会产生表面裂缝。贯通裂缝是当混凝土强度发展到一定程度时，混凝土温度降低引起的收缩以及混凝土的干燥收缩，在受到地基和其他结构边界条件的约束时引起的拉应力，当拉应力超过混凝土抗拉强度时产生的贯通整个截面的裂缝。表面裂缝和贯通裂缝都属于有害裂缝，但造成渗漏水的主要是贯通裂缝[3]。
2.2 裂缝的控制措施
根据裂缝成因，主要应从以下4个方面控制裂缝。
（1）选用低水化热水泥
水泥的水化热和放热速率与C3A和C3S的含量直接相关，C3A水化最快，放热量也最大，所以应尽量控制C3A的含量，延迟放热峰，以便在温度应力峰值时混凝土有足够的强度抵抗开裂[4]。同时，应控制水泥的比表面积，在不影响水泥的3d和28d强度情况下，尽量选择颗粒较粗的水泥。
（2）选择合适的活性混合材和矿物掺和料
在水泥生产中掺加活性混合材和/或在混凝土制备中掺加掺和料，能降低水泥熟料用量，减小大体积混凝土的水化热峰值。可选的活性混合材/掺和料有粉煤灰和矿渣粉等[5]，石灰石粉也是较常用的混合材和掺和料。
（3）使用合适的外加剂和增强材料
通过在混凝土中掺加合适的外加剂、增强材料等措施也能提高混凝土的抗裂性能。合适的外加剂包括高性能减水剂、膨胀剂（CSA）和减缩剂（SRA）等，而增强材料一般为各种纤维。由于掺加聚羧酸系减水剂能不增加混凝土的收缩甚至减小混凝土的收缩，所以聚羧酸系减水剂对减少混凝土的收缩开裂危害有一定好处。膨胀剂具有补偿收缩、抑制混凝土早期收缩开裂的功能，掺入适量膨胀剂不仅可以减少混凝土开裂，还可以通过增强密实性而提高混凝土的抗渗性。减缩剂则不同于膨胀剂，它不是被动的补偿混凝土收缩，而是从根本上减小混凝土的收缩，因此对混凝土的收缩开裂具有很好的抑制效果[6]。
纤维（常用的有聚丙烯纤维、碳纤维和钢纤维等）能抑制混凝土的塑性收缩开裂，而高模量纤维（碳纤维和钢纤维等）还能显著提高混凝土的抗折强度、抗冲击性能和弯曲抗疲劳性能等。
（4）采取各种工艺措施
一是降低混凝土内部的绝对温升，主要措施有前期冷却（即通过预冷原材料来降低混凝土入模温度）和后期冷却（在混凝土结构体内设置冷却水管）[7]；二是增加混凝土结构抵抗裂缝的能力，如设置抗裂钢筋网片等。当然，在混凝土浇筑步序上也可采取后浇带法、跳仓法等工艺措施。
3 地铁车站混凝土裂缝控制试验
根据经验，车站混凝土结构分段越长，则越容易导致结构底板、顶板横向裂缝及现浇墙垂直裂缝，因此车站的分段长度应尽量缩短。本车站在基坑开挖完成后，将主体结构墙体分为9段施工，每段长度控制在16m左右。负二层主要从工艺措施方面减少混凝土裂缝，而负一层则对比了不同外加剂及增强材料对混凝土裂缝的控制效果。
3.1 工艺措施应用效果试验
在车站负二层侧墙主要对比了降低混凝土入模温度、设置冷却水管和设置抗裂钢筋网片3种工艺措施对混凝土裂缝的控制效果，具体分段设置如下：
（1）第1-4段：采用降低混凝土入模温度的措施进行施工。同时，设置自动测温系统，跟踪混凝土里表温度变化规律。
（2）第5-7段：采用降低混凝土入模温度的措施进行施工，并且在混凝土结构体内部设置冷却水管，通过水管内的循环冷却水降低混凝土内部水化温升。同时，设置自动测温系统，跟踪混凝土里表温度变化规律。
（3）第8-9段：采用降低混凝土入模温度的措施进行施工，并且在混凝土结构体内部设置抗裂钢筋网片。抗裂钢筋网片为钢筋间距50mm、直径3mm的钢筋网，以抵抗混凝土的收缩和温度变化在现浇混凝土内引起的约束应力。
3.2 材料措施应用效果试验
材料措施是控制混凝土裂缝的基础措施，从源头控制是治本之法。在本工程中，除选用低水化热的水泥、掺加粉煤灰和矿渣粉等矿物掺和料、掺聚羧酸系高性能减水剂外，还采用了聚丙烯纤维、膨胀剂和减缩剂等3种材料进行裂缝控制。
车站负一层侧墙分别采用了普通混凝土（掺加聚羧酸系减水剂）以及聚丙烯纤维、膨胀剂、减缩剂单掺和两两复掺配制的混凝土进行浇筑，对比不同材料对混凝土裂缝的控制效果。具体分段设置如下：
（1）第1-5段：混凝土为普通混凝土，采用降低混凝土入模温度的措施施工。
（2）第6段：混凝土为掺聚丙烯纤维配制的混凝土，采用降低混凝土入模温度的措施施工。
（3）第7段：混凝土为掺膨胀剂配制的混凝土，采用降低混凝土入模温度的措施施工。
（4）第8段：混凝土为掺减缩剂配制的混凝土，采用降低混凝土入模温度的措施施工。
（5）第9段：混凝土为聚丙烯纤维、膨胀剂和减缩剂两两复掺配制的混凝土，采用降低混凝土入模温度的措施施工。
为了检验聚丙烯纤维、膨胀剂和减缩剂这3种材料是否对混凝土强度造成不利影响，通过试验室试验得到了不同配合比情况下混凝土的强度，试验结果见表1。
根据混凝土抗压强度测试结果可知，所有配合比的混凝土的抗压强度均满足C35混凝土强度等级要求，除聚丙烯纤维与膨胀剂双掺混凝土、膨胀剂与减缩剂双掺混凝土的28d抗压强度略低于普通混凝土外，其余配合比的混凝土28d抗压强度均高于普通混凝土，说明聚丙烯纤维、膨胀剂和减缩剂的掺入不会对混凝土强度造成不利影响。
4 地铁车站侧墙裂缝情况统计
混凝土浇筑后即按照正常程序养护，拆模后统计每一段侧墙裂缝分布情况（第1段侧墙由于位于基坑端头井处不便观察，因而没有统计其裂缝）。之后每隔一周时间测量各段侧墙的裂缝数量、裂缝长度、裂缝宽度及裂缝深度，直至裂缝数量、长度、宽度及深度基本稳定为止。调查发现所有裂缝均是呈垂直或接近垂直方向，每段侧墙裂缝数量一般在5条以内，裂缝宽度一般在0.2mm以内，裂缝长度一般在3m以内，裂缝深度一般在100mm以内，均为表面裂缝。
4.1 负二层侧墙裂缝统计
负二层主要从工艺措施方面减少混凝土裂缝，对比了降低混凝土入模温度、设置冷却水管和设置抗裂钢筋网片3种工艺措施对混凝土裂缝的控制效果。各段裂缝统计情况见表2。
为了对比设置冷却水管对混凝土内部温度的降低效果，同时设置了自动测温系统，得到了混凝土里表温度变化规律。通过里表温度测试发现，设置冷却水管对混凝土内部温度具有一定的降低效果。图1、图2分别为第4段侧墙和第6段侧墙的里表温升曲线。第4段侧墙未埋设冷却水管，混凝土初始里表温度分别为52℃和39.5℃，里表温差为12.5℃，第6段侧墙设置了冷却水管，混凝土初始里表温度分别为48℃和35.6℃，里表温差为12.4℃，两段侧墙初始里表温差非常接近。而对比两段测墙48h后里表温差可知，第4段侧墙在48h后的里表温差最高仍高达11℃，而第6段侧墙在48h后的里表温差最高仅为6.5℃，可知设置冷却水管具有比较明显的降温效果。
根据裂缝分布情况可知，第2-4段侧墙平均每段有6条裂缝，而第5-7段侧墙平均每段只有4条裂缝，裂缝数目有所降低，说明设置冷却水管对控制裂缝具有一定的效果，但同时也发现第5-7段侧墙裂缝平均长度、平均宽度及平均深度均无明显降低，因此可见，加设冷却水管不能较好地解决混凝土裂缝问题。
通过对比设置抗裂钢筋网片的侧墙裂缝分布情况可知，第8、9段侧墙设置抗裂钢筋网片后，第8段侧墙发现2条裂缝，第9段侧墙仅发现1条裂缝，并且均为长度不超过3m、宽度不超过0.2mm、深度在50mm以内的细微裂缝。设置抗裂钢筋网片措施相比于设置冷却水管措施，具有更好的裂缝控制效果，但无法完全消除裂缝。
4.2 负一层侧墙裂缝统计
负一层侧墙主要从材料措施方面减少混凝土裂缝，对比了聚丙烯纤维、膨胀剂和减缩剂单掺及两两复掺配制混凝土对裂缝的控制效果。各段裂缝统计结果见表3。由负一层侧墙各段裂缝分布情况可知，采用普通混凝土浇筑的每段侧墙均有数条裂缝产生，而采取掺外加剂或聚丙烯纤维措施的混凝土浇筑的侧墙除第6段侧墙裂缝较多外，其余侧墙裂缝均只有1条或者没有裂缝。第6段侧墙采用掺聚丙烯纤维配制的混凝土浇筑，其裂缝数与采用普通混凝土浇筑的侧墙相比也不见明显减少，说明单掺聚丙烯纤维对侧墙裂缝的控制效果较差。第7-9段侧墙仅发现1条裂缝，并且裂缝长度、宽度和深度均比较小，为表面裂缝，说明掺膨胀剂和减缩剂对侧墙混凝土裂缝具有非常好的控制效果。
通过工程实体试验，表明3种材料中膨胀剂和减缩剂均具有良好的控制裂缝的效果，尤其是减缩剂效果最佳，而聚丙烯纤维效果相对较差。但是当聚丙烯纤维与膨胀剂或减缩剂复掺时，对裂缝控制具有非常理想的效果。
结论
（1）大体积混凝土结构裂缝的出现，主要是由于水泥水化过程中水化热导致的温度应力与大体积混凝土收缩产生的收缩应力的综合作用导致。因此，主要应从降低水泥水化热和减小混凝土收缩这两个方面着手解决裂缝问题。
（2）通过工艺措施应用试验可知，采取工艺措施对减少混凝土的裂缝具有一定的效果，其中冷却水管的效果较差，抗裂钢筋网片效果较好，但也无法完全解决裂缝问题。
（3）通过材料措施应用试验可知，聚丙烯纤维对裂缝的控制效果较差，膨胀剂和减缩剂对裂缝控制效果较好，其中减缩剂的效果最佳。可见采取适当的外加剂能从根本上防止裂缝的产生。
（来源：《混凝土世界》2017.03、转载自砼话）
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