地鐵工程混凝土開裂原因及綜合防治

1、地鐵工程混凝土開裂原因及綜合防治【摘要】地鐵工程混凝土構(gòu)造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、構(gòu)造設(shè)計、施工技術(shù)、環(huán)境條件等四個方面?；谶@四方面的影響因素，提出一套分別從選材、施工及設(shè)計三個方面統(tǒng)籌兼顧的綜合防治思路?！娟P(guān)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(shù)復(fù)雜，投資宏大，百年大計，混凝土除強度等級要滿足構(gòu)造要求外，還必須考慮混凝土,構(gòu)造的耐久性和可靠性，滲漏就是一個重要的控制環(huán)節(jié)。如何防治地鐵工程滲漏已成為科研、設(shè)計、施工單位研究的重要課題。從現(xiàn)澆混凝土構(gòu)造滲漏機理來分析：主要原因是由于混凝土自身的

2、孔隙、裂縫、施工縫造成的，而裂縫的危害最大，因此，對混凝土構(gòu)造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(jù)國內(nèi)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(jié)過程中形成的微觀裂縫與微孔，可分為砂漿裂縫、黏結(jié)裂縫和骨料裂縫?；炷廖词芰χ?，微觀裂縫主要是前兩種?；炷潦芰?，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0.05的裂縫稱為微觀裂縫，大于0.05的裂縫稱為宏觀裂縫。而據(jù)國內(nèi)試驗資料3，裂縫寬度小于0.1時具有自愈、自封現(xiàn)象，當(dāng)裂縫寬度在0.10.2之間時混凝土構(gòu)造雖無自封現(xiàn)象，但卻有自愈現(xiàn)象。故從防滲

3、角度而言，控制宏觀裂縫的產(chǎn)生就成為地鐵抗裂防滲的關(guān)鍵所在。地鐵工程混凝土與其它混凝土構(gòu)造一樣，宏觀裂縫是在兩類荷載作用下產(chǎn)生并擴展的。一類是由靜荷載、動荷載與構(gòu)造次應(yīng)力組成的荷載，另一類是由溫度、脹縮、不均勻沉降等因素產(chǎn)生的荷載。這兩種荷載引起裂縫的機理是有區(qū)別的，區(qū)別在于后者產(chǎn)生裂縫的起因是構(gòu)造首先要求變形，當(dāng)變形得不到滿足才引起應(yīng)力，而且應(yīng)力尚與構(gòu)造的剛度大小相關(guān)，只有當(dāng)應(yīng)力超過一定數(shù)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(nèi)資料統(tǒng)計4說明：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

4、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非常復(fù)雜的系統(tǒng)性問題，影響開裂的因素很多，主要有四個方面：材料選擇、構(gòu)造設(shè)計、施工技術(shù)、環(huán)境條件。由于地鐵工程混凝土屬于大體積混凝土，所以環(huán)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(huán)境因素。3.1材料選擇混凝土原材料質(zhì)量不良或配合比設(shè)計不當(dāng)，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，使用反響性骨料或風(fēng)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(dǎo)致其產(chǎn)生變形，砂漿過多會使其產(chǎn)生較大收縮，在水化硬化過程中產(chǎn)生部分的約束效應(yīng)，當(dāng)該應(yīng)力

5、大于混凝土的抗拉強度時，便會導(dǎo)致宏觀裂縫的出現(xiàn)與擴展。3.2構(gòu)造設(shè)計地鐵構(gòu)造設(shè)計一般包括構(gòu)造選型、荷載計算、基坑圍護構(gòu)造設(shè)計、內(nèi)襯設(shè)計、構(gòu)造樓板和梁的設(shè)計、抗浮設(shè)計等4。其中構(gòu)造選型包括選擇淺埋式矩形箱式構(gòu)造還是深埋式圓形隧道式構(gòu)造等，其它幾個方面的構(gòu)造設(shè)計主要是估算各種荷載的大小并對各主要構(gòu)件作強度與抗裂的設(shè)計。但假如選型不當(dāng)或估算荷載與真實情況有較大的偏向，都會造成在選用混凝土等級和配筋設(shè)計方面出現(xiàn)失誤，造成地鐵混凝土抗裂性能缺乏而出現(xiàn)滲漏。3.3施工技術(shù)從我國目前研究理論的現(xiàn)狀來看，在施工技術(shù)方面影響混凝土開裂的環(huán)節(jié)主要有混凝土的拌制、振搗、運輸、澆筑、養(yǎng)護，還有施工縫、變形縫、伸縮縫的

6、設(shè)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(zhì)，尤其是增加其密實性，減少內(nèi)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(shè)置主要是表達“放的防裂抗?jié)B原那么，本質(zhì)上是為了盡量降低由溫度、脹縮、不均勻沉降等因素產(chǎn)生的第二類荷載對大體積混凝土開裂的影響。而一些泄壓措施那么表達了“排的防裂抗?jié)B原那么，尤其是對于地下水壓大，涌水量多的特殊環(huán)境，一般通過樁間埋設(shè)泄壓管或在底板下設(shè)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構(gòu)造減少承受的水壓，而降低混凝土構(gòu)造開裂的可能性。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

7、采用單側(cè)墻構(gòu)造時，其兩面的溫度場與濕度場也有很大的差異。由于地鐵構(gòu)造采用的是大體積混凝土，在凝結(jié)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(chǎn)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(chǎn)生裂縫。地鐵構(gòu)造屬于超靜定構(gòu)造，在其根底為軟土地基時，會因根底的不均勻沉降而使構(gòu)造受到強迫變形，而使構(gòu)造開裂。4我國地鐵混凝土開裂實例總結(jié)筆者對我國地鐵工程混凝土構(gòu)造開裂工程實例作了總結(jié)，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(cè)墻，且頂板多于側(cè)墻，底板開裂最少。溫度高時澆筑的混凝土出現(xiàn)宏觀裂縫的機率高于溫度低時澆

8、筑的混凝土，冬季施工出現(xiàn)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(xiàn)較多。圍護構(gòu)造與主體沒有分開的易產(chǎn)生宏觀裂縫。在同樣施工環(huán)境下，對于區(qū)間隧道，礦山法施工段出現(xiàn)宏觀裂縫較多，盾構(gòu)和明挖段相對較少。5地鐵工程混凝土開裂綜合防治國內(nèi)對如何控制地鐵工程混凝土裂縫已經(jīng)作了大量的研究，但缺乏一套較為全面的控制措施。筆者在目前研究的根底上，提出一套從材料、施工和構(gòu)造設(shè)計三方面出發(fā)的裂縫控制措施。5.1材料在材料方面，應(yīng)從水泥、砂石和外加劑和摻和料四個環(huán)節(jié)對裂縫進展控制。5.1.1水泥在水泥的選材環(huán)節(jié)上，主要從水泥品種的選擇、水泥用量確實定以及水泥技術(shù)指標(biāo)的要求等方面進展控制。在選擇水泥品種時

9、，應(yīng)盡可能優(yōu)先采用水化熱低、大廠旋窯消費的優(yōu)質(zhì)水泥,且不宜使用早強水泥。在滿足混凝土的強度和抗?jié)B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(shù)指標(biāo)的要求，在細度上，要求水泥不宜過細，比外表積控制在40002/g為宜。此外還應(yīng)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(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不超過8%)，而且還要嚴格控制水泥中含堿量以Na2計不應(yīng)大于0.6%。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.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(fù)合型外加劑。膨脹劑可在水化和硬化

10、階段本身既可產(chǎn)生膨脹,也可與水泥中其他成分反響產(chǎn)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構(gòu)造,使之更加密實,所以它是一種較理想的構(gòu)造抗裂防滲外加劑。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(fù)合膨脹劑(EA)、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(yōu)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

11、混凝土的抗裂性能。防裂復(fù)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(fù)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,從而進步了混凝土的抗裂、抗?jié)B才能。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，參加到混凝土中后，能起到光滑作用，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(yīng)力，從而增加地鐵混凝土的抗裂性能。我國水泥產(chǎn)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(huán)境、參數(shù)控制、施工考前須知、拆模時間及養(yǎng)護都會

12、影響到地鐵混凝土的抗裂性能，此方面研究較多57，不贅述。5.3構(gòu)造設(shè)計當(dāng)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(yīng)部位垂直主拉應(yīng)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?；炷磷詰?yīng)力、預(yù)應(yīng)力對拉應(yīng)力效應(yīng)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。所以針對詳細的工程，在進展地鐵混凝土抗裂設(shè)計時，首先需要弄清造成拉應(yīng)力產(chǎn)生的因素及分布特征，然后分別設(shè)計預(yù)應(yīng)力筋解決荷載平衡與整體傳力問題，設(shè)計普通鋼筋緩解拉應(yīng)力部分峰值，同時以試驗為指導(dǎo)，參加經(jīng)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

13、構(gòu)造設(shè)計本質(zhì)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，所以構(gòu)造設(shè)計是和抗裂的最終目的嚴密聯(lián)絡(luò)的。6結(jié)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，即構(gòu)造性裂縫；第二類是由變形變化而引起的裂縫，即非構(gòu)造性裂縫。2)由于地鐵工程混凝土屬于大體積混凝土，所以環(huán)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(fù)雜性，本文提出一套分別從選材、施工和構(gòu)造設(shè)計三方面進展綜合防治的措施。4)目前國內(nèi)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構(gòu)造在各主要影響因素下應(yīng)力場的研究，以及預(yù)應(yīng)力筋和纖維混凝土抗裂效果與機理的研究尚不成熟，有待作進一步地深化研究?！緟⒖嘉墨I】【1】趙國藩,李樹瑤，等.鋼筋混凝土構(gòu)造的裂縫控制.北京:海洋出版社,1991.【2】王鐵夢.工程構(gòu)造裂縫控制.北京:中國建筑工業(yè)