地鐵車站混凝土開裂原因及修補(bǔ)措施

地鐵車站混凝土開裂原因及修補(bǔ)措施0引言隨著我國人均收入的增長及城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)張，交通需求迅速擴(kuò)大，城市軌道交通已進(jìn)入快速發(fā)展階段。在人稠密的城市中心，交通問題日益突出，已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，嚴(yán)重影響居民的正常生活。發(fā)展城市內(nèi)地鐵系統(tǒng)是改善城市交通狀況的根本途徑，是未來城市交通的重要發(fā)展方向，也是社會可持續(xù)發(fā)展的必然舉措［1］。而城市的地鐵工程往往是城市投資規(guī)模最大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，也被要求作為城市人防工程，是城市的百年大計，所以地鐵系統(tǒng)設(shè)計和施工的質(zhì)量尤為重要。地鐵車站作為地鐵系統(tǒng)中的重要組成部分，不僅與乘客安全關(guān)系密切，而且又集中設(shè)置了地鐵系統(tǒng)運(yùn)營中大部分的技術(shù)設(shè)備與管理系統(tǒng)，因此地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)的安全問題往往直接或間接地影響地鐵系統(tǒng)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。本文總結(jié)了地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)可能的開裂原因，給出了相應(yīng)的防護(hù)措施，最后介紹了地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修補(bǔ)方法，希望其內(nèi)容對地鐵設(shè)計、材料、施工和運(yùn)營維護(hù)者均有所裨益。1地鐵車站混凝土開裂及原因分析目前，我國大部分地鐵車站在結(jié)構(gòu)上主要由頂板、中板、底板、連續(xù)墻及內(nèi)襯墻等幾部分組成，這些結(jié)構(gòu)在厚度方向上的尺寸遠(yuǎn)小于其他方向，一般被稱為超長大面積混凝土板結(jié)構(gòu)［2］。而混凝土板結(jié)構(gòu)由于諸多因素的作用，往往會產(chǎn)生開裂問題。由于導(dǎo)致開裂的因素不同，這里將其分為三種開裂類型：收縮開裂、耐久開裂和振動開裂。1.1收縮開裂及其成因混凝土開裂的根本原因在于其內(nèi)部或表面所受的拉應(yīng)力超過其所建立的抗拉強(qiáng)度所致。地鐵車站混凝土的收縮開裂，主要集中在超長大面積混凝土板結(jié)構(gòu)施工過程中存在的水泥水化放熱集中現(xiàn)象所導(dǎo)致的開裂，新拌混凝土硬化過程中干燥收縮導(dǎo)致的開裂，以及周圍環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的開裂。水泥水化導(dǎo)致的混凝土溫差開裂超長大面積混凝土板在施工過程中往往要求一次性整體澆筑，澆筑后因水泥水化產(chǎn)生水化熱，由于混凝土體積大，聚集在內(nèi)部的水泥水化熱不容易及時散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度顯著升高。而混凝土表面散熱較快，混凝土內(nèi)部與表面形成了較大的溫差（15?40C）。溫差導(dǎo)致混凝土內(nèi)外的變形程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。而此時混凝土齡期很短，抗拉強(qiáng)度低，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。對于此類情況導(dǎo)致的裂縫，預(yù)防的關(guān)鍵在于正確選擇水泥品種（包括細(xì)度等指標(biāo)），控制混凝土中水泥的用量和摻合料的比例，摻加緩凝型外加劑等。在選擇水泥品種時，應(yīng)優(yōu)先采用水化熱低的高貝利特（C2S）水泥和混合材比例高的中、低熱水泥，而不宜使用早強(qiáng)水泥。在滿足混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B性的條件下，盡量減少水泥用量是防止混凝土溫差開裂的重要措施之一。在水泥技術(shù)指標(biāo)方面，水泥不宜過細(xì)，比表面積控制在25?32cm3/g為宜。此外，還應(yīng)該控制水泥中游離石灰、三氧化硫以及游離氧化鎂等對體積安定性有較大影響的組分含量，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（C3S）的含量，還要嚴(yán)格控制水泥中的含堿量等。若不能選用中、低熱水泥，則應(yīng)考慮在配制混凝土?xí)r摻加粉煤灰、礦渣粉和石灰石粉等摻合料，以在不影響28d強(qiáng)度的情況下，盡可能延遲水化放熱峰的出現(xiàn)時間和降低內(nèi)部的溫度峰值。在混凝土配制中也應(yīng)選擇緩凝型的高效減水劑或高性能減水劑，一方面可降低膠凝材料用量，另一方面也有助于延遲水化放熱峰的出現(xiàn)時間和降低內(nèi)部的溫度峰值，從而預(yù)防溫差開裂的危害?；炷劣不^程中的收縮開裂混凝土硬化過程中的收縮有多種類型，諸如化學(xué)收縮、自收縮、塑性收縮和干燥收縮等。①化學(xué)收縮是指水泥基材料在水泥水化過程中,水化產(chǎn)物的絕對體積比水化前水泥與水的絕對體積之和減少的現(xiàn)象，主要是由于水化反應(yīng)前后化合物密度不同所致。Tazawa等［3］指出化學(xué)收縮是水泥與水反應(yīng)時其總體積的減小值。化學(xué)收縮由水泥基材料的組成及水化程度來決定，是自收縮的驅(qū)動力［4］。②塑性收縮是指混凝土在硬化前，表面因失水過快而產(chǎn)生的收縮。混凝土在終凝前幾乎沒有抗拉強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度很低（＜0.1MPa），或者混凝土剛剛終凝時，受到外界作用的影響，混凝土表面失水過快，造成混凝土內(nèi)部毛細(xì)管中產(chǎn)生較大的負(fù)壓而使混凝土體積急劇收縮。而此時混凝土的強(qiáng)度又無法抵抗其自身收縮，從而產(chǎn)生開裂。③干燥收縮是指混凝土漿體中的水分在長期干燥的環(huán)境中逐漸逸出揮發(fā)而使毛細(xì)管產(chǎn)生負(fù)壓而導(dǎo)致的體積收縮。對于混凝土硬化過程中的收縮開裂，除了應(yīng)注意水泥品種的選擇、減水劑品種的選擇外，也要注意混凝土水膠比的影響。由于混凝土水膠比越大，收縮越大，因此要注意盡量降低混凝土的水膠比。同時，為防止混凝土硬化過程中的開裂，可考慮摻加膨脹劑、減縮劑和/或減縮劑等外加劑，以及摻加纖維材料（比較常用的為聚丙烯纖維，其對混凝土塑性收縮裂縫有較好的抑制效果）。同時，施工過程中要非常注意混凝土的養(yǎng)護(hù)，盡量采用覆膜養(yǎng)護(hù)，以減少水分散失，也可以使用混凝土養(yǎng)護(hù)劑等保證混凝土的良好養(yǎng)護(hù)。1.2耐久開裂及其成因地鐵車站混凝土的耐久開裂，集中在受到靜荷載、動荷載與結(jié)構(gòu)次應(yīng)力等［5］荷載長期作用下的混凝土結(jié)構(gòu)中由于耐久性不足導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)開裂。這主要表現(xiàn)在由于混凝土抗?jié)B性能下降導(dǎo)致的滲透開裂，由于混凝土抗侵蝕性能下降、地鐵迷流等導(dǎo)致鋼筋銹蝕而產(chǎn)生的銹蝕開裂。1.2.1滲透開裂地鐵車站混凝土長期處于潮濕及存在地下水的環(huán)境中。對地鐵系統(tǒng)中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)而言，在運(yùn)營中要承受各種荷載和變形，混凝土在荷載、變形和氣候作用下，微結(jié)構(gòu)性能會逐步劣化，表面及內(nèi)部產(chǎn)生很多微裂紋。而混凝土的微裂紋又會導(dǎo)致滲透通道的相互聯(lián)結(jié)并且增加混凝土的滲透性，這種由于裂紋擴(kuò)張導(dǎo)致的滲透性增加使得更多的水和有害化學(xué)物質(zhì)滲入混凝土中，引起混凝土性能的進(jìn)一步劣化、開裂［6］。這樣類似的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：混凝土劣化-混凝土開裂-滲透性增加-混凝土進(jìn)一步劣化［7］，終將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的毀滅性破壞。銹蝕開裂在超長大面積混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土由鋼筋和混凝土復(fù)合而成。若鋼筋裸露在大氣或者其他介質(zhì)中，容易受蝕生銹，使得鋼筋的有效截面積減小，影響結(jié)構(gòu)受力，而鋼筋外部的混凝土則能夠有效保護(hù)鋼筋而使其少受甚至不受外界介質(zhì)的侵蝕?；炷帘Ｗo(hù)層是指混凝土結(jié)構(gòu)件中，受力鋼筋最外層鋼筋的外緣至混凝土表面之間的部分［8］。混凝土保護(hù)層的抗侵蝕耐久性能會直接影響到內(nèi)部鋼筋的化學(xué)穩(wěn)定性，若保護(hù)層抗侵蝕耐久性能不佳，則受力鋼筋會比較早地銹蝕。隨著銹蝕的進(jìn)行，銹蝕產(chǎn)物不斷增加，銹蝕產(chǎn)物的增加對鋼筋周圍的混凝土保護(hù)層產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，并在混凝土內(nèi)部形成壓應(yīng)力，最終混凝土保護(hù)層發(fā)生劈裂，破壞了鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力。鋼筋銹蝕不僅減小了鋼筋本身的受力截面，而且降低了自身結(jié)構(gòu)剛度和鋼筋混凝土的耐久性，引起混凝土結(jié)構(gòu)的開裂破壞。地鐵車站由于其環(huán)境的特殊性，混凝土遭受的侵蝕往往比普通工程混凝土更加復(fù)雜也更加嚴(yán)峻。首先，地鐵車站的主體結(jié)構(gòu)混凝土往往處于地下水豐富、透水性強(qiáng)的地層中，而我國地下水特別是淺層地下水污染比較嚴(yán)重，富含氯離子、硫酸根離子等侵蝕性介質(zhì)［9］。地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)長期受到地下水浸泡，遭受地下壓力水、酸性地下水的溶蝕，以及地下水中硫酸鹽離子、氯離子的侵蝕，這些因素導(dǎo)致了混凝土中包裹著的鋼筋受到銹蝕作用，強(qiáng)度大幅降低。其次，地鐵迷流對地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生顯著的影響。地鐵迷流也稱地鐵雜散電流，主要指由采用直流供電牽引方式的地鐵列車在地下鐵道運(yùn)行時泄漏到道床及周圍土壤介質(zhì)中的電流［10］。地鐵迷流對地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)中的受力鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，在這個反應(yīng)過程中，氧化還原反應(yīng)可以在鋼筋表面自發(fā)進(jìn)行，使鋼筋遭到銹蝕，進(jìn)而引起混凝土結(jié)構(gòu)開裂破壞。1.3振動開裂及其成因由于地鐵系統(tǒng)每天繁重的運(yùn)營任務(wù)，線路的軌道結(jié)構(gòu)作為其下部基礎(chǔ)，長期承受列車碾壓、振動、摩擦、沖擊和環(huán)境溫度變化的作用，在使用過程中混凝土結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)各種各樣的損傷，并最終導(dǎo)致道床混凝土開裂。同時，由于施工技術(shù)問題和質(zhì)量問題產(chǎn)生的原始微裂縫，在長期的車輛荷載作用下會迅速擴(kuò)張、延伸，成為宏觀裂縫，直接威脅地鐵系統(tǒng)的運(yùn)營安全。方樹薇［11］通過建立的道床板有限元模型，對其施加列車荷載和溫度荷載，發(fā)現(xiàn)道床板在列車荷載和溫度荷載作用下，裂紋的萌生位置位于枕角處，并大致沿45°方向擴(kuò)展。2地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修補(bǔ)措施混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)不但影響結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，降低抗疲勞性，還會降低混凝土的抗?jié)B能力，加速混凝土的碳化，加快內(nèi)部配置鋼筋的銹蝕，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)耐久性下降和使用壽命嚴(yán)重縮短。為保證地鐵車站正常運(yùn)營，一旦發(fā)現(xiàn)裂縫和滲漏，應(yīng)立即根據(jù)裂縫的性質(zhì)和具體情況，及時采取措施進(jìn)行修補(bǔ)?；炷亮芽p的修補(bǔ)措施主要有：表面修補(bǔ)法；灌漿、嵌逢封堵法；結(jié)構(gòu)加固法；置換混凝土法；電化學(xué)防護(hù)法；仿生自愈合法。2.1表面修補(bǔ)法表面修補(bǔ)法是在混凝土裂縫的表面涂抹水泥漿、聚合物改性水泥漿、環(huán)氧膠泥，或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青、煤焦油等，以封閉裂縫，防止外界有害介質(zhì)通過裂縫侵入混凝土內(nèi)部，造成進(jìn)一步的侵蝕。有時，為了防止混凝土修補(bǔ)后受各種作用繼續(xù)開裂，還在裂縫表面粘貼玻璃纖維布、碳纖維布，以起到較好的約束作用。表面修補(bǔ)法是較簡單且常用的裂縫修補(bǔ)方法，適用于裂縫情況較穩(wěn)定，且裂縫對結(jié)構(gòu)承載能力影響不明顯的情況。2.2灌漿、嵌逢封堵法灌漿法是利用壓力設(shè)備將灌漿材料壓入混凝土裂縫中，灌漿材料硬化后與混凝土形成一個整體，從而起到封堵裂縫和加固混凝土的目的。常用的灌漿材料有水泥漿、聚合物改性水泥漿、環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯和聚氨酯等。灌漿法適用于對結(jié)構(gòu)整體性有一定影響的裂縫，或開裂后對結(jié)構(gòu)抗?jié)B性負(fù)面影響較大混凝土結(jié)構(gòu)。嵌縫封堵法是沿裂縫長度方向鑿一定寬度的淺槽，在淺槽中嵌填塑性或剛性封堵材料，以達(dá)到封閉裂縫的目的。常用的塑性封堵材料有聚氯乙烯膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等；常用的剛性封堵材料為聚合物水泥砂漿、環(huán)氧樹脂砂漿等。嵌縫封堵法是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫封堵中最常用方法。2.3結(jié)構(gòu)加固法結(jié)構(gòu)加固法通常有：①通過補(bǔ)充鋼筋和混凝土，加大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積；②在混凝土構(gòu)件角部外包型鋼；③在混凝土受拉部位粘貼鋼板；④采用預(yù)應(yīng)力法加固；⑤增設(shè)支點(diǎn)加固；⑥噴射混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固等。當(dāng)裂縫損害程度影響到混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力時，就必須考慮采取措施對混凝土進(jìn)行加固處理。加固處理的費(fèi)用較高，但能提高結(jié)構(gòu)的整體性能。2.4置換混凝土法置換混凝土法是先將損壞的混凝土全部剔除（若鋼筋銹蝕嚴(yán)重，也需更換鋼筋或增加配筋），再置入新的混凝土或砂漿。常用的新混凝土有普通混凝土和聚合物改性混凝土；常用的新砂漿有水泥砂漿、聚合物改性水泥砂漿和環(huán)氧砂漿等。澆筑的新混凝土或新砂漿的強(qiáng)度等級必須至少比原有混凝土高一個等級。置換混凝土法用于結(jié)構(gòu)混凝土嚴(yán)重?fù)p壞情況下的修補(bǔ)加固，費(fèi)用高，但收效顯著。2.5電化學(xué)防護(hù)法電化學(xué)防護(hù)法是利用所施加的電場，通過電化學(xué)作用，改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài)，鈍化鋼筋，以達(dá)到防腐和保護(hù)鋼筋混凝土的目的。通常所采用的電化學(xué)防護(hù)法包括陰極防護(hù)法、氯鹽提取法和堿性復(fù)原法等。電化學(xué)防護(hù)法受環(huán)境因素的影響較小，適用于對鋼筋和鋼筋混凝土的長期防護(hù)，既用于已開裂結(jié)構(gòu)，也可用于新建結(jié)構(gòu)。2.6仿生自愈合法仿生自愈合混凝土是模仿動物的骨骼組織結(jié)構(gòu)和受創(chuàng)傷后的再生、恢復(fù)機(jī)理，采用粘接材料與基材相復(fù)合的方法而制得，當(dāng)基體材料損傷破壞后具有自行愈合或再生功能，以恢復(fù)甚至提高基體材料性能。其作用機(jī)制為：預(yù)先在混凝土中埋入一些特殊的空心玻璃纖維或膠囊其中裝有具有修復(fù)裂縫功能的化學(xué)物質(zhì)），當(dāng)混凝土產(chǎn)生微裂縫時，空心玻璃纖維斷裂或膠囊破裂，釋放出修補(bǔ)裂縫的化學(xué)物質(zhì)，化學(xué)物質(zhì)隨即在裂縫中固化，使裂縫愈合，并使混凝土恢復(fù)到未開裂時的原有力學(xué)性能?，F(xiàn)在處于研究階段的還包括礦物自修復(fù)混凝土和細(xì)菌自修復(fù)混凝土等。仿生自愈合法是比較新的一種混凝土裂縫（缺陷）修復(fù)方法。實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)混凝土所處的工作環(huán)境，設(shè)計合適的自修復(fù)方法。3結(jié)論地鐵車站自修建階段開始，混凝土結(jié)構(gòu)就存在各種開裂致因。地鐵車站混凝土的開裂分為收縮開裂、耐久開裂和振動開裂三類。對于混凝土開裂的防護(hù)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和施工控制三個方面著手。結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，要了解造成開裂的應(yīng)力的因素及分布特征，設(shè)計預(yù)應(yīng)力鋼筋或增強(qiáng)鋼筋來解決荷載平衡與整體傳力問題，從結(jié)構(gòu)層次規(guī)避裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險。在混凝土原材料選擇和配合比設(shè)計方面，應(yīng)根據(jù)工程所在地實(shí)際情況，盡量選擇低熱水泥、優(yōu)質(zhì)摻合料、緩凝型外加劑和優(yōu)質(zhì)的骨料，并注意在混凝土配合比設(shè)計過程中降低膠凝材料用量。在施工階段，應(yīng)注意施工環(huán)境的選擇，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)施工規(guī)程，控制混凝土拆模時間和加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)等。地鐵車站混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一旦開裂，應(yīng)及時研判開裂的危害及發(fā)展情況，采取必要而切實(shí)可行的措施進(jìn)行修補(bǔ)加固，以保證結(jié)構(gòu)的使用安全性和使用壽命。工程質(zhì)量保證措施1、質(zhì)量目標(biāo)本工程質(zhì)量目標(biāo)為合格。為確保工程質(zhì)量，從質(zhì)量管理體系的各工序質(zhì)量程度網(wǎng)絡(luò)控制兩大方面嚴(yán)格控制，并制定出相應(yīng)的質(zhì)量保證措施以確保工程的質(zhì)量。質(zhì)量保證體系的管理組織，從公司到項(xiàng)目部，配套管理，形成嚴(yán)格的統(tǒng)一管理體系，定員定崗責(zé)任到人。2、質(zhì)量保證體系（1）建立健全質(zhì)量保證體系，配備足夠的專業(yè)質(zhì)量檢查人員，確保工程質(zhì)量。（2）加強(qiáng)技術(shù)管理，認(rèn)真貫徹國家規(guī)范、操作規(guī)程及各項(xiàng)管理制度，確確崗位責(zé)任制，組織學(xué)習(xí)圖紙、施工組織設(shè)計和工藝卡，做好技術(shù)交底工作，