地铁路段大面积混凝土收缩裂缝机理与控制策略

地铁路段大面积混凝土收缩裂缝机理与控制策略

余美琳   ,胡琼静

中建二局第三建筑工程有限公司，湖北省武汉市 430000

摘要：为了研究地铁路段大面积混凝土裂缝控制技术，以武汉市轨道交通某地铁工程车辆路段为例，分析大面积混凝土收缩裂缝的常见类型、产生裂缝的原因，从混凝土材料质量控制、施工技术两个方面提出防止裂缝产生的相应措施，可为类似地铁工程保证结构安全和施工质量提供参考。

关键词：地铁路段；大面积混凝土；收缩裂缝；结构安全

引言

随着混凝土技术的飞速发展，大量商品混凝土的出现，大面积混凝土结构逐渐广泛地应用于建筑工程中，特别是大型地铁路段广泛使用大面积混凝土地面，但由于结构尺寸大、混凝土浇筑量多、水泥水化温升高等特点，其极易产生裂缝，进而影响结构的使用功能，降低结构的耐久性。大面积混凝土开裂问题频繁发生，已经成为工程亟待解决的问题。本文以武汉市轨道交通某地铁工程车辆段为研究背景，从混凝土材料、施工技术两个方面提出预防措施，探讨地铁路段大面积混凝土裂缝控制的技术。

1、工程概况

该地铁车站为地下二层岛式车站，车站的大面积混凝土梁呈南北走向，车站总长为220m，标准宽段18.9m,有效站台中心里程处顶板覆土厚度约为1.5～2.9 m，标准段车站基坑底板埋深约21.8m，属于大面积现浇混凝土结构。车站采用分段浇筑方式，每间隔50～70 m设置一道后浇带，围护结构采用700 mm厚地下连续墙。该地铁车辆段工程完工后，顶板、侧墙等位置出现大量裂缝。

2、地铁路段大面积混凝土收缩裂缝类型

当混凝土结构受到温度拉应力作用时，是由于抗拉强度过低且超过了混凝土结构可承受的范围，导致混凝土出现不同程度的裂缝，抗拉强度越高，产生的裂缝越小。针对以上这种现象，大面积混凝土结构裂缝根据深度不同，可分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝[2]。各种裂缝影响程度如下：

⑴表面裂缝是一种常见的裂缝且对混凝土结构的危害性小，主要是由温度引起；

⑵深层裂缝的破坏程度较为严重，这种裂缝的破坏形式表现为水分渗入混凝土结构导致内部受潮锈蚀；

⑶贯穿裂缝的破坏程度最严重，直接影响了混凝土结构的整体稳定性和耐久性。

3、地铁路段大面积混凝土收缩裂缝的机理分析

3.1混凝土收缩变形引起的收缩裂缝

在地铁工程中，道路表层出现的混凝土缩水和塑性裂缝收缩，会造成道路混凝土表层水泥出现塑性形变，导致结构出现塑性裂缝的收缩问题。对于地铁路段在浇筑混凝土完成后约5h后，由于大面积混凝土路面含有较多水分，在混凝土收缩凝结的过程中，风速过大、外界温度过高及混凝土表层水泥对水分的剧烈反应，水分大量蒸发，造成混凝土塑性收缩[3]，当混凝土的拉应力超过抗拉强度时，道路混凝土就会出现裂缝[2]。

3.2内外温差变化引起的收缩裂缝

混凝土外界环境温度也对混凝土结构收缩裂缝的产生有较大影响。该工程在武汉市七月至八月末施工，白天混凝土表面温度可达50℃，外界温度过高，水分蒸发过快，导致内外部温度出现显著差距，从而混凝土出现构造裂缝。

3.3施工工艺引起的收缩裂缝

⑴地铁工程中出现大面积收缩裂缝，主要是由于施工工人在混凝土终凝后就把大量钢筋堆放在地面上，而此时混凝土强度还未达到设计强度，大面积混凝土较为薄弱部位便受到较大荷载，混凝土结构便很容易出现裂缝。

⑵地基加固不彻底、基础受到破坏或支撑体系不牢固，出现裂缝；第三，在浇筑混凝土之前，模板和垫层的洒水量不足，导致模板和垫层过分干燥，混凝土结构产生塑性收缩，出现裂缝。

3.4原材料的质量

水泥的种类及用量、水灰比、外加剂的品种及掺量等混凝土原材料质量的因素，对混凝土裂缝产生影响颇大。

3.4.1水泥的品种及用量

水泥水化热是产生温度应力的主要因素，因此水泥的品种和用量是大面积混凝土裂缝控制的关键因素。C3A、C3S含量高的水泥水化产生的水化热较多[1]，因此尽量选用低热或中热的水泥。水泥用量也是影响混凝土收缩的重要因素，水泥用量越多，混凝土产生的水化热越多，混凝土结构内部的温度越高。

3.4.2水灰比

水灰比对水泥水化放热速率影响较大，李占印等[4]通过大量试验证明水灰比对水化速率有直接影响，当水灰比（W/C）从0.3增加到0.6，28d水化热有显著提升。混凝土塑性收缩面积最不利值对应的水灰比约为0.5。当W/C＞0.5时，裂缝面积随水份蒸发速率的提高而减小，当W/C＜0.5时，裂缝面积随水份蒸发速率的提高而增大[4]。水灰比较高时，毛细孔径较大，混凝土拌合物蒸发的水分较多，毛细管在一段时间内以较小的速率发展，水化放热速率也降低；水灰比较低时，混凝土的整体性及粘聚性良好，塑性沉降较小，塑性收缩裂缝面积较小。因此在施工过程中应避免因早期水分快速蒸发而造成大面积塑性裂缝的产生。

3.4.3外加剂

常见的外加剂包括减水剂、缓凝剂、膨胀剂等。外加剂作用的机理是改变水化速率来影响水泥水化热。减水剂可显著分散水泥颗粒，提高水泥颗粒与水的接触程度，影响水泥水化速率，从而影响水化温度。膨胀剂可延缓水泥的凝结时间，来补偿混凝土早期收缩

[5]。

4、地铁路段大面积混凝土收缩裂缝的防治措施

4.1混凝土材料质量控制方面

在施工作业前，针对施工环境特点、外界气候变化等因素，除了对混凝土拌合物原材料（水泥、外加剂、砂、石等）进行严格抽样检查，还需做好混凝土配合比的优化，选择最佳配合比。大面积混凝土中禁止使用安定性不良的水泥，尽量采用水化热低、凝结时间长的水泥，可以延长结构中心点到达最高温度的时间，以降低混凝土结构中心的水化热温度[6]。同时可以通过改进水泥掺合料来提高混凝土抗裂能力，混合掺入经过筛选的石英岩类集料，降低大面积裂缝产生的几率[6]。在保证混凝土强度和坍落度要求的情况下，提高掺合料及集料含量，降低混凝土中水泥用量。此外，大面积混凝土中可根据配合比适量加入减水剂、膨胀剂、缓凝剂，以改善混凝土性能。

4.2施工技术方面

⑴养护措施

本工程中地铁路段混凝土施工面积较大，因此需要同时开展施工和养护工作，应确保混凝土表面保持湿润状态。采用双面带模板养护方法，在现有模板基础的内侧另设1层面板，该模板养护方法的保湿保温性能良好，拆模后混凝土外观质量非常高，且未出现任何裂缝，有效解决了大面积混凝土早期内外温差过大而引起裂缝的问题。

⑵后浇带布置规划

采用掺和少量铝粉的混凝土灌注后浇带，并采用高强度混凝土浇筑。本工程需根据后浇带位置划分浇筑区域，采用“斜面分层法”进行混凝土分层浇筑，即浇筑顺序遵循由高到低不断推进，以每层300～500mm的厚度进行浇筑，这样能确保混凝土连续作业及浇筑均匀。振捣方法采用“二次振捣法”,振捣棒插入下层混凝土深度约为5cm，消除混凝土表面空隙，加强混凝土抗裂性能。

⑶温度检测

温度监测是大面积混凝土施工关键环节，除了在混凝土浇筑过程中进行温度检测，还需要在养护过程中加强对环境温度、内外温差等检测。一般混凝土结构内外温差需控制不超过20℃。本工程采用内部布设水管，灌入冷却水，来降低混凝土内部温度，能有效降低混凝土开裂风险。

5、结语

本文结合实际工程背景探讨了地铁路段大面积收缩裂缝控制技术，通过降低水化热、提高混凝土材料质量、优化配合比、改善施工工艺等措施，将产生裂缝的危害降到最低，提高了工程质量，具备良好的经济效应。