地铁车站混凝土开裂原因及修补措施

地铁车站混凝土开裂原因及修补措施0引言随着我国人均收入的增长及城市化进程的加快，城市规模不断扩张，交通需求迅速扩大，城市轨道交通已进入快速发展阶段。在人稠密的城市中心，交通问题日益突出，已成为经济发展的瓶颈，严重影响居民的正常生活。发展城市内地铁系统是改善城市交通状况的根本途径，是未来城市交通的重要发展方向，也是社会可持续发展的必然举措［1］。而城市的地铁工程往往是城市投资规模最大的基础设施建设项目，也被要求作为城市人防工程，是城市的百年大计，所以地铁系统设计和施工的质量尤为重要。地铁车站作为地铁系统中的重要组成部分，不仅与乘客安全关系密切，而且又集中设置了地铁系统运营中大部分的技术设备与管理系统，因此地铁车站混凝土结构的安全问题往往直接或间接地影响地铁系统的社会效益和经济效益。本文总结了地铁车站混凝土结构可能的开裂原因，给出了相应的防护措施，最后介绍了地铁车站混凝土结构裂缝的修补方法，希望其内容对地铁设计、材料、施工和运营维护者均有所裨益。1地铁车站混凝土开裂及原因分析目前，我国大部分地铁车站在结构上主要由顶板、中板、底板、连续墙及内衬墙等几部分组成，这些结构在厚度方向上的尺寸远小于其他方向，一般被称为超长大面积混凝土板结构［2］。而混凝土板结构由于诸多因素的作用，往往会产生开裂问题。由于导致开裂的因素不同，这里将其分为三种开裂类型：收缩开裂、耐久开裂和振动开裂。1.1收缩开裂及其成因混凝土开裂的根本原因在于其内部或表面所受的拉应力超过其所建立的抗拉强度所致。地铁车站混凝土的收缩开裂，主要集中在超长大面积混凝土板结构施工过程中存在的水泥水化放热集中现象所导致的开裂，新拌混凝土硬化过程中干燥收缩导致的开裂，以及周围环境温度变化导致的开裂。水泥水化导致的混凝土温差开裂超长大面积混凝土板在施工过程中往往要求一次性整体浇筑，浇筑后因水泥水化产生水化热，由于混凝土体积大，聚集在内部的水泥水化热不容易及时散发，混凝土内部温度显著升高。而混凝土表面散热较快，混凝土内部与表面形成了较大的温差（15〜40C）。温差导致混凝土内外的变形程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力。而此时混凝土龄期很短，抗拉强度低，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂缝。对于此类情况导致的裂缝，预防的关键在于正确选择水泥品种（包括细度等指标），控制混凝土中水泥的用量和掺合料的比例，掺加缓凝型外加剂等。在选择水泥品种时，应优先采用水化热低的高贝利特（C2S）水泥和混合材比例高的中、低热水泥，而不宜使用早强水泥。在满足混凝土强度和抗渗性的条件下，尽量减少水泥用量是防止混凝土温差开裂的重要措施之一。在水泥技术指标方面，水泥不宜过细，比表面积控制在25〜32cm3/g为宜。此外，还应该控制水泥中游离石灰、三氧化硫以及游离氧化镁等对体积安定性有较大影响的组分含量，以及水化速度快、水化热高、需水量大、体积收缩大的铝酸三钙（C3S）的含量，还要严格控制水泥中的含碱量等。若不能选用中、低热水泥，则应考虑在配制混凝土时掺加粉煤灰、矿渣粉和石灰石粉等掺合料，以在不影响28d强度的情况下，尽可能延迟水化放热峰的出现时间和降低内部的温度峰值。在混凝土配制中也应选择缓凝型的高效减水剂或高性能减水剂，一方面可降低胶凝材料用量，另一方面也有助于延迟水化放热峰的出现时间和降低内部的温度峰值，从而预防温差开裂的危害。混凝土硬化过程中的收缩开裂混凝土硬化过程中的收缩有多种类型，诸如化学收缩、自收缩、塑性收缩和干燥收缩等。①化学收缩是指水泥基材料在水泥水化过程中,水化产物的绝对体积比水化前水泥与水的绝对体积之和减少的现象，主要是由于水化反应前后化合物密度不同所致。Tazawa等［3］指出化学收缩是水泥与水反应时其总体积的减小值。化学收缩由水泥基材料的组成及水化程度来决定，是自收缩的驱动力［4］。②塑性收缩是指混凝土在硬化前，表面因失水过快而产生的收缩。混凝土在终凝前几乎没有抗拉强度或抗拉强度很低（＜0.1MPa），或者混凝土刚刚终凝时，受到外界作用的影响，混凝土表面失水过快，造成混凝土内部毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩。而此时混凝土的强度又无法抵抗其自身收缩，从而产生开裂。③干燥收缩是指混凝土浆体中的水分在长期干燥的环境中逐渐逸出挥发而使毛细管产生负压而导致的体积收缩。对于混凝土硬化过程中的收缩开裂，除了应注意水泥品种的选择、减水剂品种的选择外，也要注意混凝土水胶比的影响。由于混凝土水胶比越大，收缩越大，因此要注意尽量降低混凝土的水胶比。同时，为防止混凝土硬化过程中的开裂，可考虑掺加膨胀剂、减缩剂和/或减缩剂等外加剂，以及掺加纤维材料（比较常用的为聚丙烯纤维，其对混凝土塑性收缩裂缝有较好的抑制效果）。同时，施工过程中要非常注意混凝土的养护，尽量采用覆膜养护，以减少水分散失，也可以使用混凝土养护剂等保证混凝土的良好养护。1.2耐久开裂及其成因地铁车站混凝土的耐久开裂，集中在受到静荷载、动荷载与结构次应力等［5］荷载长期作用下的混凝土结构中由于耐久性不足导致的结构开裂。这主要表现在由于混凝土抗渗性能下降导致的渗透开裂，由于混凝土抗侵蚀性能下降、地铁迷流等导致钢筋锈蚀而产生的锈蚀开裂。1.2.1渗透开裂地铁车站混凝土长期处于潮湿及存在地下水的环境中。对地铁系统中的大体积混凝土结构而言，在运营中要承受各种荷载和变形，混凝土在荷载、变形和气候作用下，微结构性能会逐步劣化，表面及内部产生很多微裂纹。而混凝土的微裂纹又会导致渗透通道的相互联结并且增加混凝土的渗透性，这种由于裂纹扩张导致的渗透性增加使得更多的水和有害化学物质渗入混凝土中，引起混凝土性能的进一步劣化、开裂［6］。这样类似的链式反应：混凝土劣化-混凝土开裂-渗透性增加-混凝土进一步劣化［7］，终将导致混凝土结构的毁灭性破坏。锈蚀开裂在超长大面积混凝土结构中，钢筋混凝土由钢筋和混凝土复合而成。若钢筋裸露在大气或者其他介质中，容易受蚀生锈，使得钢筋的有效截面积减小，影响结构受力，而钢筋外部的混凝土则能够有效保护钢筋而使其少受甚至不受外界介质的侵蚀。混凝土保护层是指混凝土结构件中，受力钢筋最外层钢筋的外缘至混凝土表面之间的部分［8］。混凝土保护层的抗侵蚀耐久性能会直接影响到内部钢筋的化学稳定性，若保护层抗侵蚀耐久性能不佳，则受力钢筋会比较早地锈蚀。随着锈蚀的进行，锈蚀产物不断增加，锈蚀产物的增加对钢筋周围的混凝土保护层产生挤压应力，并在混凝土内部形成压应力，最终混凝土保护层发生劈裂，破坏了钢筋与混凝土之间的粘结力。钢筋锈蚀不仅减小了钢筋本身的受力截面，而且降低了自身结构刚度和钢筋混凝土的耐久性，引起混凝土结构的开裂破坏。地铁车站由于其环境的特殊性，混凝土遭受的侵蚀往往比普通工程混凝土更加复杂也更加严峻。首先，地铁车站的主体结构混凝土往往处于地下水丰富、透水性强的地层中，而我国地下水特别是浅层地下水污染比较严重，富含氯离子、硫酸根离子等侵蚀性介质［9］。地铁车站混凝土结构长期受到地下水浸泡，遭受地下压力水、酸性地下水的溶蚀，以及地下水中硫酸盐离子、氯离子的侵蚀，这些因素导致了混凝土中包裹着的钢筋受到锈蚀作用，强度大幅降低。其次，地铁迷流对地铁车站混凝土结构也会产生显著的影响。地铁迷流也称地铁杂散电流，主要指由采用直流供电牵引方式的地铁列车在地下铁道运行时泄漏到道床及周围土壤介质中的电流［10］。地铁迷流对地铁车站混凝土结构中的受力钢筋产生电化学腐蚀，在这个反应过程中，氧化还原反应可以在钢筋表面自发进行，使钢筋遭到锈蚀，进而引起混凝土结构开裂破坏。1.3振动开裂及其成因由于地铁系统每天繁重的运营任务，线路的轨道结构作为其下部基础，长期承受列车碾压、振动、摩擦、冲击和环境温度变化的作用，在使用过程中混凝土结构会出现各种各样的损伤，并最终导致道床混凝土开裂。同时，由于施工技术问题和质量问题产生的原始微裂缝，在长期的车辆荷载作用下会迅速扩张、延伸，成为宏观裂缝，直接威胁地铁系统的运营安全。方树薇［11］通过建立的道床板有限元模型，对其施加列车荷载和温度荷载，发现道床板在列车荷载和温度荷载作用下，裂纹的萌生位置位于枕角处，并大致沿45°方向扩展。2地铁车站混凝土结构裂缝的修补措施混凝土结构裂缝的出现不但影响结构的整体性和刚度，降低抗疲劳性，还会降低混凝土的抗渗能力，加速混凝土的碳化，加快内部配置钢筋的锈蚀，导致整体结构耐久性下降和使用寿命严重缩短。为保证地铁车站正常运营，一旦发现裂缝和渗漏，应立即根据裂缝的性质和具体情况，及时采取措施进行修补。混凝土裂缝的修补措施主要有：表面修补法；灌浆、嵌逢封堵法；结构加固法；置换混凝土法；电化学防护法；仿生自愈合法。2.1表面修补法表面修补法是在混凝土裂缝的表面涂抹水泥浆、聚合物改性水泥浆、环氧胶泥，或在混凝土表面涂刷油漆、沥青、煤焦油等，以封闭裂缝，防止外界有害介质通过裂缝侵入混凝土内部，造成进一步的侵蚀。有时，为了防止混凝土修补后受各种作用继续开裂，还在裂缝表面粘贴玻璃纤维布、碳纤维布，以起到较好的约束作用。表面修补法是较简单且常用的裂缝修补方法，适用于裂缝情况较稳定，且裂缝对结构承载能力影响不明显的情况。2.2灌浆、嵌逢封堵法灌浆法是利用压力设备将灌浆材料压入混凝土裂缝中，灌浆材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到封堵裂缝和加固混凝土的目的。常用的灌浆材料有水泥浆、聚合物改性水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯和聚氨酯等。灌浆法适用于对结构整体性有一定影响的裂缝，或开裂后对结构抗渗性负面影响较大混凝土结构。嵌缝封堵法是沿裂缝长度方向凿一定宽度的浅槽，在浅槽中嵌填塑性或刚性封堵材料，以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性封堵材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等；常用的刚性封堵材料为聚合物水泥砂浆、环氧树脂砂浆等。嵌缝封堵法是混凝土结构裂缝封堵中最常用方法。2.3结构加固法结构加固法通常有：①通过补充钢筋和混凝土，加大混凝土结构的截面面积；②在混凝土构件角部外包型钢；③在混凝土受拉部位粘贴钢板；④采用预应力法加固；⑤增设支点加固；⑥喷射混凝土补强加固等。当裂缝损害程度影响到混凝土结构的承载能力时，就必须考虑采取措施对混凝土进行加固处理。加固处理的费用较高，但能提高结构的整体性能。2.4置换混凝土法置换混凝土法是先将损坏的混凝土全部剔除（若钢筋锈蚀严重，也需更换钢筋或增加配筋），再置入新的混凝土或砂浆。常用的新混凝土有普通混凝土和聚合物改性混凝土；常用的新砂浆有水泥砂浆、聚合物改性水泥砂浆和环氧砂浆等。浇筑的新混凝土或新砂浆的强度等级必须至少比原有混凝土高一个等级。置换混凝土法用于结构混凝土严重损坏情况下的修补加固，费用高，但收效显著。2.5电化学防护法电化学防护法是利用所施加的电场，通过电化学作用，改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状态，钝化钢筋，以达到防腐和保护钢筋混凝土的目的。通常所采用的电化学防护法包括阴极防护法、氯盐提取法和碱性复原法等。电化学防护法受环境因素的影响较小，适用于对钢筋和钢筋混凝土的长期防护，既用于已开裂结构，也可用于新建结构。2.6仿生自愈合法仿生自愈合混凝土是模仿动物的骨骼组织结构和受创伤后的再生、恢复机理，采用粘接材料与基材相复合的方法而制得，当基体材料损伤破坏后具有自行愈合或再生功能，以恢复甚至提高基体材料性能。其作用机制为：预先在混凝土中埋入一些特殊的空心玻璃纤维或胶囊其中装有具有修复裂缝功能的化学物质），当混凝土产生微裂缝时，空心玻璃纤维断裂或胶囊破裂，释放出修补裂缝的化学物质，化学物质随即在裂缝中固化，使裂缝愈合，并使混凝土恢复到未开裂时的原有力学性能。现在处于研究阶段的还包括矿物自修复混凝土和细菌自修复混凝土等。仿生自愈合法是比较新的一种混凝土裂缝（缺陷）修复方法。实际应用时，应根据混凝土所处的工作环境，设计合适的自修复方法。3结论地铁车站自修建阶段开始，混凝土结构就存在各种开裂致因。地铁车站混凝土的开裂分为收缩开裂、耐久开裂和振动开裂三类。对于混凝土开裂的防护，应从结构设计、材料选择和施工控制三个方面着手。结构设计阶段，要了解造成开裂的应力的因素及分布特征，设计预应力钢筋或增强钢筋来解决荷载平衡与整体传力问题，从结构层次规避裂缝产生的风险。在混凝土原材料选择和配合比设计方面，应根据工程所在地实际情况，尽量选择低热水泥、优质掺合料、缓凝型外加剂和优质的骨料，并注意在混凝土配合比设计过程中降低胶凝材料用量。在施工阶段，应注意施工环境的选择，严格执行相关施工规程，控制混凝土拆模时间和加强混凝土养护等。地铁车站混凝土和钢筋混凝土结构一旦开裂，应及时研判开裂的危害及发展情况，采取必要而切实可行的措施进行修补加固，以保证结构的使用安全性和使用寿命。工程质量保证措施1、质量目标本工程质量目标为合格。为确保工程质量，从质量管理体系的各工序质量程度网络控制两大方面严格控制，并制定出相应的质量保证措施以确保工程的质量。质量保证体系的管理组织，从公司到项目部，配套管理，形成严格的统一管理体系，定员定岗责任到人。2、质量保证体系（1）建立健全质量保证体系，配备足够的专业质量检查人员，确保工程质量。（2）加强技术管理，认真贯彻国家规范、操作规程及各项管理制度，确确岗位责任制，组织学习图纸、施工组织设计和工艺卡，做好技术交底工作，