地鐵工程混凝土開裂原因及綜合防治論文
【摘要】地鐵工程混凝土結(jié)構(gòu)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、結(jié)構(gòu)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。
【關(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，投資巨大，百年大計，混凝土除強(qiáng)度等級要滿足結(jié)構(gòu)要求外，還必須考慮混凝土,結(jié)構(gòu)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)澆混凝土結(jié)構(gòu)滲漏機(jī)理來分析：主要原因是由于混凝土自身的孔隙、裂縫、施工縫造成的，而裂縫的危害最大，因此，對混凝土結(jié)構(gòu)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(jī)理分析
據(jù)國內(nèi)研究資料，嚴(yán)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。混凝土未受力之前，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0.05mm的裂縫稱為微觀裂縫，大于0.05mm的裂縫稱為宏觀裂縫。而據(jù)國內(nèi)試驗(yàn)資料[3]，裂縫寬度小于0.1mm時具有自愈、自封現(xiàn)象，當(dāng)裂縫寬度在0.1mm～0.2mm之間時混凝土結(jié)構(gòu)雖無自封現(xiàn)象，但卻有自愈現(xiàn)象。故從防滲角度而言，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結(jié)構(gòu)一樣，宏觀裂縫是在兩類荷載作用下產(chǎn)生并擴(kuò)展的。一類是由靜荷載、動荷載與結(jié)構(gòu)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(jī)理是有區(qū)別的，區(qū)別在于后者產(chǎn)生裂縫的起因是結(jié)構(gòu)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)力尚與結(jié)構(gòu)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]表明：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題的重點(diǎn)。
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十分復(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、結(jié)構(gòu)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，使用反應(yīng)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�；炷帘旧聿痪鶆蛞矔䦟�(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)生局部的約束效應(yīng)，當(dāng)該應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時，便會導(dǎo)致宏觀裂縫的出現(xiàn)與擴(kuò)展。
3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計
地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計一般包括結(jié)構(gòu)選型、荷載計算、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、內(nèi)襯設(shè)計、結(jié)構(gòu)樓板和梁的設(shè)計、抗浮設(shè)計等[4]。其中結(jié)構(gòu)選型包括選擇淺埋式矩形箱式結(jié)構(gòu)還是深埋式圓形隧道式結(jié)構(gòu)等，其它幾個方面的結(jié)構(gòu)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(qiáng)度與抗裂的設(shè)計。但如果選型不當(dāng)或估算荷載與真實(shí)情況有較大的偏差，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不足而出現(xiàn)滲漏。
3.3施工技術(shù)
從我國目前研究實(shí)踐的現(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(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)，還有施工縫、變形縫、伸縮縫的設(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(shí)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(jī)率。施工縫等人工縫的設(shè)置主要是體現(xiàn)“放”的防裂抗?jié)B原則，實(shí)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。而一些泄壓措施則體現(xiàn)了“排”的防裂抗?jié)B原則，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結(jié)構(gòu)減少承受的水壓，而降低混凝土結(jié)構(gòu)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，另外地鐵在采用單側(cè)墻結(jié)構(gòu)時，其兩面的溫度場與濕度場也有很大的差異。由于地鐵結(jié)構(gòu)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。地鐵結(jié)構(gòu)屬于超靜定結(jié)構(gòu)，在其基礎(chǔ)為軟土地基時，會因基礎(chǔ)的不均勻沉降而使結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)迫變形，而使結(jié)構(gòu)開裂。
4我國地鐵混凝土開裂實(shí)例總結(jié)
筆者對我國地鐵工程混凝土結(jié)構(gòu)開裂工程實(shí)例作了總結(jié)，得出地鐵混凝土開裂具有以下特點(diǎn)：
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(jī)率高于溫度低時澆筑的混凝土，冬季施工出現(xiàn)宏觀裂縫的機(jī)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(hù)結(jié)構(gòu)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。筆者在目前研究的基礎(chǔ)上，提出一套從材料、施工和結(jié)構(gòu)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(jìn)行控制。
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、水泥用量的確定以及水泥技術(shù)指標(biāo)的要求等方面進(jìn)行控制。在選擇水泥品種時，應(yīng)盡可能優(yōu)先采用水化熱低、大廠旋窯生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)水泥,且不宜使用早強(qiáng)水泥。在滿足混凝土的強(qiáng)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(xì)度上，要求水泥不宜過細(xì)，比表面積控制在4000cm2/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(規(guī)范規(guī)定不超過8%)，而且還要嚴(yán)格控制水泥中含堿量（以Na2O計）不應(yīng)大于0.6%。
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階段本身既可產(chǎn)生膨脹,也可與水泥中其他成分反應(yīng)產(chǎn)生膨脹,以補(bǔ)償混凝土硬化的體積收縮。同時改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu),使之更加密實(shí),所以它是一種較理想的結(jié)構(gòu)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(CEA)、鋁酸鈣膨脹劑(AEA-高強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度不能太高，所以只能選擇普通減水劑與AE減水劑來增加混凝土的抗裂性能。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(bǔ)償混凝土冷縮的特點(diǎn),從而提高了混凝土的抗裂、抗?jié)B能力。
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，加入到混凝土中后，能起到潤滑作用，可顯著地改善混凝土的和易性，同時在滿足強(qiáng)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(yuǎn)、前景廣闊。
5.2施工
在施工中，施工環(huán)境、參數(shù)控制、施工注意事項(xiàng)、拆模時間及養(yǎng)護(hù)都會影響到地鐵混凝土的抗裂性能，此方面研究較多[5]～[7]，不贅述。
5.3結(jié)構(gòu)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(xì)裂紋擴(kuò)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(kuò)展有限制作用。所以針對具體的工程，在進(jìn)行地鐵混凝土抗裂設(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)力局部峰值，同時以試驗(yàn)為指導(dǎo)，加入經(jīng)濟(jì)性與抗裂性都較好的一種或幾種不同直徑的纖維解決細(xì)觀與微觀裂紋的擴(kuò)展問題。這些結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)質(zhì)上是增強(qiáng)混凝土的自防水功能，因?yàn)榈罔F混凝土的抗裂的最終目的是防滲，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計是和抗裂的最終目標(biāo)緊密聯(lián)系的。
6結(jié)論
1)地鐵混凝土開裂是因?yàn)槭艿絻深惡奢d的作用：第一類是由外荷載作用而引起的裂縫，即結(jié)構(gòu)性裂縫；第二類是由變形變化而引起的裂縫，即非結(jié)構(gòu)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、施工和結(jié)構(gòu)設(shè)計三方面進(jìn)行綜合防治的措施。
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(jī)理方面研究較少，尤其是對地鐵工程混凝土結(jié)構(gòu)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(jī)理的研究尚不成熟，有待作進(jìn)一步地深入研究。
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