路亞雷

中鐵十九局集團(tuán)有限公司 浙江 寧波 315000

引言

由于地鐵車站是整個(gè)城市軌道交通的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它既與旅客的生命安全息息相關(guān)，同時(shí)也是整個(gè)城市運(yùn)行的主要技術(shù)裝備和運(yùn)行管理體系。文章對(duì)地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫成因進(jìn)行了分析，并提出了預(yù)防措施，并對(duì)地鐵的施工、材料、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供了有益的參考。

1 地鐵車站混凝土開裂及原因

分析當(dāng)前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的地鐵站都是采用頂板、中板和底板為主的，由多個(gè)單元構(gòu)成的連續(xù)墻體和襯砌墻體，它們?cè)诳v向上的尺寸比其他各向都要小得多。但由于各種原因，導(dǎo)致混凝土面板的裂縫問題。根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因，本文將裂縫劃分為收縮開裂、耐久開裂和振動(dòng)開裂三種。

1.1 收縮開裂及其成因

開裂產(chǎn)生的根源是由于其內(nèi)部或表層受到的拉伸大于其本身的拉伸強(qiáng)度。地鐵車站的混凝土收縮裂縫，是由于大跨度的混凝土面板結(jié)構(gòu)在建設(shè)時(shí)出現(xiàn)的水化和釋放熱量的聚集，新拌的砼由于固化時(shí)的干縮和收縮引起的裂縫，還有由于周邊氣溫的改變而產(chǎn)生的裂縫。

1.1.1 水泥水化導(dǎo)致的混凝土溫差開裂。在大跨度的混凝土結(jié)構(gòu)中，常常需要一次全澆，因?yàn)樵跐沧⒑?，?huì)發(fā)生水化熱。而混凝土的巨大容積會(huì)使其在短時(shí)間內(nèi)不易釋放，混凝土的內(nèi)部氣溫明顯上升。同時(shí)，由于混凝土的溫度迅速下降，導(dǎo)致混凝土與混凝土表層之間的溫度相差很大（15～40℃）。由于溫度的變化，使得混凝土內(nèi)部和外部發(fā)生了較大的變化，從而引起了混凝土的局部張應(yīng)力。而在這個(gè)時(shí)期，由于其壽命較長(zhǎng)，其抗張力性能較差，因此，在抗拉應(yīng)力大于其拉伸強(qiáng)度的情況下，容易出現(xiàn)裂紋。針對(duì)這種狀況造成的裂紋，其防治的重點(diǎn)是選用合適的水泥種類（如細(xì)度等），并通過適當(dāng)?shù)呐浔葋磉M(jìn)行混凝土中的摻入量的調(diào)整，以及添加緩凝材料等。水泥的選用以低水化熱的高貝利特水泥和高摻量的低熱水泥為主，但對(duì)早期強(qiáng)度水泥的選用則是以低熱水泥為主。在保證混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性能要求的前提下，最大限度地降低水泥的摻入量是預(yù)防溫差裂縫的主要方法。在技術(shù)要求上，應(yīng)以混凝土的粒度為宜，以2500～3200cm3/g為宜。另外，還應(yīng)注意控制對(duì)水泥中游離石灰、三氧化硫、游離氧化鎂等成分的含量，水化速度快、水化熱高、需水量大，大容積收縮的三氯化鋁（C3S），同時(shí)要對(duì)混凝土中的堿等進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)控。如果不能選用中、低熱水泥，可以在水泥中加入粉煤灰、礦渣粉、石粉等外加劑，從而盡量推遲水化放熱峰的產(chǎn)生和減小內(nèi)溫的峰，而不會(huì)對(duì)28天的強(qiáng)度產(chǎn)生任何的不利作用。在混凝土配方中還應(yīng)該選用具有較好的緩凝性、高效性的減水劑，既可以減少水泥的使用，又可以延緩水化放熱高峰的發(fā)生，減小其內(nèi)部的溫升，防止其產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

1.1.2 混凝土硬化過程中的收縮開裂。在混凝土的硬化過程中，其收縮可以分為化學(xué)收縮、自收縮、塑性收縮、干縮等。①水化作用是指在水化作用下，水化后的水化產(chǎn)品相對(duì)于水化之前，其相對(duì)于水化之前，其相對(duì)密度有所降低。Tazawa等認(rèn)為，當(dāng)水泥與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，其體積減小?；瘜W(xué)收縮是影響其自身收縮的主要因素，它取決于其成分和水化水平。②塑性收縮是由于在混凝土凝固之前，由于水分迅速流失而引起的收縮。在終凝之前，混凝土的拉伸和拉伸性能極差（＜0.01 MPa），或由于外部因素的影響，在混凝土初凝固后，其表層水分會(huì)迅速流失；引起了混凝土中的大面積的毛細(xì)壓力，從而導(dǎo)致了混凝土的體積迅速縮小。同時(shí)，水泥的強(qiáng)度也會(huì)因?yàn)楸旧淼呐蛎浂屏?。③干縮是由于水泥漿中的水分在長(zhǎng)時(shí)間的干旱條件下不斷地釋放和蒸發(fā)，從而引起了毛細(xì)壓力的收縮。在混凝土強(qiáng)化中，除要考慮水泥品種、減水劑品種以外，還必須考慮混凝土水膠比例的變化?；炷恋乃z比例較大時(shí)，其收縮較大，應(yīng)盡可能減少水泥的水膠比例。為了避免在混凝土中發(fā)生裂紋，可以采用膨脹劑、減縮劑等添加劑，并加入一些纖維類物質(zhì)（其中最常見的是能有效地抑制混凝土的塑性收縮裂縫）。在施工中要特別重視混凝土的維護(hù)，并盡可能地采取覆蓋式的方法來降低水的損失；還可以采用混凝土養(yǎng)護(hù)液等進(jìn)行有效的維護(hù)[1]。

1.2 耐久開裂及其成因

在長(zhǎng)時(shí)間承受靜荷載、動(dòng)荷載和結(jié)構(gòu)次應(yīng)力等荷載的情況下，會(huì)引起混凝土建筑的耐久裂縫。其原因是：混凝土的抗?jié)B性能下降，地鐵迷流和腐蝕引起的鋼筋腐蝕斷裂。

1.2.1 滲透開裂。地鐵車站的水泥長(zhǎng)時(shí)間處在有地下和濕潤(rùn)的條件下，由于大容積混凝土在運(yùn)行過程中會(huì)受到不同程度的荷載和變形，混凝土在荷載、變形、氣候等因素的影響下，其微觀組織會(huì)逐漸退化，在混凝土的表層和內(nèi)部出現(xiàn)大量的微觀裂縫。同時(shí)，混凝土表面的微觀裂縫也會(huì)造成滲流管道之間的連接，提高混凝土的滲透率，從而造成更多的水分和有害的化學(xué)物進(jìn)入到混凝土中，使混凝土進(jìn)一步惡化、開裂。同樣的連鎖反應(yīng)?；炷镣嘶?裂縫-滲透系數(shù)增大-混凝土惡化-最終會(huì)造成對(duì)混凝土的破壞性損害。

1.2.2 銹蝕開裂。在大跨度的混凝土中，采用了鋼筋與混凝土的混合。如果暴露于空氣和其他環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生腐蝕，從而導(dǎo)致鋼筋的截面變薄，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生不利的作用。而鋼筋外層的水泥可以有效地防止鋼筋受到腐蝕，甚至防止其受到外界的腐蝕?；炷练雷o(hù)層是由最外層的鋼筋外側(cè)邊緣到混凝土表面的一段。如果防護(hù)層的耐蝕性和耐久性都會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生很大的影響，如果防護(hù)層的耐久性不夠好，那么鋼筋將會(huì)更快地腐蝕。腐蝕的過程中，腐蝕物質(zhì)增多，使鋼筋周邊的混凝土保護(hù)層發(fā)生擠壓，從而在混凝土中形成壓力，最后，混凝土防護(hù)膜開裂，導(dǎo)致鋼筋與混凝土的結(jié)合失效。由于腐蝕作用，使鋼筋的截面變薄，使其自身的剛度下降，使其耐用性下降，從而造成裂縫和損壞。地鐵站點(diǎn)因其特殊的工作條件，其腐蝕問題較一般的工程施工更為復(fù)雜和嚴(yán)重。首先，由于地鐵車站主要建筑的混凝土常常處于地下水豐富、滲水性強(qiáng)的地段，而國(guó)內(nèi)地下水尤其是淺部地下水的環(huán)境問題較為突出，含有大量的氯離子和硫酸根離子。由于地下壓力水和酸性地下水的溶解，地下硫酸鹽和氯離子的腐蝕，使其在混凝土中的鋼筋腐蝕，從而大大削弱了其強(qiáng)度。其次，地鐵迷流量對(duì)地鐵站內(nèi)的混凝土建筑也有一定的作用。地鐵迷流又稱為“雜流”，是指利用電力驅(qū)動(dòng)的地鐵線路在軌道上行駛時(shí)向道底和周邊的土壤中泄露的電流。在此期間，由于受到強(qiáng)烈的磁場(chǎng)影響，導(dǎo)致了鋼筋的氧化、還原作用，從而導(dǎo)致了鋼筋的銹蝕。由此導(dǎo)致了混凝土構(gòu)件的斷裂。

1.3 振動(dòng)開裂及其成因

由于日常工作繁忙，地鐵車站的軌道構(gòu)造是其底層地基，長(zhǎng)時(shí)間受到列車碾壓、振動(dòng)和摩擦的影響，且受到的撞擊及周圍的溫度的影響，在施工期間會(huì)產(chǎn)生各種不同程度的損壞，最后造成道床砼裂縫。而在長(zhǎng)時(shí)間的汽車載荷下，因技術(shù)原因和質(zhì)量問題而形成的微觀裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展，并形成大的裂縫，對(duì)整個(gè)城市的運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。方樹薇利用道床鋼板的有限元分析方法，對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：在地鐵和溫壓的條件下，道床板基體的開裂部位主要集中在路基的邊角；并且在45°左右的范圍延伸。

2 地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修補(bǔ)措施

混凝土裂縫不僅會(huì)影響整體強(qiáng)度、剛性、抗疲勞性能，而且還會(huì)使其抗?jié)B率下降，加快其碳化速度，加速構(gòu)件的腐蝕，造成構(gòu)件的整體耐用性降低，從而大大降低了構(gòu)件的使用壽命。為了確保地鐵站的正常運(yùn)行，在出現(xiàn)裂紋或漏水的時(shí)候，必須對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的修護(hù)。目前，混凝土開裂修復(fù)技術(shù)包括：表面修補(bǔ)、灌漿、嵌填封堵、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、替代水泥、電化學(xué)防護(hù)、生物修復(fù)等[2]。

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(shí)，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(jiǎn)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(duì)結(jié)構(gòu)承載能力影響不明顯的情況。

2.2 灌漿、嵌縫封堵法

灌漿技術(shù)是指通過使用加壓裝置將注漿物料注入混凝土裂縫，使其凝固并與水泥融為一體，達(dá)到密封裂縫、加強(qiáng)水泥砂漿的作用。水泥漿、聚合物改性水泥漿、環(huán)氧樹脂是目前較為普遍的注漿方法；異丁二烯和聚亞胺酯等。灌漿是一種對(duì)建筑物整體性能有一定作用的裂縫，或在出現(xiàn)裂紋后，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性產(chǎn)生不利的作用。嵌縫封堵是指沿著縫隙縱向開出一條較淺的溝道，并在溝道內(nèi)嵌入一種可壓縮或硬密封材料，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該裂縫進(jìn)行密封。目前，塑封的主要原料有PVC膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等。常用的硬質(zhì)密封劑有聚合物水泥砂漿、環(huán)氧樹脂砂漿等。在混凝土建筑的裂縫封閉中，嵌縫封堵是最常見的一種施工技術(shù)。

2.3 結(jié)構(gòu)加固法

結(jié)構(gòu)加固一般采用的方法是：①在混凝土中加入鋼筋、混凝土，使其斷面變得更大；②將型鋼包覆于混凝土部件的拐角；③在鋼筋受拉的區(qū)域加入粘貼鋼筋；④預(yù)應(yīng)力鋼筋；⑤增加支座；⑥采用噴水混凝土進(jìn)行強(qiáng)化處理。在受力破壞的情況下，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行加固。雖然加強(qiáng)的成本比較大，但是可以改善結(jié)構(gòu)的總體力學(xué)。

2.4 置換混凝土法

置換混凝土施工方法是將破壞的混凝土完全清除（如果鋼筋腐蝕過深，需要進(jìn)行加固或添加加固），然后在澆筑新的水泥或灰泥。新型的混凝土有一般的、高分子的改性的；新型砂漿有水泥砂漿、聚合物改性水泥砂漿、環(huán)氧水泥砂漿等。新灌入的新的或新的水泥，其強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)至少高于原來的水泥。在混凝土結(jié)構(gòu)破損較大的情形下，采用替代混凝土進(jìn)行修復(fù)和加固，雖然成本較高，但效果明顯。

2.5 電化學(xué)防護(hù)法

電化學(xué)防護(hù)是指在外加電場(chǎng)的基礎(chǔ)上，通過電化學(xué)的方法，使混凝土或鋼筋的周圍的條件發(fā)生變化，使鋼筋發(fā)生鈍化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋、混凝土的防腐和防護(hù)。常用的化學(xué)保護(hù)方法有：陰極保護(hù)法、氯鹽提取法、堿還原法等。由于受到周圍環(huán)境條件的限制，電化學(xué)防護(hù)板適合于長(zhǎng)期保護(hù)加固，可以應(yīng)用在有裂縫的建筑物或新建筑上。

2.6 仿生自愈合法

仿生自愈合法是通過模擬動(dòng)物組織和修復(fù)機(jī)制，利用膠合與基質(zhì)結(jié)合的方式，在受損后可以自我修復(fù)或再生，從而恢復(fù)乃至改善基質(zhì)的特性。它的機(jī)理是：將某些特制的中空玻璃纖維或膠囊（這些材料含有能夠修復(fù)裂紋的化學(xué)成分）事先嵌入到水泥中，在出現(xiàn)微小裂紋時(shí)，中空的玻璃鋼會(huì)裂開或者會(huì)破碎，從而放出一種化學(xué)成分來修補(bǔ)這些裂紋；隨后，這些化學(xué)成分會(huì)在裂紋中凝固，修補(bǔ)裂紋，并將其還原成原來的機(jī)械特性。目前，正在進(jìn)行的還有一些是礦物自我修補(bǔ)和微生物修復(fù)的混凝土。仿生自愈法是一種新型的混凝土裂紋修補(bǔ)技術(shù)。在工程實(shí)踐中，要考慮到施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，合理地進(jìn)行自我修補(bǔ)[3]。

3 結(jié)束語

從地鐵施工初期起，其混凝土結(jié)果就一直有不同程度的裂縫。在軌道交通樞紐中，混凝土開裂分為三種類型：收縮開裂、耐久開裂和震動(dòng)開裂。針對(duì)裂縫的防治，必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、施工管理等幾個(gè)環(huán)節(jié)入手。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要充分認(rèn)識(shí)引起裂紋的各種因子及其在建筑中的分布特點(diǎn)，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋或加強(qiáng)筋的方法，以求在結(jié)構(gòu)層面上避免裂紋的發(fā)生。在原材料選用及配置時(shí)，要結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，選用低熱水泥、優(yōu)質(zhì)摻和料、緩凝型外加劑及優(yōu)質(zhì)集料，同時(shí)要注意減少拌和料的使用。在工程建設(shè)中，要注重對(duì)工程的選擇，要嚴(yán)格遵守有關(guān)的技術(shù)規(guī)范，要掌握好拆模的時(shí)機(jī)，并要加強(qiáng)對(duì)混凝土的維護(hù)。在對(duì)地鐵車站的混凝土、鋼筋結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫后，要對(duì)裂縫的影響和發(fā)展進(jìn)行分析，并對(duì)其進(jìn)行有效的修復(fù)和加強(qiáng)，確保其在施工中的安全和未來的使用年限。