论某地铁工程裂缝的成因与预防
2012-09-22 22:53
论某地铁工程裂缝的成因与预防
【摘 要】 本文阐述了某地铁车站工程大体积混凝土结构裂缝产生原因， 并结合实际提出工程各参与方应当如何控制和预防裂缝。
【关键词】 温度 应力 水化热 收缩变形
随着中国经济的高速发展， 国内的一、二线城市都争相建设地铁工程， 以提高城市的品牌， 有个别城市地铁发展只用了20年时间， 就建成了国外某国际大都市地铁100多年累计的里程。 这样高速地进行地铁建设，固然给城市发展带来了良好的经济效益与社会效应， 但随之也带来了一些工程质量问题———车站混凝土结构裂缝漏水现象。 事后虽然可以修复， 但费时费力不说，还是一笔费用不小的花销，而且直接影响到结构的整体性和耐久性。 下面以某地铁工程为例， 结合自己十多年工程管理经验， 浅谈对施工中混凝土裂缝的成因和防治的认识。
一、工程概况
工程为地铁某号线的一个标准站。 整个工程采用明挖顺作法施工，车站总长155m，车站基坑深17～23m， 采用二层三跨箱形钢筋混凝土结构，由于结构长度比较长，为了便于施工及防止收缩应力，分为7个长22.14m标准施工段（见图1）。底板及顶板厚度均为900mm， 侧墙厚度为700mm；底板、侧墙为C30S10混凝土。
二、混凝土工程特点
工期紧迫，混凝土工程量大；设计要求大体积混凝土浇筑应在室外气温较低时进行，混凝土浇筑温度严格控制在25°C以内。
工程结构复杂：主体结构形式较为复杂，柱、梁、板截面尺寸较多，梁柱钢筋密集；负二层墙柱净高为7.8m（见图2）。
结构防水、防渗漏要求高：车站主体结构防水等级为一级，不允许渗水，结构表面无湿渍。防水的设计原则以结构防水为主，附加外防水为辅。
混凝土的制备：采用商品混凝土，需要求如下：
按设计的要求主体结构工程混凝土的水泥采用干缩值较少、水化热较低的普硅水泥，其最少用量一般不得少于320kg/m3。在满足此条件及混凝土其它性能的前提下，尽可能减少水泥用量。
最大水灰比应小于0.45；混凝土中最大氯离子含量为0.06%。
采用双掺技术，掺加具有补偿收缩功能，并有缓凝、早强作用的复合型高效减水剂，和Ⅱ级以上磨细粉煤灰，取代部份水泥。
三、裂缝产生的原因
由于地铁车站结构楼板及侧墙截面比较厚，是属于建筑工程中的大体积混凝土结构。 大体积钢筋混凝土具有结构厚、体积大、施工条件复杂和技术要求高等特点。 混凝土结构裂缝的出现，不是因为强度不够，而是因体积大，在水化过程中水化热产生的温度力与大体积混凝土收缩而产生的收缩应力相互作用下，就会产生裂缝。
这种裂缝有表面裂缝和贯通裂缝两种。 表面裂缝是由于混凝土表面和内部的散热条件不同，温度外低内高，形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，表面的拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的。 贯通裂缝是由于大体积混凝土在强度发展到一定程度，混凝土逐渐降温，这个降温差引起的变形加上混凝土失去水分引起的体积收缩变形， 受到地基和其他结构边界条件的约束时引起的拉应力， 超过混凝土抗拉强度时所可能产生的贯通整个截面的裂缝。 这两种裂缝不同程度上，都属有害裂缝，造成漏水的主要是贯通裂缝。
混凝土初现裂纹的时间可以作为判断裂纹原因的参考：塑性收缩裂纹大约在浇筑后几小时到十几小时出现这是表面裂缝；贯通裂缝通常是有以下几种情况：（1）温度收缩裂纹大约在浇筑后2~10d出现；（2） 自收缩裂纹主要发生在混凝土凝结硬化后的几天到几十天；（3）干燥收缩裂纹出现在近1年龄期内。
对于上述结构混凝土裂缝， 在施工过程中，尽管各施工单位采取各种技术措施，设计也作出了很多技术指引，但裂缝仍然经常出现。 这些裂缝主要是侧墙的多，顶板与底板的比较少。 纵向侧墙裂缝在的中间标准段发现比较多，靠两端盾构区间的墙体比较少。 裂缝较多的标准段间距通常为2.5-3.5m一条，由底板上500mm直通到顶板底，缝宽约0.2~1.0mm贯通 ，肉眼也能看得到 ，究其原因本人认为有如下几个方面：
1.设计方面原因 ：（1）车站结构约长145m，中间没有设置伸缩缝，这个设置是按车站结构复土后，结构没有受到日夜温差的影响考虑的。 但车站结构主体最后一个标准段混凝土浇筑完成后，还经历拆模———外防水———防水保护层———覆土这些工序，至少一个多月是受到日夜温差的影响。 日夜温度变化会使混凝土结构收缩作用，由此形成的温度收缩应力，就会导致钢筋混凝土产生裂缝。
（2）商品混凝土采用了干缩值较少、水化热较低的“普硅水泥”。 众所周知干缩小、低水化热的水泥应是矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥，而不是普硅水泥，普硅水泥水化热还是比较大的。 水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的温度收缩应力，就会导致钢筋混凝土产生裂缝。
2. 施工方面原因 ： （1 ） 虽然施工方混凝土施工方案采用跳格法浇筑，每段的间隔时间为5d，但施工方往往是迫于工程进度压力而没法实行，通常都是由一端赶往另一端施工，宁可完成后再去修补裂缝， 这样势必会造成后浇筑的结构标准段裂缝较多。 主要是混凝土在硬化过程中， 逐渐降温引起的变形加上混凝土失去水分引起的体积收缩变形， 但有一端必会受到前一个标准结构段的约束时引起的拉应力，当超过新浇筑的标准段混凝土抗拉强度时就产生了贯通整个截面的裂缝。 （2）混凝土的养护：本工程楼板混凝土采用塑料薄膜加蓄水养护法，侧墙混凝土采用架设水管喷淋保湿养护法。由于顶板及底板养护得比较好，所以裂缝也比较小；而侧墙由于初期喷淋养护也只能隔着模板喷淋，而且施工方迫于工程进度压力，往往养护时间不到14d就停止养护，养护效果相对差些，所以侧墙的裂缝也会多些。
3.混凝土原材料方面：混凝土是由商品混凝土搅拌站提供的，搅拌站是根据施工单位提供的技术参数，配制出商品混凝土运送到工地后，通常施工方只能测量下坍落度， 查看下混凝土的和易性，对混凝土原材料质量如何，只能查看其配送的相关技术资料，所以对于混凝土原材料质量控制施工方是一个控制盲点。
（1）对于粗骨料的选择，对于大体积混凝土要根据配筋的间距及混凝土输送泵管选择粗骨料最大的粒径。 在施工条件允许的前提下，尽量选择粒径较大、级配较好的石子。 因为大粒径的石子在拌和时，可减少用水量，使混凝土的收缩也会随之减少； 此外还可减少水泥的用量， 从而降低了水化热。 但现在混凝土的运输方式基本采用泵送，为了避免浇筑混凝土时堵塞泵管，粗骨料粒径往往是较小（10～30mm）碎石，粗骨料的粒径过小，必会造成混凝土收缩性加大，这样也会产生贯通性裂缝。
其实车站的外侧墙内由于没有纵向的梁筋，墙内钢筋间距相对比较大，混凝土输送泵管如果弯管驳接得不是太多，可以采用粒径大一点（20～40mm）的碎石， 若有条件架设斜槽代替泵管输送混凝土，完全可以采用（30～50mm）的碎石，既可减少用水量，使混凝土的收缩也会随之减少；也可减少水泥的用量，从而降低了水化热。
（2）细骨料的选择：在拌制混凝土时，本工程选择中砂， 因为这样可以减少用水量和水泥用量，从而可以减少混凝土的收缩和降低水化热。 控制砂、石的含泥量，因为含泥量过多，不仅会增加混凝土的收缩，也会降低混凝土的强度。
（3）用水量过大：商品混凝土搅拌站有时由于雨后， 砂石的含水量大 ， 而配合比一时也没有调整好或者路途不是很畅通，为了抵消路途运输的时间水份损耗，人为加大水份量，这就造成混凝土单方含水量过大。沉陷裂缝、干缩裂缝都是由于混凝土单方用水量过大、混凝土坍落度过大造成的。
（4）采用外加剂：本工程采用双掺技术，采用掺入磨细的Ⅱ级粉煤灰， 能够在减少水泥用量的同时，保证混凝土的强度要求，并降低水化热。 采用FS-3A是以β-萘磺酸甲醛聚合物为主要成分，并复合增塑剂而成的泵送剂，它具有增塑、缓凝、低引气、坍落度损失小等特点。 但该减水剂没有有效地降低水化热及补偿混凝土收缩作用。
四、裂缝的预防
（1）设计方应合理设置结构标准施工段及后浇带。 车站长155m的混凝土结构若不能设置伸缩缝，最好能中间第4施工段设置后浇带， 以减少外应力和温度应力而产生的裂缝。
在施工技术方面的指引， 设计混凝土配合比时，应采用低水化热水泥，必要时掺加UEA之类的膨胀剂，以补偿混凝土结构的收缩作用。
（2）建设方及监理方在项目开工前要制定科学合理的工期， 不要把工程工期定性为一项政治任务。 工期与质量是对立又统一的关系，当工程不能正常有序地施工，必然会出现质量问题。 应树立和坚持一个最基本的管理原则，在保证工程质量的基础下，控制工程的进度。
（3）施工单位严格按相关技术标准及施工方案进行施工。混凝土材料控制：监督检查各种材料到货质量证明文件；材料外观质量、材料计量情况；现场混凝土浇筑实行“槽前槽尾”派管理人员对混凝土质量监控，槽前的人员主要是测坍落度，不合格坚决退货，抽取混凝土样品制作试件，槽后的管理人员主要是监控过程浇筑质量。 浇筑完成后，及时对混凝土表面产生的塑性裂缝进行二次压面，以闭合混凝土表面的塑性裂缝。 混凝土初凝后，及时覆盖塑料胶膜或麻袋进行蓄水及喷淋养护，并确保混凝土养护时间。
（4）对于混凝土浇筑温度严格控制在25°C以内。这个在夏季是很难保证的， 但可采取原材料砂、石防止太阳暴晒，可洒水降温；用低温水或冰水搅拌混凝土； 施工现场入模处可配置电风扇进行吹风；尽量安排晚上浇筑等措施。
五、结束语
综上所述，要预防车站主体混凝土结构的裂缝，这需工程项目监控方要本着实事求是的态度、客观地解决好上述问题。作为自控方的施工单位首先要编制周详的浇筑方案，严格按方案要求把好各个施工环节质量关，这样工程质量才有保证，漏水现象才能克服。
参考文献：
［1］《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）
［2］《地下防水工程质量验收规范》 （GB50208-2002）
［3］《建筑施工手册》
