城市轨道交通地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法

技术领域

本发明涉及一种城市轨道交通地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，从结构分段浇筑长度设计、抗裂混凝土原材料优选与配合比设计、抗裂混凝土保温、保湿养护工艺的角度形成成套技术方案，可有效控制地下车站主体结构厚度≥0.7m的侧墙砼施工期收缩裂缝的产生。

背景技术

城市轨道交通工程已成为大中型城市公共客运交通网络的骨干，其大多处于地下水位以下，虽然防水问题越来越受到重视，然而，对已公开报道的资料分析表明，地下工程，尤其是车站主体结构均存在不同程度的渗漏现象，治理渗漏水问题时间长、难度大，给运行安全造成隐患，带来不良社会影响。

地下车站主体结构渗漏的主因是施工期混凝土收缩开裂以及施工缝、诱导缝等部位防水处理不当。据统计，由混凝土开裂引起的渗漏现象占渗漏总量的80％以上，其中，墙体结构收缩开裂又占开裂总量的80％以上(一般在混凝土降温期出现，裂缝呈枣核状，间距规整，平行分布)，是裂缝控制的重中之重。

研究表明，未出现裂缝时，水胶比低于0.45的中等强度等级普通混凝土抗渗等级完全满足刚性防水所需。然而，一旦出现裂缝，混凝土的渗透系数呈数量级地增加，严重时造成大量的渗漏现象，危害到结构的安全使用和耐久性。

地下车站主体结构多采用明挖顺作法施工，不留设后浇带，侧墙厚度一般≥0.7m，一般环境下混凝土强度等级通常为C35。主体结构为狭长条状，整体设计刚度大，墙体收缩受外部约束强，且其厚度远超普通工民建工程的0.3-0.5m，结构混凝土温降过程中温度收缩更为显著并与早期自收缩叠加，裂缝一般在此阶段出现。因此，强约束条件下更大的背向收缩变形使得地下车站主体结构侧墙混凝土开裂风险更为突出。

因其特殊性，城市轨道交通工程混凝土裂缝控制更为复杂，是一项系统工程，应从设计、材料、施工等多方面入手，实现闭环控制。现有方法如掺加混凝土膨胀剂、设置后浇带、施加预应力、跳仓法等，要么受到施工条件的限制无法采用，要么从单一方面着手进行定性的评估与应用，效果十分有限，造成了“无站不裂、无站不漏”的现状。

发明内容

本发明针对城市轨道交通地下车站主体结构厚度为≥0.7m的侧墙砼极易在施工期收缩开裂的问题，提供了一种行之有效的裂缝控制方法。

本发明提供了一种城市轨道交通地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，具体包括如下措施，按施工步骤依次实施：

(1)根据施工季节不同确定侧墙混凝土分段浇筑长度；

(2)选择抗裂混凝土原材料；

(3)优化设计抗裂混凝土配合比；

(4)采取合理保温、保湿养护工艺；

侧墙混凝土所处环境不同，因耐久性要求差异导致强度等级要求也有不同，同样的结构形式下，强度等级越高，开裂风险越大，步骤(1)中所述侧墙混凝土所处环境为《混凝土结构耐久性设计规范》GB50476-2008规定的一般环境，所述侧墙混凝土强度等级为C35；

侧墙砼收缩开裂风险与其分段浇筑长度正相关。分段浇筑长度增加，实体结构混凝土早期收缩变形相对值不变，但绝对值增大，受到外部约束时，产生拉应力，开裂风险升高。

有限元分析结果表明，墙体结构混凝土由于自身收缩变形产生的水平方向拉应力一般在高度方向中部偏下位置达到最大值，而并非直观认识上的墙体与基础接触处的底部。这与实际工程中观测到的裂缝分布形式吻合。

结构混凝土开裂风险定义及其有限元定量计算方法参见李华、刘加平等，《Deformation and cracking modeling for early-age sidewall concrete based onthe multi-field coupling mechanism》,Construction and Building Materials,2015,88:84-93。

步骤(1)中侧墙砼不同季节浇筑时，混凝土入模温度有较大差异，入模温度越高，开裂风险越大。为保证开裂风险在可控范围内(≤0.7)，采用上述结构混凝土开裂风险有限元方法进行定量计算分析，求得本发明所述不同季节侧墙混凝土最大分段浇筑长度，即夏季(日平均气温≥25℃)、春秋季(日平均气温12～25℃)及冬季(日平均气温＜12℃)的分别≤13m、21m及39m。

本发明所述侧墙混凝土最大分段浇筑长度是综合采取本发明所述裂缝控制方法情况下的取值。不采取其它措施的情况下，仅通过降低分段浇筑长度也可以将开裂风险控制在0.70以下，但这时允许的最大分段浇筑长度太小，在实际施工中将大大增加施工缝的处理量，可操作性与经济性太差。

步骤(2)中所述抗裂混凝土原材料包括水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂与抗裂剂。

本发明所述水泥选用不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，其比表面积、碱含量和C₃A含量对结构混凝土开裂风险有较大影响，因此要求分别不大于350m²/kg、0.6％和8.0％；

所述粉煤灰选用国标Ⅱ级以上；

所述抗裂混凝土中不掺加矿粉，因大多数研究结果表明，矿粉的掺入对于降低混凝土温升效果有限，且增大了混凝土早期自收缩；

所述细骨料为细度模数2.3～3.0的河砂，含泥量≤2.0％；

所述粗骨料为最大粒径≤31.5mm的连续级配或二级配碎石；

所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂；

所述抗裂剂为钙镁复合混凝土抗裂剂。

本发明所述钙镁复合混凝土抗裂剂由下述原材料按质量百分比混合而成：

所述轻烧氧化钙熟料江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中CaO含量不低于80wt％；

所述轻烧氧化镁熟料江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中MgO含量不低于95wt％，活性指数为100-200s。

所述活性指数的氧化镁更适用于城市轨道交通地下车站主体结构侧墙混凝土的温度历程，补偿收缩效果更佳。

步骤(3)中抗裂混凝土配合比优化设计方法包括：

内掺占抗裂混凝土胶凝材料总质量6-10％的钙镁复合混凝土抗裂剂，并通过各组分合理搭配，降低骨料空隙率，遵循低胶凝材料用量、低水泥用量、低用水量的“三低”原则；具体为：

所述抗裂剂计入抗裂混凝土胶凝材料中；

所述抗裂混凝土胶凝材料用量≤400kg/m³；

所述抗裂混凝土胶凝材料中水泥用量≤300kg/m³，粉煤灰用量≥60kg/m³，钙镁复合抗裂剂用量25～40kg/m³，不使用矿粉；

所述抗裂混凝土水胶比不高于0.42，用水量150～165kg/m³；

所述抗裂混凝土砂率≤42％；

所述抗裂混凝土碎石通过合理级配组合，堆积空隙率≤45％。

所述抗裂混凝土掺加适量聚羧酸高性能减水剂，控制拌合物坍落度为160±20mm。本发明所述钙镁复合混凝土抗裂剂适量掺入，可分阶段、全过程地补偿侧墙混凝土收缩变形。氧化钙熟料水化活性较高，膨胀较早，可在混凝土升温期有效存储膨胀预压应力并少量补偿降温期收缩变形；氧化镁熟料水化活性较低，膨胀历程长，主要补偿厚墙结构混凝土较长龄期内温降收缩和自收缩。

本发明采用钙镁复合混凝土抗裂剂，可有机结合氧化钙、氧化镁膨胀材料各自优点。氧化钙膨胀量大，但水化较快，对于侧墙混凝土降温期收缩直接补偿效果有限；氧化镁膨胀历程长，但总膨胀量小，且掺入后对混凝土工作性影响较大。因此，二者复合掺加，作用效果优于单一掺加氧化钙或氧化镁。

本发明采取低胶凝材料用量、低水泥用量、低用水量的“三低”原则，通过各组成材料合理搭配，可形成工作性良好、强度适宜、温度收缩和自收缩小、抗渗性好以及寿命长的城市轨道交通地下车站主体结构侧墙混凝土，并节约了制造成本。

步骤(4)中所述抗裂混凝土保温、保湿养护工艺包括：

所述抗裂混凝土浇筑后，在模板外表面密实贴覆≥3层的400g/m²土工布进行保温养护；拆模时间≥7d，拆模后顶端不间断淋水≥15d或喷涂混凝土养护剂进行保湿养护。

本发明采用在模板外侧贴覆土工布，并延长拆模时间的方式进行抗裂混凝土的保温养护，可以显著降低侧墙混凝土温降速率(由不保温时的6-7℃/d降低至3-4℃/d)，使得同样的温降收缩在相对较长的时间内均匀发生，充分利用混凝土自身徐变抵消一部分收缩变形；更重要的是，同样的温度降幅下(无论侧墙混凝土温峰值是多少，最终会降至气温)，较小的温降速率更有利于氧化镁熟料膨胀效能的发挥。

本发明采用拆模后顶端不间断淋水≥15d或喷涂混凝土养护剂的方式进行抗裂混凝土保湿养护，可防止拆模后混凝土表面干燥失水产生的裂缝，并促进胶凝材料的充分水化，保障混凝土后期力学与耐久性能。

本发明提供的一种城市轨道交通地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，可操行性强，能显著降低厚度≥0.7m的侧墙砼施工期收缩裂缝的出现几率，基本避免渗漏现象，减少结构运营期维修成本，保障其安全、平稳、持续的使用，具有显著的社会和经济效益。

附图说明

图1为本发明所述城市轨道交通地下车站主体结构侧墙混凝土受到约束应力随龄期变化示意图。

图2为采取本发明所述裂缝控制方法后，侧墙混凝土分段浇筑长度与开裂风险间关系示意图。

图3为未采取本发明所述裂缝控制方法时，侧墙混凝土分段浇筑长度与开裂风险间关系示意图。

图4为应用实施例中所述某城市轨道交通工程某地下车站主体结构示意图。

图4中各标注分别为：1侧墙、2顶板、3中楼板、4柱、5底板。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下列实例是对本发明的进一步举例说明，不应被认为是对本发明的任何形式的限制。

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图4所示，将本发明所述裂缝控制方法应用于某一般环境下四季分明的北方城市轨道交通工程某地下车站主体结构中，该主体结构为地下2层12m岛式站台标准车站，车站全长约210m，混凝土设计强度等级C35P8，侧墙厚度0.7m，采用明挖顺作法施工，施工时间秋、冬两季。主体结构防水设计等级一级，抗裂、防渗要求很高。

按本发明提供的城市轨道交通工程地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，并结合施工单位进度安排，对全站侧墙混凝土分段浇筑长度与浇筑时间进行如表1所示的划分，分段浇筑长度从16.3m至24.5m不等，浇筑时间从2016年10月16日至2016年12月25日，横跨秋、冬两季，秋季时不超过21.0m，冬季时不超过39.0m。

表1某城市轨道交通工程某地下车站主体结构侧墙砼分段浇筑长度与浇筑时间划分

按本发明所述城市轨道交通工程地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，选用品质符合要求的抗裂混凝土原材料包括水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂、抗裂剂，如表2所示。不同活性MgO熟料在不同降温速率下可产生的膨胀变形如表3所示，依据这一试验结果，本实施例所采用钙镁复合混凝土抗裂剂中的MgO熟料活性指数为150±20s。

表2中轻烧氧化钙熟料江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中CaO含量87％；表2中轻烧氧化镁熟料江苏苏博特新材料股份有限公司生产，其氧化物组成中MgO含量97％，活性指数150±20s。

表3中不同活性指数轻烧氧化镁熟料在同一温降历程下表现出不同的补偿收缩效果，当活性指数为不超过200s时，效果较优，这是因为200s以上活性指数的氧化镁反应速率过慢，一般适用于断面最小尺寸1.0m以上的大体积混凝土，而100s以下活性指数的氧化镁烧成难度与经济成本大幅上升，且对于新拌混凝土工作性影响较大，补偿收缩效果亦未见明显提升，因此本发明限定氧化镁活性指数范围为100-200s；另一方面，同一活性指数氧化镁在不同温降历程下表现出不同的补偿收缩效果，当温降较慢时，砼较长时间内处于较高的温度，更有利于氧化镁膨胀效能的发挥，因此对于侧墙混凝土进行保温养护是有利且必要的。

按本发明提供的城市轨道交通工程地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，采用品质符合要求的抗裂混凝土原材料，优化设计了抗裂混凝土配合比：胶凝材料用量390kg/m³，水泥用量250kg/m³，粉煤灰用量109kg/m³，钙镁复合抗裂剂用量31kg/m³，未使用矿粉；水胶比0.39，用水量152kg/m³；砂率39％；聚羧酸减水剂掺量5.85kg/m³，拌合物坍落度170mm，绝热温升值41.6℃，28d自收缩24με，28d抗压强度44.2MPa，抗渗等级＞P12，56d氯离子扩散系数3.2×10^-12m²/s，如表4所示。

按本发明提供的城市轨道交通工程地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，抗裂混凝土浇筑后，在侧墙模板外表面密实贴覆3层400g/m²土工布进行保温养护，实测该车站某秋、冬季浇筑的2段混凝土温度、应变历程如表5所示：秋、冬季侧墙砼温降速率分别为3.4℃/d和2.9℃/d，温降阶段砼收缩变形分别为153με和114με，拆模时间均为10d，拆模后在侧墙表面喷涂混凝土养护剂进行保湿养护。

将本发明提供的裂缝控制方法应用于某城市轨道交通工程某地下车站主体结构中，在秋、冬两季可将侧墙混凝土开裂风险降低至0.67与0.54，低于设计的安全线0.70，混凝土基本不会开裂。实际工程观测情况证实了这一结论，迄今浇筑完成已逾5个月，侧墙砼未见开裂、渗漏现象。

实施例2

如图4所示，将本发明提供的裂缝控制方法应用于某四季分明的苏南城市轨道交通工程某地下车站主体结构中，该主体结构为地下2层12m岛式站台标准车站，车站全长约170m，混凝土设计强度等级C35P8，侧墙厚度0.8m，采用明挖顺作法施工，施工时间夏、秋、冬三季。主体结构防水设计等级一级，抗裂、防渗要求很高。

按本发明提供的城市轨道交通工程地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，选择该地下车站第十六流水段为夏季施工的试验段，该段长度为12.8m，负二层浇筑时间为2016年8月12日，负一层浇筑时间为2016年9月4日。

按本发明提供的城市轨道交通工程地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，选用品质符合要求的抗裂混凝土水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、减水剂、抗裂剂等原材料，如表2所示。不同活性指数MgO熟料在不同降温速率下可产生的膨胀变形如表3所示，依据这一试验结果，本实施例所采用钙镁复合混凝土抗裂剂中的MgO熟料活性指数为150±20s。

按本发明提供的城市轨道交通工程地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，采用品质符合要求的抗裂混凝土原材料，优化设计了抗裂混凝土配合比：胶凝材料用量380kg/m³，水泥用量247kg/m³，粉煤灰用量103kg/m³，钙镁复合抗裂剂用量30kg/m³，未使用矿粉；水胶比0.39，用水量148kg/m³；砂率40％；聚羧酸减水剂掺量5.70kg/m³，拌合物坍落度160mm，绝热温升值41.2℃，28d自收缩33με，28d抗压强度46.1MPa，抗渗等级＞P12，56d氯离子扩散系数3.4×10^-12m²/s，如表4所示。

按本发明提供的城市轨道交通工程地下车站主体结构侧墙砼裂缝控制方法，抗裂混凝土浇筑后，在侧墙模板外表面密实贴覆3层400g/m²土工布进行保温养护，实测该车站试验段混凝土温度、应变历程如表5所示：夏季侧墙砼温降速率为3.3℃/d，温降阶段砼收缩变形为218με，拆模时间为10d，拆模后在侧墙表面喷涂混凝土养护剂进行保湿养护。

将本发明提供的裂缝控制方法应用于苏南某城市轨道交通工程某地下车站主体结构中，在夏两季可将侧墙混凝土开裂风险降低至0.66，低于设计的安全线0.70，混凝土基本不会开裂。实际工程观测情况证实了这一结论，迄今试验段浇筑完成已逾7个月，侧墙砼未见开裂、渗漏现象。

表2某城市轨道交通工程某地下车站主体结构抗裂砼原材料性能指标

表3不同温度历程下，不同活性MgO熟料补偿收缩效果

表4某城市轨道交通工程某地下车站主体结构抗裂砼优化配合比及其主要性能

表5某城市轨道交通工程某地下车站主体结构侧墙砼实测温度、应变历程及其保湿养护措施

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，作出若干改进和变化，这些都属于本发明的保护范围。