徐州地鐵車站混凝土抗裂技術研究

齊大洪，王國良，李志明，李 明

（徐州地鐵集團有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著我國人口的快速增長以及城市現代化的不斷進程，城市軌道交通行業得以快速的發展，地下軌道交通結構混凝土結構的質量對地鐵車站的安全使用和服務壽命有著巨大影響。作為軌道交通建設進程中的基礎材料，高性能混凝土是以建設的具體要求為重要目標，通過合理的配制原材料，從而達到理想的力學、抗裂等性能。對于側墻結構混凝土，其收縮變形主要發生于硬化階段，溫度收縮占主導，疊加自收縮。相較于底板混凝土，側墻混凝土受到來自于先澆的底板和吊模段等老混凝土的外約束大，且散熱條件差，容易經歷急劇的溫升溫降，因而更容易開裂，且一般在拆模前或拆模后的極短時間內就發生開裂，裂縫間距規整，且大多為貫穿性裂縫［1-2］。

關于高性能混凝土的研究，國內外學者也有較多的研究［3-5］，朱新釗等［6］分析了混凝土骨料的體積含量和彈性模量的影響關系，建立了宏觀干縮應力和細觀干縮應力之間平衡思路；王哲等［7］通過減水劑摻量對高性能混凝土特殊參數的影響，得到了減水劑摻量的最佳范圍為 3 %～4 %，對降低材料消耗和成本具有重要意義；魏林［8］采用高性能混凝土進行滬通長江大橋的防水施工，通過攪拌、高溫蒸汽養護、提高泵送壓力等措施，為其他的混凝土施工提供了經驗；逄魯峰［9］通過大量試驗對高吸水樹脂的各參數進行了研究，合成了一種比較經濟的高吸水樹脂，具有較高的推廣意義。高性能混凝土越來越廣泛地應用于工程建設中，本文以徐州軌道交通 2 號線市政府站高性能混凝土的應用為研究背景，加入 HME 抗裂劑，進行抗裂技術的分析。

1 混凝土抗裂技術

1.1 工程概況

在建的徐州軌道交通 2 號線市政府站是一個中間標準站，西接大龍湖站，東連漢源大道站，位于昆侖大道與漢風路交叉口，沿昆侖大道北側東西向敷設。市政府站為明挖地下兩層 11 m 寬島式站臺車站，標準段為單柱雙跨鋼筋混凝土箱型結構，凈寬 18.3 m，站廳層凈高4.95 m，站臺層凈高 4.65 m。車站有效站臺中心里程處底板埋深約 16.6 m，凈長 203 m。車站采用明挖順做法施工。兩端區間均為盾構法施工，車站小里程端設盾構接收井，大里程端設盾構始發井。車站共設 2 組風亭、4 個出入口。

市政府站已經完成主體結構封頂，主體結構底板厚 1.0 m，側墻厚 0.7 m，中板厚 0.5 m，頂板厚 0.9 m，所處位置為富水砂土層，結構底板位于自然水位之下，抗裂防水要求極高。根據課題組關于地下車站主體結構分段長度的研究成果（秋季側墻結構分段澆筑長度≤25 m，冬季≤45 m）與施工進度要求，該車站構造設計過程中劃定的分段長度如表 1 所示，在 16.3 m 至 24.5 m 之間。將提出的高性能混凝土成套技術方案在該試驗車站進行示范應用，在實際工程中檢驗方案實施效果，驗證提出的技術方案的可靠性。

表1 結構設計分段尺寸

1.2 高性能混凝土生產制備

HME 抗裂劑是一種抗裂添加劑，可以提高混凝土的抗裂性能。市政府站主體結構澆筑施工開始，全程進行了混凝土原材料、生產質量管控等工作，多方配合協作，嚴格測試并控制混凝土入模前工作性能和入模溫度，符合方案技術要求，如圖 1 所示；底板、中板、側墻和頂板結構混凝土建議配比如表 2 所示。

圖1 現場混凝土生產質量控制

表2 建議配合比

2 混凝土抗裂研究現場監測

2.1 監測目的

1）驗證抗裂方案的效果：驗證抗裂方案實施的有效性，包括溫度歷程變化行為和溫降階段的收縮補償效果。

2）獲取施工及養護信息：監測混凝土澆筑時間、澆筑進度、混凝土入模溫度、混凝土拆模時間、養護效果、養護周期等。

2.2 監測設備

采用某公司開發的“混凝土溫度-應變無線監測系統”，對結構混凝土進行早期溫度和變形的監測測試。測試設備具有實時監測、在線傳輸、網絡查看的特點。監測設備如圖 2～3 所示。

圖2 測試設備

圖3 設備服務器后臺設置軟件

2.3 監測頻率

基于前期開展的大量工程監測數據，以及江蘇及周邊同期開展的大量工程課題的監測數據，在徐州高性能抗裂混凝土的應用中，不再對結構混凝土進行密集監測，監測頻次基于季節環境變化設定，例如，施工周期，跨夏季（平均氣溫大于 25 ℃）、秋季（平均氣溫小于25 ℃）、冬季（平均氣溫小于 15 ℃），則在每個季節選擇一端混凝土進行監測測試。

2.4 布點原則

監測布點的原則比較簡單，具體如下（見圖 4）。

1）針對側墻結構混凝土，選擇應力最大的結構中心部位作為測試目標；

2）溫度測試包括結構中心、結構側表層和環境溫度，變形測試包括結構橫向（延側墻長度方向）變形和墻體厚度方向變形。

圖4 測試元件埋設

以市政府站地下負二層某側墻為例，其尺寸為：長 16.3 m×高 5.6 m×厚 0.7 m，應變計預埋布置位置如圖 5 所示，應變計編號及位置如表 3 所示；對于板式結構混凝土，應變計均預埋于板體的中部中心和中部表層位置。

圖5 市政府站側墻應變計位置（單位：m）

表3 應變計編號及埋設位置

3 高性能混凝土溫度、應變歷程監測結果分析

3.1 底板結構混凝土監測結果分析

市政府站某段底板結構混凝土（長 16.3 m×寬18.3 m×厚 1.0 m）溫度及應變歷程監測結果如圖 6 所示。從監測結果可以得出以下結論。

1）底板混凝土入模溫度約 22.5 ℃，實體結構自澆筑開始約 1.5 d 后達到溫峰，中心溫升約 19 ℃，里表溫差最大約 9 ℃，與模擬計算結果吻合。

2）底板混凝土未摻入 HME 抗裂劑。因中心溫升較高，中心混凝土總膨脹變形大于表層，而單位溫升的膨脹變形相近，約 5.2 με/℃；溫降階段，因采取覆蓋土工布并蓄水養護措施，總體溫降速率較慢。由于底板約束較小，開裂風險較低，在施工結束后也未發現底板開裂現象，與模擬計算結果吻合。

3.2 側墻結構混凝土監測結果分析

市政府站某段側墻結構混凝土（長 16.3 m×高 5.6 m×厚 0.7 m）溫度及應變歷程監測結果如圖 7 所示。從監測結果可以得出以下結論。

1）側墻混凝土入模溫度約 20.5 ℃，實體結構自澆筑開始約 1.5 d 后達到溫峰，側墻結構混凝土的中部中心、中部邊、邊中心部位最高溫升值為 20.7、16.1、18.1 ℃，與模擬計算結果吻合。

2）側墻混凝土中摻入 HME 抗裂劑。混凝土的變形與溫度歷程有關，在溫升階段的膨脹有助于存儲膨脹預壓應力，在開裂風險較高的溫降階段仍能有效補償收縮變形有助于提高混凝土的抗裂性。為進一步說明問題，將該實體側墻結構混凝土監測結果與鋼筋約束條件下的構件混凝土試驗結果進行比較，如表 4 和表 5 所示。結果表明，各部位測得的溫升階段膨脹變形和溫降階段收縮變形有所差異，尤其是溫降階段收縮變形，如中心部位混凝土單位溫度收縮比構件試驗時測試值降低了 30 % 以上，這可能與實體結構體量更大、約束更強有關。總體而言，從實測結果來看，抗裂功能材料在實體結構中的抗裂效果更為顯著，開裂風險可以有效降低。

圖6 底板結構混凝土溫度和變形歷程監測結果

圖7 地下負二層側墻結構混凝土溫度和變形監測結果

表4 溫升階段側墻實體監測結果與構件試驗結果對比

表5 溫降階段側墻實體監測與構件試驗結果對比

3.3 頂板結構混凝土監測結果分析

市政府站某段中板（長 16.3 m×寬 18.3 m×厚 0.5 m）及頂板結構混凝土（長 16.3 m×寬 18.3 m×厚 0.9 m）的中心及表層等部位的溫度及應變歷程監測結果如圖 8 所示。

從監測結果可以看出：

1）中板與頂板混凝土入模溫度分別為約 19.5 ℃ 和13.5 ℃，最大溫升分別為約 22 ℃ 和 17℃。雖然頂板厚度大于中板，但由于在頂板混凝土中摻加了 HME 抗裂劑，抑制了結構溫升，同時頂板施工時，混凝土入模溫度較低，測得的頂板混凝土中心最大溫升反而小于中板混凝土。頂板及中板結構中心與表層溫差均不超過 10 ℃。

2）與側墻相比，中板、頂板約束小于側墻，其開裂風險均低于側墻，但由于其為大面積暴露結構，與側墻結構相比存在塑性階段及硬化后的水分快速散失問題，因而需做好覆蓋保溫保濕養護。

圖8 中板和頂板結構混凝土溫度及變形監測結果

4 結論

徐州軌道交通 2 號線市政府站作為城市軌道交通高性能混凝土工程應用示范站，將提出的抗裂成套技術方案于工程中實施應用，從混凝土生產、運輸、施工、養護各個環節參與了混凝土的質量控制，并配合施工過程對澆筑的底板、側墻及頂板進行了溫度和變形監測，在施工結束后定期對實體結構混凝土進行了質量檢驗。

在混凝土中摻入 HME 抗裂劑，混凝土的變形與溫度歷程有關，在溫升階段的膨脹有助于存儲膨脹預壓應力，在開裂風險較高的溫降階段仍能有效補償收縮變形有助于提高混凝土的抗裂性。抗裂功能材料在實體結構中的抗裂效果更為顯著，開裂風險可以有效降低。

監測結果表明：底板、墻體等實體結構混凝土均未發現有貫穿性收縮裂縫，實體結構混凝土強度、耐久性良好，達到了工程設計要求。Q