濱海環境地下車站側墻混凝土抗裂防水技術研究*

張 堅 常 偉 葉守杰 徐 文

(1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司高性能土木工程材料國家重點實驗室， 211103， 南京；2.青島市地鐵十三號線有限公司， 266555， 青島∥第一作者， 工程師)

近年來，隨著國內城市軌道交通工程建設速度的加快，地下車站主體側墻混凝土開裂引起滲漏水現象愈來愈引發工程建設者的關注，成為地鐵建設中一項頑疾。地下車站側墻受地下水位的影響，防水等級為I級[1]，目前主要采用外包柔性防水材料與混凝土剛性防水相結合的措施來滿足結構的防水要求。柔性防水受有機包覆材料老化失效與水壓竄流的影響，服役壽命一般為10～20年，與結構百年使用周期防水設計需求不同步。混凝土剛性自防水成為結構防水的永久防線與根本，而收縮裂縫控制是實現結構剛性防水的關鍵[2]。對于普通C30強度以上等級的混凝土，未發生開裂時其滲透系數完全滿足剛性防水要求的抗滲等級；但一旦出現開裂，滲透系數呈數量級大幅增加，直接影響結構的耐久性和使用壽命[3-4]。盡管我國在地下車站防水施工中積累不少經驗，如何避免建設期混凝土開裂進而保障其剛性防水性能、提高結構防水技術質量，仍是實現百年服役壽命亟需解決的重要問題。

青島正處于城市軌道交通建設發展的快速期，目前已開通運營線路4條，在建線路6條，遠期規劃總里程超過800 km。結合青島地鐵設計、材料及施工情況來看，因地下工程混凝土所處海洋侵蝕性環境，高耐久性要求使得混凝土強度與抗滲等級分別提高至C45、P10，56 d電通量低于1 200 C，顯著高于內陸城市地下車站主體結構C35P8的設計要求[5-6]。混凝土強度等級提高，使膠凝材料用量增加，水膠比降低，早期溫降收縮與自收縮加大，體積穩定性變差，開裂風險加劇。目前，我國在混凝土收縮裂縫控制方面已有大量的工程實踐，比如設置后澆筑帶、膨脹劑的使用、控制入模溫度等，但多數為定性研究，控制指標采用經驗值，無法從根本上解決濕熱耦合變形下混凝土開裂問題。因此結合工程建設實際情況，實現混凝土收縮裂縫的可評估、可控制與可預防，保障結構自防水性能成為研究的重點。其研究成果可供在類似青島、深圳等典型沿海城市地鐵工程抗裂防水實施中借鑒與推廣，具有重大現實意義。

1 “水化-溫度-濕度-約束”多場耦合混凝土開裂風險評估

1.1 開裂風險評估理論與方法

地下車站側墻混凝土的變形開裂是在內外強約束條件下，混凝土早期收縮變形(溫度收縮、自收縮、干燥收縮等)的疊加效應共同作用的結果[7-10]。在混凝土水化硬化階段，伴隨著復雜的物理與化學變化過程，引起內部溫度、濕度的改變，與環境濕熱交換作用產生收縮變形，并在約束條件下產生拉伸應力誘發開裂。因此，混凝土變形開裂系處于水化、溫度、濕度、約束多因素耦合的環境中[11-12]。基于“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合收縮開裂理論與機制[13]，建立了青島地鐵地下車站主體結構混凝土收縮開裂評估方法，對影響側墻混凝土開裂風險關鍵因素進行定量評估，旨在建設初期就對混凝土結構的開裂情況進行有效預防與控制，進而提升結構剛性防水性能。

1.2 開裂風險評定準則

開裂風險計算是以青島某地下車站主體側墻為工程研究背景，混凝土開裂風險系數(某時刻收縮拉應力與抗壓強度比值)應控制在0.7以下，具體開裂風險計算評判準則如下：

η=δ(t)/f(t)

(1)

式中：

δ(t)——某時刻混凝土承受最大約束拉應力；

f(t)——此時刻混凝土的抗拉強度值。

根據開裂風險評判準則：當η≥1時，混凝土一定開裂；當0.7≤η<1時，混凝土可能發生開裂；當η<0.7時，混凝土基本不會開裂(認為開裂的可能性比較小)。

1.3 仿真計算結果分析

基于多場耦合收縮開裂機制與模型建立的開裂風險評估方法，定量研究結構因素、混凝土材料性能、環境溫度、施工工藝等關鍵因素對開裂風險系數的影響。影響因素的影響大小及演變規律計算結果如表1所示。相比較而言，在可控因素中，混凝土絕熱溫升、入模溫度、自生體積變形、分段澆筑長度對開裂風險的影響較其他因素更為顯著，影響程度超20%以上，模板類型影響在10%～20%，拆模時間(鋼模)影響<10%。

2 混凝土施工的抗裂性關鍵技術

2.1 原材料與配合比性能指標要求

在混凝土開裂風險定量評估的基礎上，提出青島地鐵混凝土原材料性能與配合比的關鍵控制指標，具體如表2與表3所示。

2.2 入模溫度的控制

控制入模溫度對降低側墻溫度開裂風險尤為關鍵，依據GB 50666—2017《混凝土結構工程施工規范》、JGJ/T 385—2015《高性能混凝土評價標準》，夏季混凝土開裂風險最高，施工時控制混凝土入模溫度不應高于35 ℃，冬季施工控制混凝土入模溫度不低于5.0 ℃。當混凝土入模溫度不滿足控溫要求時，應根據實際情況采取相關措施，降低或提高混凝土入模溫度。

2.3 拆模及保溫保濕養護控制

1) 側墻混凝土拆模時間宜根據結構溫度歷程監測結果確定，以確定混凝土表面溫度與外界氣溫之差不超過15 ℃為宜，原則上不少于3 d。

2) 側墻拆模后應降低表面混凝土降溫速率與水分蒸發速率，及時覆蓋帶有塑料內膜的復合土工布進行封閉保溫、保濕養護，控制降溫速率≤3 ℃/d。冬季混凝土養護過程中需注意氣溫驟降情況，根據溫度實時監測結果，進一步采取必要的保溫措施，預防冷擊開裂。

2.4 混凝土監測與驗收

側墻澆筑前應根據墻體內部溫度場與應力場的一般規律合理進行監測布點，使其能真實反映混凝土澆注體內最高溫升、里表溫差、降溫速率以及混凝土的約束應變。澆筑后采用溫度-應變無線監測設備對混凝土進行實時、原位的監測，根據監測結果反饋指導現場施工及結構抗裂性能評定。實體結構的質量驗收應符合國家及行業相關標準與規范的要求。

表1 側墻混凝土開裂風險影響定量因素仿真計算結果

表2 原材料主要性能控制指標

表3 混凝土抗裂性關鍵控制指標

3 工程實際應用

3.1 混凝土配合比及早期性能試驗

3.1.1 原材料及配合比優化設計

以青島某城市軌道交通地下車站側墻作為實際工程試驗段，原材料均來自實際供應商：水泥為山水牌42.5級普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為青島電廠F類Ⅱ級；礦粉為潤福成S95級；石子為5～25 mm連續級配碎石；砂為沂水中砂；減水劑為金瑞泰GJ-02型聚羧酸減水劑；抗裂劑為蘇博特HME-V型溫控防滲高效抗裂劑；水為自來水。

為滿足表3中抗裂性關鍵指標要求，基于混凝土溫度與膨脹歷程協同調控技術，來解決青島地鐵濕熱耦合變形開裂問題。配合比優化設計是在大摻量摻和料的基礎上，進一步摻入HME-V型抗裂劑作為膠凝材料，利用抗裂劑中水化熱調控組分與膨脹組分，對早期混凝土放熱溫升及收縮性能分階段膨脹補償協同調控，以提升與保障混凝土抗裂性與耐久性。配合比基本參數如表4所示。

3.1.2 混凝土的力學與耐久性能

混凝土的力學性能與耐久性能測試結果如表5所示。由表5可知，摻加HME-V型抗裂劑取代部分礦物摻和料，因抗裂劑中水化熱調控組分對放熱速率的影響，7 d的力學性能稍偏低，28 d的力學性能基本正常，且滿足設計強度要求。此外，摻加的抗裂劑改善了混凝土微觀孔隙結構，降低了電通量與氯離子擴散系數，提高了混凝土的耐久性能。

表4 某城市軌道交通地下車站C45P10混凝土的配合比基本參數 kg/m3

表5 混凝土的力學與耐久性能

3.1.3 混凝土絕熱溫升

混凝土絕熱溫升測試結果如圖1所示。由圖1可知，摻加HME-V型抗裂劑能顯著降低早期混凝土絕熱溫升速率，與未摻抗裂劑的基準相比，1～3 d絕熱溫升值降低率分別為65.1%、27.5%與11.7%，最終絕熱溫升終值基本相同。說明HME-V型抗裂劑中水化熱調控組分對水化放熱性能進行了調控，改變了結構溫度場，通過延長放熱時間，充分利用墻體散熱條件，減少熱量的迅速積累，有助于大幅度削弱側墻混凝土溫峰值與降溫速率，因而降低了結構溫度開裂風險。

圖1 絕熱溫升測試結果

3.1.4 混凝土體積變形

仿真計算實體結構混凝土溫度變化曲線，對比研究表5中配合比在變溫條件下的自由體積變形，以初凝時間為變形起點，如圖2所示。由圖2可知，基準普通混凝土配合比溫升階段的最大膨脹變形為174.51 με，而摻加HME-V型抗裂劑的配合比溫升階段產生538.36 με膨脹變形，較基準普通混凝土增加364.14 με，降溫階段仍可補償收縮約80.4 με。通過對混凝土溫升、溫降過程收縮變形補償，可抑制收縮裂縫的產生與發展。

圖2 變溫條件下混凝土自生體積變形結果

3.2 試驗段側墻溫度-變形歷程監測結果分析

通過以上青島地鐵的混凝土抗裂防水技術研究，形成了集設計、材料、施工、監測為一體的青島地鐵地下車站側墻抗裂成套技術。將研究成果應用于青島某地下車站負二層標八段側墻(結構尺寸長、寬、高分別為17.8 m、0.7 m、4.5 m)，采用抗裂混凝土澆筑與關鍵技術措施，澆筑前在墻體中部與底部中心沿著墻體長度方向布置溫度變形傳感器，表面布置溫度計，自澆筑及養護期間監測混凝土的溫度、變形發展歷程，以評定抗裂防水技術的實施效果。溫度與變形監測結果如圖3與圖4所示。

由圖3可知：側墻混凝土溫度經歷先升高后逐漸減小直至達到穩定的過程，中部中心最大溫升為30.2 ℃，底部中心溫度受先澆結構的散熱影響，最高溫升比中部中心低約5.5 ℃；溫峰值出現的時間約1.0 d左右，內外混凝土最大瞬時溫差為15.5 ℃，平均降溫速率為2.69～4.28 ℃/d；澆筑后約7 d左右溫度變化基本穩定。

圖3 混凝土溫度監測歷程

圖4 混凝土變形監測歷程

由圖4可知：以混凝土初凝為變形起點，中部中心溫升階段的最大膨脹變形為260.25 με，單位溫升膨脹變形為8.53 με/℃；底部中心變形受先澆墻板的約束較大，溫升最大時膨脹變形降低約94 με，單位溫升膨脹變形為6.72 με/℃；降溫階段中部與底部中心單位溫降收縮分別為8.0 με/℃與5.92 με/℃，整個變形歷程曲線變化平穩，未有變形突變點，觀察實體結構表面未出現裂縫。試驗段監測表明，摻入HME-V型抗裂劑制備抗裂混凝土對水化放熱與膨脹歷程能起到協同調控作用，顯著提升了側墻混凝土的抗裂性。

4 結語

1) 濱海環境下的青島地鐵地下車站側墻混凝土強度與耐久性能要求高，開裂驅動力較大，為解決混凝土收縮開裂難題，基于混凝土“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合收縮開裂理論與機制，從結構、材料性能及施工工藝角度等影響因素進行抗裂性的專項定量評估，明晰這些因素對開裂風險的影響規律與影響大小。研究表明，通過控制材料的放熱與體積變形性能，合理劃分澆筑長度、拆模時間等技術手段，能夠控制混凝土開裂風險系數小于0.7。

2) 在開裂風險關鍵影響因素量化的基礎上，進一步根據工程實際情況，從原材料與混凝土性能指標控制、入模溫度、拆模與保溫保濕養護等方面，制定了抗裂性施工關鍵技術措施。配合施工過程，采用抗裂無線監測設備，實時監測混凝土溫度與變形參數的發展歷程。

3) 在上述研究基礎上，形成集設計、材料、施工、監測于一體的青島地鐵地下車站側墻抗裂成套技術，采用溫升抑制與膨脹歷程調控技術制備抗裂混凝土，并在側墻試驗段中得到成功應用。結果表明：與未摻抗裂劑的基準普通混凝土相比，HME-V型抗裂劑取代部分礦物摻和料后降低了早期混凝土絕熱溫升速率，1～3 d溫升值降低率分別為65.1%、27.5%與11.7%；抗裂混凝土在溫升與溫降階段產生有效膨脹，顯著提升了混凝土抗裂性。結合試驗段監測結果與現場觀察表明，實現了地下車站側墻表面無裂縫。