地下車站側墻混凝土結構抗裂技術研究與應用*

酈 亮 王全超 程 璐 占 文

(1.寧波市軌道交通集團有限公司, 315101, 寧波; 2.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司, 430040, 武漢;3.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室, 430040, 武漢)

近年來,我國的城市軌道交通地下工程向大型化、超長、復雜化方向發展。混凝土工程質量對建設投資、后期運營維護的影響極為深遠。由于地下水的存在,若地鐵車站混凝土結構產生裂縫,就會造成主體結構板間滲水?？梢?混凝土開裂是威脅地鐵車站結構安全的主要原因之一。地鐵工程的相關調查表明:在天津地鐵既有線隧道及車站結構的側壁上,有一定數量的裂縫出現,其中有惡性貫穿裂縫,長度約2～3 m,寬度約0.4～5.0 mm不等,并伴有地下水的滲漏現象;北京和上海等城市的地鐵也發現了側墻的開裂現象?？梢?地下工程的側墻的開裂比較普遍,在地下工程中是一個尚未解決的難題。

分析側墻結構可知,現澆大體積混凝土側墻受底板的約束較大且結構超長,受溫降收縮及自收縮的疊加效應影響,很容易出現裂縫,且后期的干燥收縮會進一步加劇裂縫產生[1-2]。對此,本文以寧波軌道交通4號線麗江路站側墻為研究對象,配制抗裂混凝土,以降低混凝土材料收縮,并設計合適的側墻尺寸,以減小內外約束。

1 抗裂混凝土的配置試驗

1.1 原材料

試驗抗裂混凝土所用原材料包括PO 42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、 S95級礦粉、粗集料為5～25 mm的連續級配碎石、細度模數為2.8的河砂,蘇博特的HME-Ⅴ型抗裂劑,聚羧酸系高性能減水劑(減水率為26%,含固量為21%)。拌合用水采用潔凈自來水。

1.2 抗裂混凝土的配合比設計及性能

配合比設計原則:①降低水泥用量;②采用粉煤灰、礦粉雙摻的膠凝材料體系,降低混凝土水化熱;③摻加高效抗裂劑,復合氧化鈣膨脹劑及緩凝成分,補償混凝土自收縮,降低水化熱。

根據大量混凝土試驗結果,按上述配合比設計原則,優選出混凝土性能要求推薦配合比。根據JGJ 55—2019《普通混凝土配合比設計規程》,參考寧波地鐵4號線其他站地下側墻C35混凝土現場使用情況,確定基本配合比。不同配合比下的側墻C35混凝土摻和量如表1所示。按推薦配合比和基準配合比制作混凝土試件(A組試件為采用推薦配合比的抗裂混凝土,B組試件為采用基準配合比的基準混凝土),并測試混凝土試件的相關受力性能,結果如表2所示。

表1 不同配合比下的側墻C35混凝土摻和量

表2 不同混凝土試件的受力性能

與B組試件相比,A組試件采用了HME-Ⅴ型抗裂劑取代部分水泥及粉煤灰摻量。由表2可知:A組試件3 d、7 d的抗壓強度較低,28 d后的抗壓強度略高;HME-Ⅴ型抗裂劑的摻入,可有效提升混凝土的劈拉強度,這將有利于提高混凝土的抗裂性能。

測試兩組試件的絕熱溫升及自生體積變形,結果如圖1及圖2所示。

圖1 不同配合比混凝土試件的絕熱溫升

圖2 不同配合比混凝土試件的自生體積變形

由圖1可知,抗裂劑的摻加能有效延緩混凝土水化速率的進行,從而降低混凝土早期的絕熱溫升,卻不會影響混凝土最終的水化程度;未摻加抗裂劑的混凝土隨齡期增加,其體積逐漸收縮——7 d至50 d時體積收縮較大,此后體積變形逐漸減少,140 d后體積基本穩定;摻加抗裂劑后,混凝土在早期體積膨脹明顯,當混凝土溫度達到峰值后,混凝土發生溫降收縮、塑性收縮及干燥收縮,其體積不斷減小,但在抗裂劑的補償作用下,混凝土體積仍在膨脹,隨著抗裂劑的不斷消耗,其補償能力不斷減弱,使得混凝土的總膨脹值在7 d至11 d時不斷減小,并在后期使混凝土產生較少的收縮。

HME-Ⅴ型抗裂劑有利于混凝土到達溫度峰值后降溫過程中的體積穩定,在混凝土繼續水化且強度增長過程中,避免了體積收縮,實現了水化速率和膨脹歷程協同調控,增大了膨脹材料在降溫階段的膨脹,降低了開裂風險。因此,現場澆筑的側墻混凝土應優先采取使用推薦配合比的抗裂混凝土。

2 側墻結構抗裂技術

2.1 側墻厚度

寧波地鐵車站主體結構側墻厚度大多為0.7 m,車站兩端頭處側墻厚度為0.8 m。為了探究側墻厚度對開裂風險及分段長度的影響,采用midas FEA軟件建立混凝土結構有限元模型進行仿真分析。

有限元模型中,側墻厚度h分別選取為0.35 m、0.50 m、0.70 m、0.90 m,混凝土強度等級為C35,抗滲等級為P8,澆筑季節為夏季,環境氣溫為30 ℃,入模溫度為35 ℃,采用鋼模施工,分段澆筑長度為30 m。計算得到不同厚度墻體的抗裂安全系數K如圖3所示。

圖3 不同厚度墻體K的計算結果

一般認為,當K≥1.4時,混凝土開裂風險較小,基本不會開裂。由圖3可知,當h=0.35 m時,夏季澆筑的開裂風險最小;當h為0.50～0.90 m時,開裂風險極大。

2.2 側墻的分段澆筑長度

分段澆筑長度L會影響混凝土收縮變形及所受到的外約束:L越長,則混凝土開裂的風險就越高。因此,確定合適的分段澆筑長度可以降低混凝土的開裂風險。

基于混凝土不裂、不滲的目標,計算安全澆筑的最大分段澆筑長度La作為最佳分段澆筑長度,對構造措施進行優化。為明確不同澆筑季節的La,結合工程測試數據,利用有限元模型,計算分段澆筑長度不同時側墻中下部混凝土的K。在其他參數不變情況下,選取春、秋季日均氣溫為20 ℃,夏季日均氣溫為30 ℃,冬季日均氣溫為10 ℃,入模溫度比日均氣溫高5 ℃。計算得到不同澆筑季節不同分段澆筑長度下基準混凝土和抗裂混凝土的K,如圖4所示。按K=1.4得到不同季節兩種混凝土的La如表3所示。

a) 夏季澆筑

表3 不同季節兩種混凝土的La

結合圖4及表3可知,當L增加時,外約束增強,K降低,開裂風險明顯上升;當L增加至一定長度時,K趨于穩定;夏季入模溫度較高,La最短,春、秋季次之,冬季最長;夏季施工時,基準混凝土側墻La僅為5.28 m,抗裂混凝土側墻La顯著增至15.18 m,說明采取抗裂混凝土可進一步降低開裂風險;當入模溫度降低時,與基準混凝土相比,抗裂混凝土側墻La顯著增大,春、秋季施工增大約12.90 m,冬季增大約16.18 m。由此可見,抗裂混凝土能有效降低開裂風險系數,抑制開裂,在車站施工中建議按照表3中的La,合理劃分施工段,降低混凝土開裂風險。

3 實體結構監測與分析

為了研究側墻墻體內部的溫度發展規律,并驗證抗裂混凝土使用高效抗裂劑效果,選取麗江路站主體結構作為試驗段進行分段澆筑。試驗段側墻尺寸為84.0 m(長)×5.6 m(高)×0.7 m(寬)。參考表3,兼顧經濟性與施工質量,將每層試驗段側墻按La=16 m大致劃分為5個施工段。因試驗段的中板、頂板與側墻須一致分段澆筑,且分段節點須同中板開孔、構造柱等結構錯開,故在La=16 m的基礎上進行修正。修正后,麗江路站試驗段各分段實際長度依次為16 m、17 m、17 m、19 m、15 m。

為采集側墻墻體內部的溫度數據,在試驗段側墻內部,在各層每段混凝土側墻測溫面的垂直中位面按1/4塊布置測點,采用熱電偶式溫度計測溫,并用自動巡檢記錄儀記錄。第一段側墻內部的溫度測點布置如圖5所示。

a) 主視圖

根據溫度采集數據,計算側墻內部最高溫度、內表溫差、環境與混凝土表面溫度之差等相關溫度特征指標,并繪制溫度特征指標曲線。麗江路站側墻典型分段的溫度特征指標曲線如圖6所示。

a) 負一層第三段

結合溫度檢測結果及現場實施效果可知:

1) 負二層第四段:溫度峰值為59.87 ℃,最大內表溫差為19.78 ℃,最大表面與環境溫度差為16.50 ℃。負一層第三段:溫度峰值為56.37 ℃,最大內表溫差為25.62 ℃,最大表面與環境溫度差為27.03 ℃。負二層第三段:溫度峰值為62.24 ℃,最大內表溫差為28.9 ℃,表面與環境溫差為25.00 ℃。

2) 混凝土澆筑后約30 h,混凝土內部溫度達到峰值;之后,混凝土溫度逐漸降低。內表溫差升高出現于混凝土降溫階段。負一層第三段與負二層第三段的溫度指標異常時段,均出現于澆筑后10 d內。

3) 經現場檢查,負二層第四段出現裂縫0條,負一層第三段出現裂縫10條,負二層第三段出現裂縫16條,未采取控裂措施的非試驗段開裂情況嚴重,每1.0～1.5 m就會出現1條裂縫。

由上述分析可知,若能有效控制入模溫度,合理選擇分段澆筑長度,適當延長拆模時間、保溫保濕養護等相關溫度指標,則可明顯降低開裂風險。根據仿真計算結果及現場監測結果,以及K≥1.4的原則,提出側墻混凝土溫度控制指標,如表4所示。

表4 側墻混凝土溫度控制指標

4 結語

1) 降低水泥用量,采用礦物摻合料雙摻并加入具有控制溫升及溫度變化歷程與體積膨脹協調發展的抗裂劑材料,制備了低水化熱、高抗裂的地下車站混凝土。其早期微膨脹,避免了早期約束,140 d后體積穩定,有效解決了混凝土降溫階段收縮,從應力分布和發展角度降低了混凝土結構外應力,混凝土抗裂安全系數控制在1.4以上。澆筑溫度控制在35 ℃以下時,在施工、養護條件均較優良的情況下,可保證減少溫度收縮裂縫90%以上。

2) 為減小側墻結構的后期開裂風險,優化設計了混凝土一次分段澆筑長度,通過試驗段分段長度復核仿真計算分析,麗江路站側墻大體積混凝土按最佳分段澆筑長度為16 m時的理論抗裂安全性較好。結合現場實施效果,該車站側墻裂縫發生概率大幅降低,與寧波地鐵其他類似工程相比,裂縫總數減少70%。這不僅延長了結構使用壽命,也降低了后期修補費用,具有極大的經濟效益。