補(bǔ)償收縮混凝土在地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

梁宇，王大永，謝麗霞，劉運(yùn)生，夏振興

（1.中交哈爾濱地鐵投資有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)地鐵工程建設(shè)正處于高速發(fā)展期，但地鐵車站施工期長(zhǎng)，混凝土澆筑施工工藝復(fù)雜，施工進(jìn)度緩慢低效[1]。通過(guò)裝配式結(jié)構(gòu)的推廣，可以顯著提高施工效率和質(zhì)量[2-4]。哈爾濱地鐵3號(hào)線丁香公園站采用明挖-裝配整體式混凝土地下空間結(jié)構(gòu)，這是一種預(yù)制疊合裝配式結(jié)構(gòu)，也稱半預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）整體性能和防水性能較好。

2）預(yù)制構(gòu)件可以規(guī)?；a(chǎn)，輕量化拼裝，預(yù)制施工速度較快。

3）適用于各種結(jié)構(gòu)尺寸的建筑，特別是非標(biāo)準(zhǔn)截面適用性相對(duì)較好。

這種裝配式技術(shù)在國(guó)內(nèi)比較少見，在地下空間結(jié)構(gòu)中尚無(wú)應(yīng)用，缺少可借鑒的工程實(shí)例。根據(jù)已反饋的明挖-裝配整體式混凝土地下空間結(jié)構(gòu)車站設(shè)計(jì)和施工需要，急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是流態(tài)混凝土約束收縮開裂和新舊混凝土結(jié)合面有效粘結(jié)問(wèn)題。

研究者對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)新舊結(jié)合面質(zhì)量的研究也取得了一定成果。張文淵[5]利用補(bǔ)償收縮混凝土對(duì)某工程屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自防水。趙軍等[6]利用超聲波法檢測(cè)裝配式結(jié)構(gòu)接縫處的密實(shí)性，分析了缺陷數(shù)據(jù)的規(guī)律性，建立了空洞缺陷的計(jì)算模型。張菊輝等[7]從新舊混凝土界面的粗糙程度、采用的修補(bǔ)材料與界面劑的選擇以及界面植筋4方面進(jìn)行了綜述，可在新混凝土中摻加特殊材料，提高性能。然而目前對(duì)地鐵車站裝配式結(jié)構(gòu)用補(bǔ)償收縮混凝土缺少相關(guān)研究，因此開展對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)車站裝配式結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償收縮混凝土配制與檢測(cè)的研究意義重大。

本文針對(duì)哈爾濱地鐵3號(hào)線的實(shí)際施工問(wèn)題，選制出適用于裝配式結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償收縮混凝土并開展對(duì)應(yīng)混凝土的補(bǔ)償收縮能力驗(yàn)證，以及相應(yīng)混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)檢測(cè)。對(duì)應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)的裝配式結(jié)構(gòu)檢測(cè)已完成[8]。

1 工程概況

哈爾濱位于東北嚴(yán)寒地區(qū)，每年的有效地鐵施工建設(shè)時(shí)間短，集中在3—11月份，因此對(duì)于地鐵施工的質(zhì)量和速度要求較高，同時(shí)為響應(yīng)國(guó)家關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見，哈爾濱地鐵丁香公園站將首先采用裝配式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在狹小、局促的場(chǎng)地條件下，有效縮短施工工期，安全可靠地完成工程建設(shè)。本次研究主要針對(duì)車站裝配式結(jié)構(gòu)補(bǔ)償收縮混凝土配合比選配及相應(yīng)補(bǔ)償收縮能力以及劈裂抗拉強(qiáng)度的質(zhì)量水平開展研究。

限制膨脹率是衡量和評(píng)價(jià)補(bǔ)償收縮混凝土的最重要指標(biāo)之一，反映了摻膨脹劑混凝土的補(bǔ)償收縮能力。按GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》[9]附錄B中的試驗(yàn)方法B進(jìn)行摻膨脹劑混凝土的限制膨脹和收縮試驗(yàn)。另外按照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，測(cè)試新舊混凝土結(jié)合面的抗拉強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 補(bǔ)償收縮混凝土的配制與選定

單一膨脹劑在補(bǔ)償混凝土收縮過(guò)程中均存在一定的缺陷?？紤]到鈣基類膨脹劑水化反應(yīng)速率過(guò)快，主要補(bǔ)償混凝土早期收縮，而鎂基膨脹劑水化反應(yīng)速率相對(duì)較慢，主要對(duì)混凝土的后期收縮起補(bǔ)償作用。采用鈣鎂復(fù)合膨脹劑，發(fā)揮其各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)混凝土收縮全過(guò)程補(bǔ)償。補(bǔ)償收縮流態(tài)混凝土的正確設(shè)計(jì)和配合比的合理選擇，主要從以下方面來(lái)控制：

1）降低水膠比?？刂圃?.36～0.38。

2）水泥的礦物組成、類型及細(xì)度。選用P.O42.5的水泥，C3A含量不應(yīng)高于8.0%，比表面積不宜高于350 m2/kg。

3）增加礦物摻合料含量。粉煤灰通過(guò)改變膠凝材料體系水化速度、徐變系數(shù)、彈性模量可以有效抑制早期混凝土的自收縮。

4）選用優(yōu)質(zhì)減水劑。與水泥相容性好、減水率高、坍落度損失小、適量引氣、減小收縮且質(zhì)量穩(wěn)定的減縮型聚羧酸高性能減水劑。

根據(jù)施工工藝和設(shè)計(jì)要求分別設(shè)計(jì)4組配合比，見表1。通過(guò)試拌檢測(cè)，比對(duì)混凝土工作性能和經(jīng)濟(jì)性能，最終丁香公園側(cè)墻補(bǔ)償收縮混凝土配合比選定為序號(hào)3。

表1 配合比試配統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics table of trial mix proportion kg/m3

2.2 檢測(cè)混凝土的限制膨脹率，評(píng)價(jià)混凝土的補(bǔ)償收縮能力

限制膨脹率是衡量和評(píng)價(jià)補(bǔ)償收縮混凝土的最重要指標(biāo)之一，反映了摻膨脹劑混凝土的補(bǔ)償收縮能力。

按基準(zhǔn)混凝土配合比和補(bǔ)償收縮混凝土配合比對(duì)比試驗(yàn)，制備100 mm×100 mm×300 mm的試件，每組配合比各制備試件9個(gè)，試驗(yàn)周期90 d。按《混凝土膨脹劑》[9]附錄B中的試驗(yàn)方法B進(jìn)行摻膨脹劑混凝土的限制膨脹和收縮試驗(yàn)，結(jié)果取平均值。

通過(guò)定期測(cè)定每組混凝土實(shí)際的限制膨脹率平均值，得出不同齡期基準(zhǔn)混凝土和補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率變化曲線圖1。

圖1 C35側(cè)墻補(bǔ)償收縮混凝土不同齡期限制膨脹率變化圖Fig.1 Variation chart of limit expansion rate of C35 side wall compensation shrinkage concrete at different ages

經(jīng)過(guò)分析，未摻入膨脹劑的基準(zhǔn)混凝土，在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)條件下（溫度20℃±2℃，濕度60%±5%），由于水泥自然水化過(guò)程引起的干燥收縮，限制膨脹率隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)，且達(dá)到90 d時(shí)，限制膨脹率逐漸穩(wěn)定在-200×10-6，混凝土狀態(tài)為收縮?？紤]混凝土膨脹收縮原理，摻入膨脹劑的混凝土試件在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)條件下（溫度20℃±2℃，濕度60%±5%）存在兩種相反的體積變化，一是水泥自然水化所引起的干燥收縮，二是膨脹劑水化產(chǎn)生的體積膨脹。對(duì)于C35混凝土，摻入復(fù)合膨脹劑后9 d膨脹到達(dá)最高值，且后期齡期達(dá)到90 d時(shí)穩(wěn)定無(wú)明顯回落，混凝土在90 d時(shí)變形值為正值，較初值表現(xiàn)為微膨脹，膨脹劑水化產(chǎn)生的膨脹值超過(guò)水泥水化造成的收縮值，90 d時(shí)膨脹值為200×10-6，得出結(jié)論：本補(bǔ)償收縮混凝土具有很好的補(bǔ)償收縮能力。

2.3 新舊混凝土結(jié)合面強(qiáng)度試驗(yàn)研究

按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，分別測(cè)定每組混凝土結(jié)合面的抗拉強(qiáng)度，具體結(jié)果見表2。由表2可知，一次性澆筑基準(zhǔn)混凝土試件劈拉強(qiáng)度平均值為3.85 MPa，分2次澆筑基準(zhǔn)混凝土后形成新舊結(jié)合面試件劈拉強(qiáng)度為3.16 MPa，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，先澆筑基準(zhǔn)混凝土后澆筑補(bǔ)償收縮混凝土形成新舊結(jié)合面試件劈拉強(qiáng)度平均值為3.44 MPa，補(bǔ)償收縮混凝土與基準(zhǔn)混凝土有很好的結(jié)合作用，澆筑后能有效提高結(jié)合面的劈拉強(qiáng)度。均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求（≥2.20 MPa），表明新舊混凝土結(jié)合面質(zhì)量良好，同時(shí)結(jié)合已完成的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體檢測(cè)研究[8]，證明該補(bǔ)償收縮混凝土可以有效地應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)地鐵車站裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中。

表2 劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)比Table 2 Comparison of splitting tensile strength MPa

表2中，制備研究用150 mm×150 mm×150 mm混凝土結(jié)合試件9組。試件制作方法為：先澆筑150 mm×150 mm×75 mm基準(zhǔn)混凝土9組，養(yǎng)護(hù)14 d后對(duì)結(jié)合面進(jìn)行鑿毛處理，保證有粗骨料暴露在外，且結(jié)合面干燥、清潔。再以鑿毛面為底面，澆筑150 mm×150 mm×75 mm補(bǔ)償收縮混凝土；同時(shí)作為對(duì)比材料利用基準(zhǔn)混凝土一次性澆筑混凝土成型，制備150 mm×150 mm×150 mm劈拉試件9組，作為對(duì)比試件1，另外先澆筑150 mm×150 mm×75 mm基準(zhǔn)混凝土9組，養(yǎng)護(hù)14 d后待澆筑面繼續(xù)澆筑150 mm×150 mm×75 mm基準(zhǔn)混凝土，作為對(duì)比試件2。新舊混凝土結(jié)合試件和對(duì)比試件1、2標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行劈拉試驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室配合比試驗(yàn)，配制出適用于裝配式結(jié)構(gòu)新舊結(jié)合面的有膨脹效果的補(bǔ)償收縮混凝土，解決裝配式結(jié)構(gòu)車站施工中關(guān)于流態(tài)混凝土約束收縮開裂和新舊混凝土結(jié)合面有效粘結(jié)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，保證側(cè)墻新舊混凝土結(jié)合面有效粘結(jié)，確保預(yù)制疊合裝配式板或支護(hù)墻體與補(bǔ)償收縮混凝土新舊混凝土結(jié)合面的有效粘結(jié)，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試混凝土的補(bǔ)償收縮能力、新舊混凝土結(jié)合面的劈拉強(qiáng)度等，對(duì)該補(bǔ)償收縮混凝土的性能進(jìn)行評(píng)定。本研究方法可以為裝配式結(jié)構(gòu)施工過(guò)程提供技術(shù)參考，取得了較為有意義的成果。