濱海環(huán)境地下車站側(cè)墻混凝土抗裂防水技術(shù)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(nèi)城市軌道交通工程建設(shè)速度的加快，地下車站主體側(cè)墻混凝土開裂引起滲漏水現(xiàn)象愈來愈引發(fā)工程建設(shè)者的關(guān)注，成為地鐵建設(shè)中一項(xiàng)頑疾。地下車站側(cè)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(jié)合的措施來滿足結(jié)構(gòu)的防水要求。柔性防水受有機(jī)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(jié)構(gòu)百年使用周期防水設(shè)計需求不同步?；炷羷傂宰苑浪蔀榻Y(jié)構(gòu)防水的永久防線與根本，而收縮裂縫控制是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛性防水的關(guān)鍵[2]。對于普通C30強(qiáng)度以上等級的混凝土，未發(fā)生開裂時其滲透系數(shù)完全滿足剛性防水要求的抗?jié)B等級；但一旦出現(xiàn)開裂，滲透系數(shù)呈數(shù)量級大幅增加，直接影響結(jié)構(gòu)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(jīng)驗(yàn)，如何避免建設(shè)期混凝土開裂進(jìn)而保障其剛性防水性能、提高結(jié)構(gòu)防水技術(shù)質(zhì)量，仍是實(shí)現(xiàn)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(shè)發(fā)展的快速期，目前已開通運(yùn)營線路4條，在建線路6條，遠(yuǎn)期規(guī)劃總里程超過800 km。結(jié)合青島地鐵設(shè)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(huán)境，高耐久性要求使得混凝土強(qiáng)度與抗?jié)B等級分別提高至C45、P10，56 d電通量低于1 200 C，顯著高于內(nèi)陸城市地下車站主體結(jié)構(gòu)C35P8的設(shè)計要求[5-6]。混凝土強(qiáng)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(wěn)定性變差，開裂風(fēng)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(shí)踐，比如設(shè)置后澆筑帶、膨脹劑的使用、控制入模溫度等，但多數(shù)為定性研究，控制指標(biāo)采用經(jīng)驗(yàn)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(jié)合工程建設(shè)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)混凝土收縮裂縫的可評估、可控制與可預(yù)防，保障結(jié)構(gòu)自防水性能成為研究的重點(diǎn)。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(shí)施中借鑒與推廣，具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 “水化-溫度-濕度-約束”多場耦合混凝土開裂風(fēng)險評估

1.1 開裂風(fēng)險評估理論與方法

地下車站側(cè)墻混凝土的變形開裂是在內(nèi)外強(qiáng)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(yīng)共同作用的結(jié)果[7-10]。在混凝土水化硬化階段，伴隨著復(fù)雜的物理與化學(xué)變化過程，引起內(nèi)部溫度、濕度的改變，與環(huán)境濕熱交換作用產(chǎn)生收縮變形，并在約束條件下產(chǎn)生拉伸應(yīng)力誘發(fā)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(huán)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(jī)制[13]，建立了青島地鐵地下車站主體結(jié)構(gòu)混凝土收縮開裂評估方法，對影響側(cè)墻混凝土開裂風(fēng)險關(guān)鍵因素進(jìn)行定量評估，旨在建設(shè)初期就對混凝土結(jié)構(gòu)的開裂情況進(jìn)行有效預(yù)防與控制，進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)剛性防水性能。

1.2 開裂風(fēng)險評定準(zhǔn)則

開裂風(fēng)險計算是以青島某地下車站主體側(cè)墻為工程研究背景，混凝土開裂風(fēng)險系數(shù)(某時刻收縮拉應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度比值)應(yīng)控制在0.7以下，具體開裂風(fēng)險計算評判準(zhǔn)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(yīng)力；

f(t)——此時刻混凝土的抗拉強(qiáng)度值。

根據(jù)開裂風(fēng)險評判準(zhǔn)則：當(dāng)η≥1時，混凝土一定開裂；當(dāng)0.7≤η<1時，混凝土可能發(fā)生開裂；當(dāng)η<0.7時，混凝土基本不會開裂(認(rèn)為開裂的可能性比較小)。

1.3 仿真計算結(jié)果分析

基于多場耦合收縮開裂機(jī)制與模型建立的開裂風(fēng)險評估方法，定量研究結(jié)構(gòu)因素、混凝土材料性能、環(huán)境溫度、施工工藝等關(guān)鍵因素對開裂風(fēng)險系數(shù)的影響。影響因素的影響大小及演變規(guī)律計算結(jié)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(fēng)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(guān)鍵技術(shù)

2.1 原材料與配合比性能指標(biāo)要求

在混凝土開裂風(fēng)險定量評估的基礎(chǔ)上，提出青島地鐵混凝土原材料性能與配合比的關(guān)鍵控制指標(biāo)，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(cè)墻溫度開裂風(fēng)險尤為關(guān)鍵，依據(jù)GB 50666—2017《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》、JGJ/T 385—2015《高性能混凝土評價標(biāo)準(zhǔn)》，夏季混凝土開裂風(fēng)險最高，施工時控制混凝土入模溫度不應(yīng)高于35 ℃，冬季施工控制混凝土入模溫度不低于5.0 ℃。當(dāng)混凝土入模溫度不滿足控溫要求時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取相關(guān)措施，降低或提高混凝土入模溫度。

2.3 拆模及保溫保濕養(yǎng)護(hù)控制

1) 側(cè)墻混凝土拆模時間宜根據(jù)結(jié)構(gòu)溫度歷程監(jiān)測結(jié)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(cè)墻拆模后應(yīng)降低表面混凝土降溫速率與水分蒸發(fā)速率，及時覆蓋帶有塑料內(nèi)膜的復(fù)合土工布進(jìn)行封閉保溫、保濕養(yǎng)護(hù)，控制降溫速率≤3 ℃/d。冬季混凝土養(yǎng)護(hù)過程中需注意氣溫驟降情況，根據(jù)溫度實(shí)時監(jiān)測結(jié)果，進(jìn)一步采取必要的保溫措施，預(yù)防冷擊開裂。

2.4 混凝土監(jiān)測與驗(yàn)收

側(cè)墻澆筑前應(yīng)根據(jù)墻體內(nèi)部溫度場與應(yīng)力場的一般規(guī)律合理進(jìn)行監(jiān)測布點(diǎn)，使其能真實(shí)反映混凝土澆注體內(nèi)最高溫升、里表溫差、降溫速率以及混凝土的約束應(yīng)變。澆筑后采用溫度-應(yīng)變無線監(jiān)測設(shè)備對混凝土進(jìn)行實(shí)時、原位的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果反饋指導(dǎo)現(xiàn)場施工及結(jié)構(gòu)抗裂性能評定。實(shí)體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量驗(yàn)收應(yīng)符合國家及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的要求。

表1 側(cè)墻混凝土開裂風(fēng)險影響定量因素仿真計算結(jié)果

表2 原材料主要性能控制指標(biāo)

表3 混凝土抗裂性關(guān)鍵控制指標(biāo)

3 工程實(shí)際應(yīng)用

3.1 混凝土配合比及早期性能試驗(yàn)

3.1.1 原材料及配合比優(yōu)化設(shè)計

以青島某城市軌道交通地下車站側(cè)墻作為實(shí)際工程試驗(yàn)段，原材料均來自實(shí)際供應(yīng)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(xù)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(guān)鍵指標(biāo)要求，基于混凝土溫度與膨脹歷程協(xié)同調(diào)控技術(shù)，來解決青島地鐵濕熱耦合變形開裂問題。配合比優(yōu)化設(shè)計是在大摻量摻和料的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(diào)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(bǔ)償協(xié)同調(diào)控，以提升與保障混凝土抗裂性與耐久性。配合比基本參數(shù)如表4所示。

3.1.2 混凝土的力學(xué)與耐久性能

混凝土的力學(xué)性能與耐久性能測試結(jié)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(diào)控組分對放熱速率的影響，7 d的力學(xué)性能稍偏低，28 d的力學(xué)性能基本正常，且滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。此外，摻加的抗裂劑改善了混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)，降低了電通量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)，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(shù) kg/m3

表5 混凝土的力學(xué)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(jié)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(zhǔn)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(diào)控組分對水化放熱性能進(jìn)行了調(diào)控，改變了結(jié)構(gòu)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(cè)墻混凝土溫峰值與降溫速率，因而降低了結(jié)構(gòu)溫度開裂風(fēng)險。

圖1 絕熱溫升測試結(jié)果

3.1.4 混凝土體積變形

仿真計算實(shí)體結(jié)構(gòu)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(diǎn)，如圖2所示。由圖2可知，基準(zhǔn)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(chǎn)生538.36 με膨脹變形，較基準(zhǔn)普通混凝土增加364.14 με，降溫階段仍可補(bǔ)償收縮約80.4 με。通過對混凝土溫升、溫降過程收縮變形補(bǔ)償，可抑制收縮裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。

圖2 變溫條件下混凝土自生體積變形結(jié)果

3.2 試驗(yàn)段側(cè)墻溫度-變形歷程監(jiān)測結(jié)果分析

通過以上青島地鐵的混凝土抗裂防水技術(shù)研究，形成了集設(shè)計、材料、施工、監(jiān)測為一體的青島地鐵地下車站側(cè)墻抗裂成套技術(shù)。將研究成果應(yīng)用于青島某地下車站負(fù)二層標(biāo)八段側(cè)墻(結(jié)構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)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(yǎng)護(hù)期間監(jiān)測混凝土的溫度、變形發(fā)展歷程，以評定抗裂防水技術(shù)的實(shí)施效果。溫度與變形監(jiān)測結(jié)果如圖3與圖4所示。

由圖3可知：側(cè)墻混凝土溫度經(jīng)歷先升高后逐漸減小直至達(dá)到穩(wěn)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(jié)構(gòu)的散熱影響，最高溫升比中部中心低約5.5 ℃；溫峰值出現(xiàn)的時間約1.0 d左右，內(nèi)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(wěn)定。

圖3 混凝土溫度監(jiān)測歷程

圖4 混凝土變形監(jiān)測歷程

由圖4可知：以混凝土初凝為變形起點(diǎn)，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(wěn)，未有變形突變點(diǎn)，觀察實(shí)體結(jié)構(gòu)表面未出現(xiàn)裂縫。試驗(yàn)段監(jiān)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(xié)同調(diào)控作用，顯著提升了側(cè)墻混凝土的抗裂性。

4 結(jié)語

1) 濱海環(huán)境下的青島地鐵地下車站側(cè)墻混凝土強(qiáng)度與耐久性能要求高，開裂驅(qū)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(jī)制，從結(jié)構(gòu)、材料性能及施工工藝角度等影響因素進(jìn)行抗裂性的專項(xiàng)定量評估，明晰這些因素對開裂風(fēng)險的影響規(guī)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(shù)手段，能夠控制混凝土開裂風(fēng)險系數(shù)小于0.7。

2) 在開裂風(fēng)險關(guān)鍵影響因素量化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)工程實(shí)際情況，從原材料與混凝土性能指標(biāo)控制、入模溫度、拆模與保溫保濕養(yǎng)護(hù)等方面，制定了抗裂性施工關(guān)鍵技術(shù)措施。配合施工過程，采用抗裂無線監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測混凝土溫度與變形參數(shù)的發(fā)展歷程。

3) 在上述研究基礎(chǔ)上，形成集設(shè)計、材料、施工、監(jiān)測于一體的青島地鐵地下車站側(cè)墻抗裂成套技術(shù)，采用溫升抑制與膨脹歷程調(diào)控技術(shù)制備抗裂混凝土，并在側(cè)墻試驗(yàn)段中得到成功應(yīng)用。結(jié)果表明：與未摻抗裂劑的基準(zhǔn)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(chǎn)生有效膨脹，顯著提升了混凝土抗裂性。結(jié)合試驗(yàn)段監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場觀察表明，實(shí)現(xiàn)了地下車站側(cè)墻表面無裂縫。