地鐵車站混凝土開裂原因及修補措施

路亞雷

中鐵十九局集團有限公司 浙江 寧波 315000

引言

由于地鐵車站是整個城市軌道交通的一個關鍵環(huán)節(jié)，它既與旅客的生命安全息息相關，同時也是整個城市運行的主要技術裝備和運行管理體系。文章對地鐵車站混凝土結構的裂縫成因進行了分析，并提出了預防措施，并對地鐵的施工、材料、建設和運營維護提供了有益的參考。

1 地鐵車站混凝土開裂及原因

分析當前國內大多數(shù)的地鐵站都是采用頂板、中板和底板為主的，由多個單元構成的連續(xù)墻體和襯砌墻體，它們在縱向上的尺寸比其他各向都要小得多。但由于各種原因，導致混凝土面板的裂縫問題。根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因，本文將裂縫劃分為收縮開裂、耐久開裂和振動開裂三種。

1.1 收縮開裂及其成因

開裂產(chǎn)生的根源是由于其內部或表層受到的拉伸大于其本身的拉伸強度。地鐵車站的混凝土收縮裂縫，是由于大跨度的混凝土面板結構在建設時出現(xiàn)的水化和釋放熱量的聚集，新拌的砼由于固化時的干縮和收縮引起的裂縫，還有由于周邊氣溫的改變而產(chǎn)生的裂縫。

1.1.1 水泥水化導致的混凝土溫差開裂。在大跨度的混凝土結構中，常常需要一次全澆，因為在澆注后，會發(fā)生水化熱。而混凝土的巨大容積會使其在短時間內不易釋放，混凝土的內部氣溫明顯上升。同時，由于混凝土的溫度迅速下降，導致混凝土與混凝土表層之間的溫度相差很大（15～40℃）。由于溫度的變化，使得混凝土內部和外部發(fā)生了較大的變化，從而引起了混凝土的局部張應力。而在這個時期，由于其壽命較長，其抗張力性能較差，因此，在抗拉應力大于其拉伸強度的情況下，容易出現(xiàn)裂紋。針對這種狀況造成的裂紋，其防治的重點是選用合適的水泥種類（如細度等），并通過適當?shù)呐浔葋磉M行混凝土中的摻入量的調整，以及添加緩凝材料等。水泥的選用以低水化熱的高貝利特水泥和高摻量的低熱水泥為主，但對早期強度水泥的選用則是以低熱水泥為主。在保證混凝土的強度和抗?jié)B性能要求的前提下，最大限度地降低水泥的摻入量是預防溫差裂縫的主要方法。在技術要求上，應以混凝土的粒度為宜，以2500～3200cm3/g為宜。另外，還應注意控制對水泥中游離石灰、三氧化硫、游離氧化鎂等成分的含量，水化速度快、水化熱高、需水量大，大容積收縮的三氯化鋁（C3S），同時要對混凝土中的堿等進行嚴格的調控。如果不能選用中、低熱水泥，可以在水泥中加入粉煤灰、礦渣粉、石粉等外加劑，從而盡量推遲水化放熱峰的產(chǎn)生和減小內溫的峰，而不會對28天的強度產(chǎn)生任何的不利作用。在混凝土配方中還應該選用具有較好的緩凝性、高效性的減水劑，既可以減少水泥的使用，又可以延緩水化放熱高峰的發(fā)生，減小其內部的溫升，防止其產(chǎn)生的危險。

1.1.2 混凝土硬化過程中的收縮開裂。在混凝土的硬化過程中，其收縮可以分為化學收縮、自收縮、塑性收縮、干縮等。①水化作用是指在水化作用下，水化后的水化產(chǎn)品相對于水化之前，其相對于水化之前，其相對密度有所降低。Tazawa等認為，當水泥與水發(fā)生化學反應時，其體積減小。化學收縮是影響其自身收縮的主要因素，它取決于其成分和水化水平。②塑性收縮是由于在混凝土凝固之前，由于水分迅速流失而引起的收縮。在終凝之前，混凝土的拉伸和拉伸性能極差（＜0.01 MPa），或由于外部因素的影響，在混凝土初凝固后，其表層水分會迅速流失；引起了混凝土中的大面積的毛細壓力，從而導致了混凝土的體積迅速縮小。同時，水泥的強度也會因為本身的膨脹而破裂。③干縮是由于水泥漿中的水分在長時間的干旱條件下不斷地釋放和蒸發(fā)，從而引起了毛細壓力的收縮。在混凝土強化中，除要考慮水泥品種、減水劑品種以外，還必須考慮混凝土水膠比例的變化。混凝土的水凝膠比例較大時，其收縮較大，應盡可能減少水泥的水膠比例。為了避免在混凝土中發(fā)生裂紋，可以采用膨脹劑、減縮劑等添加劑，并加入一些纖維類物質（其中最常見的是能有效地抑制混凝土的塑性收縮裂縫）。在施工中要特別重視混凝土的維護，并盡可能地采取覆蓋式的方法來降低水的損失；還可以采用混凝土養(yǎng)護液等進行有效的維護[1]。

1.2 耐久開裂及其成因

在長時間承受靜荷載、動荷載和結構次應力等荷載的情況下，會引起混凝土建筑的耐久裂縫。其原因是：混凝土的抗?jié)B性能下降，地鐵迷流和腐蝕引起的鋼筋腐蝕斷裂。

1.2.1 滲透開裂。地鐵車站的水泥長時間處在有地下和濕潤的條件下，由于大容積混凝土在運行過程中會受到不同程度的荷載和變形，混凝土在荷載、變形、氣候等因素的影響下，其微觀組織會逐漸退化，在混凝土的表層和內部出現(xiàn)大量的微觀裂縫。同時，混凝土表面的微觀裂縫也會造成滲流管道之間的連接，提高混凝土的滲透率，從而造成更多的水分和有害的化學物進入到混凝土中，使混凝土進一步惡化、開裂。同樣的連鎖反應?；炷镣嘶?裂縫-滲透系數(shù)增大-混凝土惡化-最終會造成對混凝土的破壞性損害。

1.2.2 銹蝕開裂。在大跨度的混凝土中，采用了鋼筋與混凝土的混合。如果暴露于空氣和其他環(huán)境中，會產(chǎn)生腐蝕，從而導致鋼筋的截面變薄，從而對結構的受力產(chǎn)生不利的作用。而鋼筋外層的水泥可以有效地防止鋼筋受到腐蝕，甚至防止其受到外界的腐蝕。混凝土防護層是由最外層的鋼筋外側邊緣到混凝土表面的一段。如果防護層的耐蝕性和耐久性都會對其結構的耐久性產(chǎn)生很大的影響，如果防護層的耐久性不夠好，那么鋼筋將會更快地腐蝕。腐蝕的過程中，腐蝕物質增多，使鋼筋周邊的混凝土保護層發(fā)生擠壓，從而在混凝土中形成壓力，最后，混凝土防護膜開裂，導致鋼筋與混凝土的結合失效。由于腐蝕作用，使鋼筋的截面變薄，使其自身的剛度下降，使其耐用性下降，從而造成裂縫和損壞。地鐵站點因其特殊的工作條件，其腐蝕問題較一般的工程施工更為復雜和嚴重。首先，由于地鐵車站主要建筑的混凝土常常處于地下水豐富、滲水性強的地段，而國內地下水尤其是淺部地下水的環(huán)境問題較為突出，含有大量的氯離子和硫酸根離子。由于地下壓力水和酸性地下水的溶解，地下硫酸鹽和氯離子的腐蝕，使其在混凝土中的鋼筋腐蝕，從而大大削弱了其強度。其次，地鐵迷流量對地鐵站內的混凝土建筑也有一定的作用。地鐵迷流又稱為“雜流”，是指利用電力驅動的地鐵線路在軌道上行駛時向道底和周邊的土壤中泄露的電流。在此期間，由于受到強烈的磁場影響，導致了鋼筋的氧化、還原作用，從而導致了鋼筋的銹蝕。由此導致了混凝土構件的斷裂。

1.3 振動開裂及其成因

由于日常工作繁忙，地鐵車站的軌道構造是其底層地基，長時間受到列車碾壓、振動和摩擦的影響，且受到的撞擊及周圍的溫度的影響，在施工期間會產(chǎn)生各種不同程度的損壞，最后造成道床砼裂縫。而在長時間的汽車載荷下，因技術原因和質量問題而形成的微觀裂紋會迅速擴展，并形成大的裂縫，對整個城市的運行造成嚴重的影響。方樹薇利用道床鋼板的有限元分析方法，對其進行了試驗研究，結果表明：在地鐵和溫壓的條件下，道床板基體的開裂部位主要集中在路基的邊角；并且在45°左右的范圍延伸。

2 地鐵車站混凝土結構裂縫的修補措施

混凝土裂縫不僅會影響整體強度、剛性、抗疲勞性能，而且還會使其抗?jié)B率下降，加快其碳化速度，加速構件的腐蝕，造成構件的整體耐用性降低，從而大大降低了構件的使用壽命。為了確保地鐵站的正常運行，在出現(xiàn)裂紋或漏水的時候，必須對其進行相應的處理，并對其進行相應的修護。目前，混凝土開裂修復技術包括：表面修補、灌漿、嵌填封堵、結構補強、替代水泥、電化學防護、生物修復等[2]。

2.1 表面修補法

表面修補法是在混凝土裂縫的表面涂抹水泥漿、聚合物改性水泥漿、環(huán)氧膠泥，或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青、煤焦油等，以封閉裂縫，防止外界有害介質通過裂縫侵入混凝土內部，造成進一步的侵蝕。有時，為了防止混凝土修補后受各種作用繼續(xù)開裂，還在裂縫表面粘貼玻璃纖維布、碳纖維布，以起到較好的約束作用。表面修補法是較簡單且常用的裂縫修補方法，適用于裂縫情況較穩(wěn)定，且裂縫對結構承載能力影響不明顯的情況。

2.2 灌漿、嵌縫封堵法

灌漿技術是指通過使用加壓裝置將注漿物料注入混凝土裂縫，使其凝固并與水泥融為一體，達到密封裂縫、加強水泥砂漿的作用。水泥漿、聚合物改性水泥漿、環(huán)氧樹脂是目前較為普遍的注漿方法；異丁二烯和聚亞胺酯等。灌漿是一種對建筑物整體性能有一定作用的裂縫，或在出現(xiàn)裂紋后，對結構的抗?jié)B性產(chǎn)生不利的作用。嵌縫封堵是指沿著縫隙縱向開出一條較淺的溝道，并在溝道內嵌入一種可壓縮或硬密封材料，從而實現(xiàn)對該裂縫進行密封。目前，塑封的主要原料有PVC膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等。常用的硬質密封劑有聚合物水泥砂漿、環(huán)氧樹脂砂漿等。在混凝土建筑的裂縫封閉中，嵌縫封堵是最常見的一種施工技術。

2.3 結構加固法

結構加固一般采用的方法是：①在混凝土中加入鋼筋、混凝土，使其斷面變得更大；②將型鋼包覆于混凝土部件的拐角；③在鋼筋受拉的區(qū)域加入粘貼鋼筋；④預應力鋼筋；⑤增加支座；⑥采用噴水混凝土進行強化處理。在受力破壞的情況下，應對其進行加固。雖然加強的成本比較大，但是可以改善結構的總體力學。

2.4 置換混凝土法

置換混凝土施工方法是將破壞的混凝土完全清除（如果鋼筋腐蝕過深，需要進行加固或添加加固），然后在澆筑新的水泥或灰泥。新型的混凝土有一般的、高分子的改性的；新型砂漿有水泥砂漿、聚合物改性水泥砂漿、環(huán)氧水泥砂漿等。新灌入的新的或新的水泥，其強度等級應至少高于原來的水泥。在混凝土結構破損較大的情形下，采用替代混凝土進行修復和加固，雖然成本較高，但效果明顯。

2.5 電化學防護法

電化學防護是指在外加電場的基礎上，通過電化學的方法，使混凝土或鋼筋的周圍的條件發(fā)生變化，使鋼筋發(fā)生鈍化，從而實現(xiàn)對鋼筋、混凝土的防腐和防護。常用的化學保護方法有：陰極保護法、氯鹽提取法、堿還原法等。由于受到周圍環(huán)境條件的限制，電化學防護板適合于長期保護加固，可以應用在有裂縫的建筑物或新建筑上。

2.6 仿生自愈合法

仿生自愈合法是通過模擬動物組織和修復機制，利用膠合與基質結合的方式，在受損后可以自我修復或再生，從而恢復乃至改善基質的特性。它的機理是：將某些特制的中空玻璃纖維或膠囊（這些材料含有能夠修復裂紋的化學成分）事先嵌入到水泥中，在出現(xiàn)微小裂紋時，中空的玻璃鋼會裂開或者會破碎，從而放出一種化學成分來修補這些裂紋；隨后，這些化學成分會在裂紋中凝固，修補裂紋，并將其還原成原來的機械特性。目前，正在進行的還有一些是礦物自我修補和微生物修復的混凝土。仿生自愈法是一種新型的混凝土裂紋修補技術。在工程實踐中，要考慮到施工現(xiàn)場的具體情況，合理地進行自我修補[3]。

3 結束語

從地鐵施工初期起，其混凝土結果就一直有不同程度的裂縫。在軌道交通樞紐中，混凝土開裂分為三種類型：收縮開裂、耐久開裂和震動開裂。針對裂縫的防治，必須從結構設計、材料選擇、施工管理等幾個環(huán)節(jié)入手。在結構設計中，要充分認識引起裂紋的各種因子及其在建筑中的分布特點，采用預應力鋼筋或加強筋的方法，以求在結構層面上避免裂紋的發(fā)生。在原材料選用及配置時，要結合施工現(xiàn)場的具體條件，選用低熱水泥、優(yōu)質摻和料、緩凝型外加劑及優(yōu)質集料，同時要注意減少拌和料的使用。在工程建設中，要注重對工程的選擇，要嚴格遵守有關的技術規(guī)范，要掌握好拆模的時機，并要加強對混凝土的維護。在對地鐵車站的混凝土、鋼筋結構發(fā)生裂縫后，要對裂縫的影響和發(fā)展進行分析，并對其進行有效的修復和加強，確保其在施工中的安全和未來的使用年限。