浅谈地铁工程混凝土裂缝控制措施

摘要:地铁工程施工过程中出现的混凝土裂缝能否得到良好的控制，影响施工质量、施工进度,乃至地铁将来能否有良好的安全性能和使用寿命长短的一个重要因素。本文通过工程实例对大体积混凝土裂缝控制措施进行了探讨。

关键词:地铁工程；混凝土；裂缝控制

随着科学技术的发展和新材料、新工艺、新技术的推广应用,促进了施工技术的进步,高强度大体积混凝土在工程中应用日益广泛,但常常出现裂缝现象是大体积混凝土结构施工中的一个重大研究课题。据调查统计发现，大体积混凝土出现裂缝相当普遍，其中地下底板混凝土出现裂缝占调查总数的20%左右，外墙混凝土出现裂缝占调查总数的80%左右，因此，大体积混凝土裂缝是长期困扰土建工程的一大难题。一旦有裂缝产生，将会给工程带来不同程度的危害，甚至会严重影响结构的耐久性，造成经济上的巨大损失。

1 工程概况

某地铁站建筑平面为“十”型岛侧换乘车站，总长137.4m，宽为37.7m，车站另设4个风道及4个出入口，总建筑面积16972m2。主体结构底板厚900mm，侧墙厚700mm，顶板厚800mm，结构混凝土采用商品泵送混凝土，分段（长度16～21m）施工，混凝土强度等级为C30，抗渗等级为P8。

考虑到地铁车站对防水和混凝土耐久性的特殊要求，设计要求防水混凝土的裂缝迎水面不大于0.2mm，背水面不大于0.3mm。本车站底板、侧墙和顶板混凝土均按大体积混凝土要求组织施工，控制裂缝。

2 裂缝控制措施

2.1材料的选择

（1）水泥选用P.O42.5，为中低水化热低碱水泥，控制水泥中发热量和发热速度最快的C3A的含量在7%以下，水泥3天的水化热不大于265kJ/kg。

（2）选用质地坚硬、级配良好的低碱性中砂，含泥量不大于1%，细度模数为2.5～3.2，能够有效减少用水量，水泥用量也可相应减少，降低了混凝土温升和减少了混凝土的收缩。

（3）石子选用5～25mm的低碱活性连续级配碎石，空隙率较小，含泥不大于1%。

（4）掺合料采用华能生产的I级粉煤灰。粉煤灰中高活性物质消耗吸收凝土中的碱，降低混凝土中的碱含量，避免碱集料反应产生的裂缝，并可使混凝土的强度前期增长缓慢。

（5）掺加CSA高效抗裂防水剂，用做补偿收缩和自应力，可建0.2～0.7MPa自应力值，大大提高混凝土的抗裂性和抗渗性。

2.2配合比的确定

采用“抗裂为主、综合耐久性指标优先”的总设计原则，确保混凝土在达到设计强度等级的情况下，混凝土的收缩性小，抗渗等级高，其他耐久性指标达到规范的要求。具体如下。

(1)采用最低胶凝材料及水泥用量的法则。在满足有关规范，以及混凝土抗压强度等耐久性指标，混凝土可泵性的前提下，尽量降低胶凝材料（水泥、粉煤灰和抗裂防水剂）的总用量，以及水泥的用量，以减少混凝土的水化热和收缩值。

(2)在规范的范围内和满足混凝土设计要求的情况下，尽量适度提高粉煤灰的掺量，降低混凝土的水化热。

(3)最少单位用水量法则。尽量降低混凝土的水胶比，提高混凝土的密实度，降低混凝土的空隙率，提高混凝土的耐久性，减少混凝土的收缩。

2.3混凝土抗裂能力的估算

为了便于对混凝土内部的温度和应力变化规律做到事前准确估计和浇筑后的实时监控，我们专门编制了混凝土内部温度、自约束应力和外约束应力程序，浇筑后将实测温度及时输入，与浇筑前的估计值进行比较、分析、调整，同时对下一时段的温度、应力变化进行预测，为下一流水段的温度裂缝控制提供参考和依据。

(1)内部温度

混凝土内部温度的计算，采用热量交换法。

(2)自约束裂缝控制计算

浇筑大体积混凝土时，由于水化热的作用，中心温度高，与外界接触的表面温度低。当混凝土表面受外界气温影响急剧冷却收缩时，外部混凝土质点与混凝土内部质点之间相互约束，使表面产生拉应力，内部降温慢受到自约束产生压应力，其内约束应力计算公式和参数取用如下：

(1)

式中:σmax为各凝期混凝土的最大内约束应力，N/mm2；α为混凝土的线性膨胀系数，1/℃；E(t)为混凝土的弹性模量，N/mm2；T为混凝土截面中心与表面之间的温差，℃；ν为混凝土的泊松比。

(3)外约束

裂缝控制计算大体积混凝土浇筑后，由于水泥水化热使混凝土温度升高，体积膨胀，达到峰值以后（约3～5天）将持续一段时间，因内部温度要与外界气温相平衡，以后温度将逐渐下降，从表面开始慢慢深入到内部，此时混凝土已基本结硬，弹性模量很大，降温时当温度收缩变形受到外部边界条件的约束，将引起较大的温度应力。一般混凝土内部温升值越大，降温值也越大，产生的拉应力也越大，因此，通过施工计算采取措施控制过大的降温收缩应力的出现，即可控制裂缝的发生。

①筑前裂缝控制施工计算。混凝土的温度收缩应力计算公式和参数取用如下：

（2）

式中:σ为混凝土的温度应力，N/mm2；α为混凝土的线性膨胀系数，1/℃；E(t)为混凝土从浇筑后至计算时的弹性模量，N/mm2；T为混凝土的最大综合温差绝对值，℃；ν为混凝土的泊松比；S(t)为混凝土松弛系数；R为混凝土的外约束系数。

②混凝土浇筑后裂缝控制施工计算。混凝土浇筑后，根据实测温度值和绘制的温度升降曲线，分别计算给降温阶段产生的混凝土温度收缩拉应力，其累计总拉应力值不超过同凝期的混凝土抗拉强度，则表示所采取的防裂措施能够有效控制裂缝的出现，不至于引起结构的贯穿性裂缝；否则应加强养护措施。混凝土的最大温度收缩拉应力计算公式和参数取用如下：

（3）

式中:σt为某时段混凝土累加外约束应力，N/mm2；α为混凝土的线性膨胀系数，1/℃；Ei(t)为各凝期混凝土的弹性模量，N/mm2；Ti(t)为各凝期混凝土的综合温差，℃；ν为混凝土的泊松比；Si(t)为各凝期混凝土松弛系数；H为浇筑段厚度，mm；Cx为地基水平阻力系数，N/mm2；L为结构长度，mm；β为约束状态影响系数，按下式计算：

（4）

(4)裂缝间距的验算公式和参数取用平均裂缝间距

（5）

式中：H为浇筑段厚度，mm；Ec为各凝期混凝土的弹性模量，N/mm2；Cx为地基水平阻力系数，N/mm2；Kp为考虑徐变影响时混凝土的极限变形值；T为综合温差，℃；α为混凝土的线性膨胀系数，1/℃。

2.4施工技术方面的措施

(1)计量、拌制和运输

混凝土的坍落度在搅拌站和浇筑地点分别取样检测，每一工作班不少于两次。评定时以浇筑地点的测值为准，浇筑现场坍落度严格控制在160mm±20mm，同时观察混凝土的和易性，不得存在离析分层现象。

混凝土运至浇筑地点时的最高入模温度不得超过28℃，冬季施工时，不得低于10℃。

(2)浇筑

①科学合理的施工部署，保证混凝土浇筑的连续性。采用泵送混凝土施工技术，在基坑东西两边各布置1台泵车，浇筑底板时由东西两侧往中间浇筑；浇筑侧墙时，每台泵车各负责一边。设专人加强现场指挥和调度，做到现场运输道路畅通无阻，避免拥挤堵塞造成混 凝土供应不连续。

②采用斜面分层浇筑方法。结构底板厚900mm，分两层浇筑，分层厚450mm；侧墙高6m，分12层浇筑到顶，斜面每层浇筑厚度不超过500mm。并要保证上层混凝土覆盖已浇混凝土的时间不得超过混凝土初凝时间。通过对底板分块、分层，使混凝土以同一坡度薄层浇筑，由两侧向中间循序推进，浇筑到顶；对侧墙进行分段分层，使混凝土以同一坡度（1:8～1:5），薄层浇筑，由两端往中间循序推进，直至浇筑到顶。

③混凝土表面抗裂处理及养护。混凝土浇筑后表面水泥浆较厚，会引起混凝土表面收缩开裂。因此，在混凝土浇筑结束后要认真进行表面处理。处理的基本方法是在混凝土浇筑3～4h，先初步按设计标高用长刮尺刮平，在初凝前（因混凝土加外加剂，初凝时间延长到8h左右），再进行二次抹压，以闭合收水裂缝，并做好后期的混凝土养护工作，养护期不少于14天。对于冬季施工，混凝土表面要特别注意保温，具体做法是在混凝土表面覆盖1层薄膜、2层草袋和1层彩条布进行保温，确保混凝土养护质量，减少混凝土表面裂缝。

④混凝土的温度监测。在底板混凝土中部和离底板上表面下90mm位置留置测温孔，分别用其测量混凝土中心温度和表面温度。距混凝土表面1.5m高度、露天、不易破坏处设3个普通温度计测量大气温度，取读数平均值。混凝土浇筑开始后1～3天每3h测温1次，从第4～15天每5h测温1次，第15～30天每10h测温1次。利用计算机对测温数据进行信息化实时管理。

通过各测点的温度曲线分析比较，发现底板混凝土的温度曲线大致分为3个阶段：升温阶段，一般在3天左右完成；其次为降温阶段，一般在第3天至第9天内，到14天后基本稳定；以后为稳定阶段，温度下降缓慢。从这个规律可以看出前期混凝土中心温度与表面温度之差相对较大。因此，控制混凝土温度裂缝的开展关键时期主要是在前期。

3 结束语

裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象，它的出现会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响工程的承载能力及使用功能。因此在施工中通过合理的原材料选择、配合比的优化、科学的施工组织、适时养护和温度监测等措施，对裂缝进行有效的控制。

参考文献

[1] 陈肇元 崔京浩 朱金铨 安明 俞哲夫，钢筋混凝土裂缝机理与控制措施[J]工程力学，2006.12

[2] 汪春生，碳素纤维布修补混凝土裂缝施工技术[J]铁道建筑，2003.02

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。823