蘇州地鐵車站側(cè)墻大體積混凝土抗裂防滲關(guān)鍵技術(shù)

王德民，潘瑋璠，郭耀雄，谷亞軍，辜振睿，方博

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢430083；2.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州215004）

0 前言

軌道交通工程不僅在解決城市交通擁堵問題上具有顯著優(yōu)勢，同時(shí)還節(jié)約了土地資源，推進(jìn)了城市化快速發(fā)展，目前在國內(nèi)各重點(diǎn)城市正處于高速發(fā)展期。軌道交通工程中多數(shù)地鐵車站修建于地下，防水等級要求為一級[1]，對混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂防滲性能要求較高。地鐵車站結(jié)構(gòu)的抗裂防滲非常重要，而側(cè)墻是難度最大的部分。由于受筏板結(jié)構(gòu)約束大、豎向構(gòu)件養(yǎng)護(hù)困難等影響，側(cè)墻大體積混凝土早期的溫度收縮和自收縮是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂滲水的主要原因[2]。補(bǔ)償早期收縮和加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)是提高側(cè)墻結(jié)構(gòu)抗裂防滲性能的關(guān)鍵。

膨脹劑可通過早期適量微膨脹來補(bǔ)償混凝土溫度收縮和自收縮，而選擇具有合適膨脹源的膨脹劑是配制補(bǔ)償收縮混凝土的關(guān)鍵[3]。硫鋁酸鈣、氧化鈣類膨脹源由于其性能特點(diǎn)不適合在高溫季節(jié)和大體積混凝土中使用，而輕燒氧化鎂類膨脹源具有水化反應(yīng)需水量小、水化產(chǎn)物穩(wěn)定、高溫條件下反應(yīng)速率與強(qiáng)度發(fā)展更匹配的優(yōu)點(diǎn)[4-5]。本研究從蘇州市軌道交通工程側(cè)墻大體積混凝土的特點(diǎn)出發(fā)，采用氧化鎂膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行澆筑施工，同時(shí)調(diào)整了保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施，通過混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工全過程跟進(jìn)、結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)采集等方法，分析了側(cè)墻實(shí)體結(jié)構(gòu)的抗裂防滲效果。

1 工程概況

蘇州市地處長江三角洲中部，緊鄰太湖和長江水域，內(nèi)湖眾多、水資源豐富，地下水位較高，造成了軌道交通工程地下結(jié)構(gòu)防水難度大，如何提高混凝土結(jié)構(gòu)抗裂防滲性能是困擾蘇州各條地鐵線路施工的難題。針對這一難題，選擇蘇州地鐵車站側(cè)墻實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

蘇州市軌道交通6號線港田路車站位于蘇州市工業(yè)園區(qū)，車站總長度約483 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度20.7 m，站臺寬度12 m，為地下2層單柱雙跨（局部雙柱三跨）框架結(jié)構(gòu)。有效站臺中心里程處底板埋深約18.86 m。車站采用明挖順作法施工，車站頂板上方大部分為錦溪河，靠近大里程端局部區(qū)域頂板上方覆土為4.6 m。本次實(shí)驗(yàn)段選擇了地下2層26軸~34軸間的三段側(cè)墻結(jié)構(gòu)（共6面墻），混凝土等級C35P8，厚度700 mm，配筋為雙向雙排25@150 mm，實(shí)驗(yàn)段澆筑高度為4.6 m，澆筑長度分別為21、16、24 m，分段間設(shè)置變形縫。

2 側(cè)墻大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)

水泥：P·O42.5，常州盤固水泥廠；PCA-9高效減水劑：江蘇博特公司，減水率26%；粉煤灰：Ⅱ級，常熟蘇虞天潤公司；碎石：5～25 mm連續(xù)級配，浙江湖州；天然砂：Ⅱ區(qū)中砂，江西贛江；FQY鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑：膨脹源為輕燒氧化鎂熟料，工業(yè)回轉(zhuǎn)窯煅燒成熟料，后經(jīng)配料粉磨加工出成品，符合CBMF 19—2017《混凝土用氧化鎂膨脹劑》中M型技術(shù)要求，武漢三源特種建材有限責(zé)任公司；水：自來水。

首先，考慮到礦渣粉有可能增大混凝土的收縮，試驗(yàn)段混凝土配合比中未摻加礦渣粉。其次，從控制溫度收縮角度考慮，700 mm厚側(cè)墻屬大體積混凝土，內(nèi)部溫升相對較高，氧化鎂膨脹劑比硫鋁酸鈣、氧化鈣膨脹劑更適合在地鐵車站大體積混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用[6]。最后，配合比中膨脹劑采用內(nèi)摻法，配合比中膠凝材料由水泥、粉煤灰和膨脹劑組成，控制C35P8混凝土水膠比≤0.42。依據(jù)T/CECS 540—2018《混凝土用氧化鎂膨脹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，設(shè)計(jì)補(bǔ)償收縮混凝土28 d限制膨脹率≥0.020%、28 d與7 d限制膨脹率差值≥0.005%，根據(jù)混凝土限制膨脹率設(shè)計(jì)取值，確定氧化鎂膨脹劑摻量為30 kg/m3。混凝土限制膨脹率試件各齡期養(yǎng)護(hù)條件為40℃恒溫水浴。經(jīng)多次試配調(diào)整，最終側(cè)墻大體積混凝土配合比及性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 側(cè)墻大體積混凝土試配配合比及性能

3 施工關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1 監(jiān)測布點(diǎn)及混凝土澆筑施工控制

在澆筑混凝土前1天，在每面?zhèn)葔Y(jié)構(gòu)長度和高度中心位置埋設(shè)振弦式應(yīng)變計(jì)和溫度傳感器，對實(shí)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以評估側(cè)墻大體積混凝土的抗裂防滲效果。

嚴(yán)格控制到場混凝土坍落度在（180±20）mm，確保混凝土具有良好的工作性能。側(cè)墻實(shí)驗(yàn)段共分3次澆筑，每次澆筑東西對稱的2面?zhèn)葔Γ棵鎮(zhèn)葔ε鋫?臺振搗棒，以確保側(cè)墻大體積混凝土澆筑過程中振搗密實(shí)。單面?zhèn)葔Ψ?層澆筑，每層高度2.3 m，分層間隔時(shí)間控制在60~90 min，澆筑順序從一側(cè)逐步向另一側(cè)推進(jìn)，2臺振搗棒一前一后跟進(jìn)振搗，振搗棒落點(diǎn)水平間距30~40 cm，每次振搗落棒至側(cè)墻根部，按照快插慢拔節(jié)奏控制。

3.2 保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施調(diào)整

以往施工方一般在混凝土澆筑完成后第2天便拆除側(cè)墻模板，模板拆除后基本不做保溫保濕養(yǎng)護(hù)，即便養(yǎng)護(hù)也僅僅是采用人工灑水或設(shè)置淋水管澆水養(yǎng)護(hù)，這些做法均存在較大的弊端。首先，拆模過早，側(cè)墻大體積混凝土內(nèi)部溫度一般在1~2 d達(dá)到峰值，若此時(shí)拆模，則加大混凝土降溫速率，導(dǎo)致溫降收縮加大。其次，若不進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，則導(dǎo)致混凝土自收縮和干燥收縮隨齡期延長逐漸增大；若采用人工養(yǎng)護(hù)，側(cè)墻豎向結(jié)構(gòu)水分散失過快而難以保持，導(dǎo)致混凝土早期處于干濕循環(huán)交替的環(huán)境中，混凝土表面濕度忽高忽低也會(huì)加大降溫速率；若設(shè)置淋水管養(yǎng)護(hù)，則經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)水流控制不均勻，墻面呈現(xiàn)干濕條狀間隔分布，同樣會(huì)加大降溫速率。以上做法均未對側(cè)墻早期采取有效保溫措施。

導(dǎo)致側(cè)墻大體積混凝土早期開裂滲水的主要原因是早期溫度收縮和自收縮，因此，一方面，應(yīng)適當(dāng)延長拆模時(shí)間，以錯(cuò)開結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度峰值；另一方面，要尋找更有效的養(yǎng)護(hù)材料和做法。地鐵車站側(cè)墻一般采用鋼模板單側(cè)支模，本次側(cè)墻實(shí)驗(yàn)段控制鋼模板拆除時(shí)間在混凝土澆筑完72 h后，以保證混凝土帶模時(shí)間不少于3 d，拆模過早或過晚都不利于控制混凝土早期收縮量。保溫保濕措施采用“1層吸水樹脂養(yǎng)護(hù)膜+1層土工布”做法。吸水樹脂養(yǎng)護(hù)膜是一種新型養(yǎng)護(hù)材料，僅需在混凝土表面一次人工淋水后進(jìn)行表面粘貼即可，吸水樹脂材料吸水膨脹后與墻面粘貼強(qiáng)度較高，既能“鎖水保水”，外側(cè)薄膜又能起到一定保溫效果。鋪貼養(yǎng)護(hù)膜必須在鋼模板拆除當(dāng)天完成，同時(shí)為保證側(cè)墻具有良好的保溫效果，在鋪貼完養(yǎng)護(hù)膜后，立即在其外側(cè)覆蓋1層土工布進(jìn)行二次保溫。經(jīng)觀察，吸水樹脂養(yǎng)護(hù)膜保濕時(shí)間可達(dá)20 d以上（以膜內(nèi)是否有水珠判斷）。鋪貼養(yǎng)護(hù)膜和覆蓋土工布效果如圖1所示。

圖1 側(cè)墻保濕保溫養(yǎng)護(hù)效果

4 實(shí)體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析

長度分別為21、16、24 m三段側(cè)墻大體積混凝土澆筑時(shí)間分別為2020年10月27日11：30~18：30、11月3日12：30~19：30、11月17日00：20~07：00，施工澆筑過程嚴(yán)格按照前期制定的技術(shù)措施和做法進(jìn)行。三段側(cè)墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度和微應(yīng)變隨時(shí)間的變化如圖2～圖6所示。

圖2 21 m長側(cè)墻內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化趨勢

圖6 24 m長側(cè)墻內(nèi)部微應(yīng)變和溫度隨時(shí)間的變化趨勢

從圖2、圖3可知，21 m長側(cè)墻混凝土入模溫度為25.8℃，中心溫度約28 h到達(dá)溫峰值49.5℃，內(nèi)表溫度約31 h到達(dá)溫峰值45.5℃，外表溫度約26 h到達(dá)溫峰值42.8℃，溫度修正后微應(yīng)變14 d內(nèi)達(dá)到最大值51με，30 d后依然在40 με以上。

圖3 21 m長側(cè)墻內(nèi)部微應(yīng)變隨時(shí)間的變化趨勢

從圖4、圖5可知，16 m長側(cè)墻混凝土入模溫度為23.5℃，中心溫度約34 h到達(dá)溫峰值45.6℃，內(nèi)表溫度約41 h到達(dá)溫峰值43.6℃，外表溫度約24 h到達(dá)溫峰值37.8℃，溫度修正后微應(yīng)變7 d內(nèi)達(dá)到最大值70με，30 d后降低至約-50με。

圖4 16 m長側(cè)墻內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化趨勢

圖5 16 m長側(cè)墻內(nèi)部微應(yīng)變隨時(shí)間的變化趨勢

從圖6可知，24 m長側(cè)墻混凝土入模溫度為22.7℃，中心溫度約40 h到達(dá)溫峰值47.1℃，溫度修正后微應(yīng)變7 d內(nèi)達(dá)到最大值40με，30 d后降低至-12με。

氧化鎂膨脹劑相對硫鋁酸鈣、氧化鈣膨脹劑的水化反應(yīng)較慢，膨脹周期相應(yīng)更長，中后期補(bǔ)償收縮能力更強(qiáng)，適合用于收縮齡期更長的大體積混凝土結(jié)構(gòu)[6-7]。從實(shí)驗(yàn)段6面?zhèn)葔ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)混凝土入模溫度22~26℃時(shí)，700 mm厚側(cè)墻溫峰值45~50℃，溫升值22~24℃，最終溫峰值均超過40℃，入模溫度越高則溫峰值越高，因而氧化鎂膨脹劑更適合用于側(cè)墻大體積混凝土[8]。側(cè)墻實(shí)體結(jié)構(gòu)30 d內(nèi)最大里表溫差6~8℃，中心溫度到達(dá)溫峰值后降溫速率為2~4℃/d，說明采用“1層吸水樹脂養(yǎng)護(hù)膜+1層土工布”養(yǎng)護(hù)方式保溫效果顯著。采用氧化鎂膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土在側(cè)墻實(shí)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部早期溫度修正后微應(yīng)變最大值為40με~70με，30 d后降低至-50με~40με。混凝土早期產(chǎn)生了一定量微膨脹，中后期即便有收縮，收縮值也較小，表明其膨脹周期相對較長。

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際觀察與統(tǒng)計(jì)，從澆筑完成開始?xì)v時(shí)3個(gè)多月，本次大體積混凝土實(shí)驗(yàn)段的6面?zhèn)葔窗l(fā)現(xiàn)有害裂縫及滲漏水情況，抗裂防滲效果與實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果吻合。而在試驗(yàn)段之前所作側(cè)墻豎向裂縫統(tǒng)計(jì)數(shù)量平均在5~9條/（15~25 m），且裂縫根部均出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。對比情況與效果如圖7所示。

圖7 地鐵車站側(cè)墻大體積混凝土抗裂防滲效果

5 結(jié)論

（1）氧化鎂膨脹劑水化反應(yīng)需水量小、水化產(chǎn)物穩(wěn)定、膨脹反應(yīng)速率相對緩慢，用其配制的補(bǔ)償收縮混凝土在地鐵車站側(cè)墻大體積混凝土結(jié)構(gòu)中具有良好的抗裂防滲效果。

（2）吸水樹脂養(yǎng)護(hù)膜具有施工方便、吸水膨脹后與墻面粘貼效果好、鎖水保水效果好的特點(diǎn)，其保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間可長達(dá)20 d以上，同時(shí)還有一定保溫作用。再以1層土工布輔助保溫養(yǎng)護(hù)，確保有效控制混凝土降溫速率。

（3）側(cè)墻實(shí)驗(yàn)段大體積混凝土中心溫度修正后微應(yīng)變在14 d內(nèi)達(dá)到最大值40με~70με，30 d后降至-50με~40με，中心溫度到達(dá)溫峰值后降溫速率在2~4℃/d，最大里表溫差6~8℃。數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)場保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施得當(dāng)，實(shí)體結(jié)構(gòu)補(bǔ)償收縮效果良好，實(shí)驗(yàn)段3個(gè)月后未發(fā)現(xiàn)有害裂縫及滲漏情況。