地鐵隧道鋼筋混凝土裂縫的治理摘要:有效控制混凝土裂縫的發(fā)生、發(fā)展,是提高地鐵隧道耐久性的關(guān)鍵。闡述了混凝土裂縫的種類,從收縮裂縫、溫度裂縫、不均勻沉降裂縫等方面論述了裂縫產(chǎn)生的原因,并從工程設(shè)計(jì)、材料、施工、養(yǎng)護(hù)等方面提出了裂縫控制的措施與方法。對(duì)既有隧道的混凝土滲漏,根據(jù)不同情況,采取有針對(duì)性的治理方案進(jìn)行治理,保障了結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)。關(guān)鍵詞:隧道;耐久性;裂縫;治理0 引言 地鐵隧道中鋼筋混凝土耐久性不足一直困擾著地鐵運(yùn)營(yíng)與管理部門,特別是近年來,國(guó)際上地鐵隧道設(shè)計(jì)壽命都趨向于超過100年,沈陽地鐵也提出了100年的設(shè)計(jì)壽命,而實(shí)際情況是,運(yùn)營(yíng)二三十年就已經(jīng)千瘡百孔,何談百年! 提高混凝土耐久性是一個(gè)系統(tǒng)工程,設(shè)計(jì)、選材、施工、養(yǎng)護(hù)、后期的維護(hù)缺一不可。本文結(jié)合我們?cè)谔旖虻罔F滲漏治理的一些工作,探討提高地鐵隧道鋼筋混凝土耐久性的一些措施。1混凝土裂縫的產(chǎn)生 混凝土劣化的直觀表現(xiàn)是結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫、疏松、剝落等。由于混凝土的劣化,失去對(duì)鋼筋的保護(hù),導(dǎo)致鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)失去承載力,因而,控制裂縫的發(fā)生和發(fā)展是保證結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵[1]。歸納起來,引起混凝土裂縫的主要因素有:1.1化學(xué)作用1.1.1硫酸鹽侵蝕 當(dāng)?shù)叵滤甋O4 2-含量較高時(shí),SO4 2-會(huì)與水泥中的水化產(chǎn)物生成新的礦物質(zhì),如與水化鋁酸鈣生成水化硫酸鈣(體積增大1.5倍),與氫氧化鈣生成石膏(體積增大1.21倍),2種鹽的生成都會(huì)引起很大的內(nèi)應(yīng)力,其破壞特征是在表面生成幾條較粗大裂縫。SO4 2-除對(duì)混凝土腐蝕外,還會(huì)滲透到鋼筋表面,引起鋼筋腐蝕。根據(jù)鈍態(tài)金屬活化理論,SO4 2-能穿透金屬表面鈍化膜,促使金屬銹蝕[2]。1.1.2碳化反應(yīng) 碳化反應(yīng)也稱為中性化反應(yīng),指CO2與水泥石表面及內(nèi)部毛細(xì)孔道內(nèi)的水化硅酸鈣及氫氧化鈣起反應(yīng),引起的收縮變形,并導(dǎo)致混凝土堿度降低,呈中性化,從而使鈍化膜失鈍,誘發(fā)鋼筋銹蝕。1.1.3堿骨料反應(yīng) 堿骨料反應(yīng)(AAR)是指水化水泥中的堿性物質(zhì)與骨料中可反應(yīng)化學(xué)成分之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。一般來說有2類堿骨料反應(yīng)。一類是堿-碳反應(yīng):堿性物質(zhì)與含有碳酸鹽類物質(zhì)的骨料(如白云石等)發(fā)生化學(xué)反應(yīng);另一類是堿-硅反應(yīng):堿性物質(zhì)與含硅酸鹽類物質(zhì)的骨料(如蛋白石和硅酸石灰石等)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。堿骨料反應(yīng)的結(jié)果是在水泥骨料表面發(fā)生膨脹性斷裂,從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂,堿骨料反應(yīng)發(fā)生的前提是混凝土中堿含量超標(biāo)、活性骨料以及水分的存在。1.1.4自生收縮 自生收縮是混凝土在硬化過程中水泥與水發(fā)生水化反應(yīng),這種收縮與外界濕度無關(guān),且可以是正的(即收縮,如普通硅酸鹽水泥混凝土),也可以是負(fù)的(即膨脹,如礦渣水泥混凝土、粉煤灰水泥混凝土)。1.2物理作用1.2.1塑性收縮 混凝土硬化前沒有沉實(shí)或沉實(shí)不足或不均就會(huì)發(fā)生裂縫,這種裂縫發(fā)生在澆筑后1～3h,混凝土尚處于塑性階段,幾乎沒有強(qiáng)度或強(qiáng)度很小,在重力的作用下,粗骨料等質(zhì)量大的顆粒緩慢沉降密實(shí),水、氣泡等質(zhì)量小的組分浮至混凝土面層,出現(xiàn)分層現(xiàn)象。混凝土因沉降豎向體積縮小1%。坍落度越大,保水性越差,凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)及混凝土越厚時(shí),沉降收縮量越大,在下沉過程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。為減小混凝土塑性收縮,施工時(shí)應(yīng)控制水灰比,避免過長(zhǎng)時(shí)間的攪拌,振搗時(shí)間以5～15s/次為宜,下料不宜太快,振搗要密實(shí)。1.2.2干縮 混凝土在硬化過程中水分逐漸蒸發(fā)散失,使水泥石中的凝結(jié)膠體干燥收縮產(chǎn)生變形,由于受到圍巖和模板的約束,變形產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力值超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),就會(huì)出現(xiàn)干縮裂縫。干縮裂縫多發(fā)生在混凝土表面,走向沒有規(guī)律。1.2.3溫度裂縫 水泥水化過程中產(chǎn)生大量的熱量,在混凝土內(nèi)部和表面間形成溫度梯度而產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土內(nèi)外的約束力時(shí),就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。裂縫寬度冬季較寬,夏季較窄,此種裂縫的出現(xiàn)會(huì)引起鋼筋的銹蝕。1.2.4沉陷裂 縫沉陷裂縫的產(chǎn)生是由于結(jié)構(gòu)地基土質(zhì)不勻、松軟,或回填土不實(shí)或浸水而造成不均勻沉降所致;或者因?yàn)槟０鍎偠炔蛔?模板支撐間距過大或支撐底部松動(dòng)等導(dǎo)致沉陷而產(chǎn)生裂縫,特別是在冬季,模板支撐在凍土上,凍土化凍后產(chǎn)生不均勻沉降,致使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。 除了上述的原因,環(huán)境也是引起混凝土裂縫的重要因素。2新建隧道混凝土裂縫的預(yù)防 混凝土裂縫是不可避免的,但也是可以控制的。控制隧道裂縫,主要從設(shè)計(jì)、原材料選擇、混凝土配合比和施工工藝等方面入手。2.1設(shè)計(jì) 保持構(gòu)件截面均勻,避免截面突變出現(xiàn)尖角、棱角,以減小混凝土收縮應(yīng)力和荷載應(yīng)力的集中。通過裂縫寬度驗(yàn)算調(diào)整主筋配筋量,把裂縫最大寬度控制在迎水面不大于0.2mm,背水面不大于0.3mm。結(jié)構(gòu)配筋應(yīng)加強(qiáng)縱向分布鋼筋,其配筋應(yīng)按細(xì)而密的原則配置,鋼筋間距宜控制在150mm以內(nèi),必要時(shí)可加設(shè)擴(kuò)張金屬網(wǎng),以提高混凝土的極限拉應(yīng)變,控制混凝土的收縮裂縫。2.2原材料選擇2.2.1水泥 盡量采用低標(biāo)號(hào)、低水化熱的水泥;在不受侵蝕性介質(zhì)和凍融作用時(shí),宜采用普通硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥,若采用礦渣硅酸鹽水泥則必須摻外加劑,以降低泌水率。在施工中可能受凍融作用時(shí),則優(yōu)先選用普通硅酸鹽水泥,不宜采用火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。2.2.2外加劑 外加劑應(yīng)符合國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一等品以上的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),與水泥的相容性好,其使用應(yīng)不影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,并應(yīng)具有微膨脹、增強(qiáng)、坍落度提高和損失小、收縮小等特點(diǎn)。2.2.3骨料 根據(jù)泵送管路的內(nèi)徑,盡可能選用粒徑較大的碎石。嚴(yán)格控制含泥量不大于1%,吸水率不大于1.5%,針、片狀物含量不大于15%,粒徑以5～31.5mm為宜,最大不超過40mm。2.2.4摻合料 在普通混凝土中摻入活性礦物,如硅粉、磨細(xì)礦渣、粉煤灰等,可以改善混凝土中水泥石的膠凝物質(zhì)組成,改善集料與水泥石的界面結(jié)構(gòu)和界面區(qū)性能。這些對(duì)增進(jìn)混凝土的耐久性及強(qiáng)度都有本質(zhì)性的貢獻(xiàn)。2.3混凝土配合比 在高性能混凝土中,除摻入高效減水劑外,還摻入了活性礦物材料,它們不但增加了混凝土的致密性,而且也降低或消除了游離氧化鈣的含量。在大幅度提高混凝土強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)的同時(shí),也大幅度地提高了混凝土的耐久性。在滿足抗?jié)B要求的前提下,盡量減少水泥用量。在設(shè)計(jì)允許的前提下,大體積防水混凝土(因大多摻有礦物摻加料)可采用后期強(qiáng)度(60d或90d)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。2.4施工工藝 做好施工過程中的降水、排水工作,必須做到圍護(hù)結(jié)構(gòu)無滲漏水,嚴(yán)禁帶明水澆注主體結(jié)構(gòu)混凝土。 對(duì)于明挖法施工采用排樁圍護(hù)的結(jié)構(gòu),樁間凹槽部位應(yīng)采用噴射混凝土和防水砂漿找平,盡量減少基面對(duì)新澆注的側(cè)墻混凝土收縮的約束。 避免在炎熱的夏季露天澆筑防水混凝土,夏季施工時(shí)宜將砂石預(yù)冷,例如向砂石堆上噴灑水溫低的地下水或?qū)⑸笆谏w。而冬季拌合混凝土?xí)r,應(yīng)將拌合水適當(dāng)加熱,使混凝土入模溫度保持在5～10℃以上。 混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置的各種鋼筋或綁扎鐵絲不得接觸模板,固定模板的螺栓必須穿過混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)有止水措施。 合理劃分施工段長(zhǎng)度,適當(dāng)縮短施工縫間距,分段長(zhǎng)度宜控制在12m以內(nèi)。底板、邊墻、頂板施工縫盡可能對(duì)齊,必要時(shí)采取跳槽施工,也可采用后澆帶。2.5混凝土后期養(yǎng)護(hù) 普通混凝土一般在澆筑后12h內(nèi)即開始養(yǎng)護(hù)。在氣溫高于攝氏5℃時(shí)一般采用灑水或蓄水養(yǎng)護(hù),即自然養(yǎng)護(hù);如平均氣溫低于攝氏5℃,不得澆水,養(yǎng)護(hù)時(shí)間不能少于14d,且蓄水養(yǎng)護(hù)更優(yōu)于灑水養(yǎng)護(hù)。混凝土表面不便澆水時(shí),應(yīng)涂刷保護(hù)層,如薄膜養(yǎng)生液等。3既有隧道滲漏治理 在地鐵隧道中,滲漏主要發(fā)生在裂縫、疏松區(qū)、施工縫、變形縫等部位,這些部位的有效防水是保障其安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。3.1裂縫滲漏治理 裂縫滲漏治理構(gòu)造見圖1。其工藝流程為:清理裂縫表面→沿裂縫開U字槽→沿裂縫兩側(cè)鉆孔→安裝止水針頭→水泥基聚合物砂漿封堵→沖洗裂縫→注射漿料→二次注漿→再注水→表面處理→放線→裂縫部位開槽→涂刷2遍優(yōu)止水→養(yǎng)護(hù)。3.2疏松區(qū)域滲漏治理 疏松區(qū)域滲漏治理構(gòu)造見圖2。其工藝流程為:放線→徹底剔除松動(dòng)混凝土(至少保障清理后的混凝土基面距銹蝕鋼筋25mm)→清理清洗界面→埋注漿管引水→界面涂刷優(yōu)止水→鋼筋做除銹阻銹處理→UP2000結(jié)構(gòu)修補(bǔ)劑修補(bǔ)→向注漿管注漿止水→表面涂刷優(yōu)止水→養(yǎng)護(hù)。3.3施工縫漏水治理 施工縫漏水治理構(gòu)造見圖3。其工藝流程為:沿漏水裂縫剔槽,槽內(nèi)放背襯→槽內(nèi)埋注漿管→再放背襯→立止水封堵→管內(nèi)注水→注漿→再注漿→再注水→封堵注漿咀→涂刷2遍優(yōu)止水→養(yǎng)護(hù)。3.4變形縫滲漏治理 變形縫滲漏治理構(gòu)造見圖4。其工藝流程為:徹底清除原有嵌縫材料→鑿除松動(dòng)破損混凝土→高壓水沖洗界面→(如縫口破損應(yīng)對(duì)銹蝕鋼筋除銹阻銹→破損面修補(bǔ))→放置背襯用立止水封堵縫隙→麻絲背襯放置注漿管→再用快干水泥封堵注漿管→向注漿管注水→注漿→再注漿→再注水→沿變形縫兩側(cè)磨槽(寬400mm、深1.5mm)→用優(yōu)止水涂刷2遍→槽內(nèi)放置PS條→嵌入聚氨酯密封膏封縫。3.5隧道內(nèi)壁混凝土整體封閉 病害治理完畢后,在整個(gè)表面使用防水密封劑進(jìn)行整體封閉處理,可以減少混凝土中電解液的含量,減少被修補(bǔ)區(qū)域(陰極)和未修補(bǔ)區(qū)域(陽極)間的電位差,從而降低銹蝕速度。工程實(shí)踐表明,在混凝土表面整體涂刷聚合物改性水泥基滲透結(jié)晶材料,可以有效地起到防水、防碳化的作用。4結(jié)論 混凝土產(chǎn)生裂縫是不可避免的,但其有害程度是可以有效控制的,裂縫的控制與防治應(yīng)從設(shè)計(jì)與施工兩方面進(jìn)行。滲漏水是地鐵隧道的質(zhì)量通病,其治理是一項(xiàng)綜合技術(shù)。在實(shí)踐中,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),用科學(xué)系統(tǒng)的方法研究混凝土工程裂縫,才能得到有效控制混凝土裂縫的最優(yōu)方法,根據(jù)其不同特點(diǎn)采用相應(yīng)的治理措施,可使裂縫對(duì)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的危害降到最小。參考文獻(xiàn)：[1]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.[2]聞寶聯(lián),涂光備,劉凱利,等.鋼筋混凝土橋梁病害調(diào)查與治理措施研究.橋梁建設(shè),2004,(1):78-81.