浅谈地铁管片的表面龟裂现象
摘要: 通过对地铁管片表面龟裂产生原因的初步分析, 提出了混凝土的表面碳化在短时间内就可以发生并引起表面收缩的观点, 认为干燥收缩和碳化收缩是龟裂产生的主要原因,并提出了解决龟裂的思路和措施。
关键词:地铁管片;干燥收缩;碳化收缩;表面龟裂
0 前言
随着隧道盾构施工技术从国外的引进, 地铁管片首先在上海开始生产, 随后国内的几个大城市也相继开始了地铁管片的生产,拉开了我国地铁现代化建设的序幕。地铁管片是一种特殊的水泥制品, 其特殊之处主要在于: ① 外形与一般水泥制品不同, 为瓦片状, 由六片拼装成一环; ② 尺寸精度要求高; ③ 要求有很好的耐久性, 抗渗指标大于P12 。因此,在制作管片时,对钢筋笼的质量要求、混凝土的质量要求以及模具的精度要求均相当高。
自从管片生产以来,就出现了一系列的问题, 如浇注成型过程中的泌水、浮浆问题, 蜂窝、麻面、以及最常见的裂缝问题等。有些裂缝(例如干缩引起等) 相对较容易通过减少泌水和浮浆量, 适当控制养护制度来避免, 但管片的表面龟裂却似乎难以避免,严重影响管片的外观质量。本文通过对地铁管片表面龟裂原因的分析,提出了笔者的一些看法, 以期起到抛砖引玉的目的。
1 管片龟裂出现的特征
龟裂是属于裂缝的一种,是一种微细裂纹。在混凝土表面干燥的情况下, 其肉眼不可见(宽度小于
0. 02mm) , 用水湿润时则可见[1 ], 呈现为纵横交错状如龟壳纹样的裂纹。虽然在初期肉眼品在经受干湿和冷热交替的作用后,这种裂纹会由表面向纵深发展,而成为肉眼可见的裂缝。我们经常可见到一些路面和墙壁就有这种现象。虽然龟裂在初始时只存在于表面,但仍会有发展成有害裂缝的可能,因此龟裂问题应引起足够的重视和关注。
笔者曾对龟裂的出现情况进行了研究, 发现出现龟裂的情况大致如下:
① 管片在蒸养之后,入水池之前未出现龟裂(但延迟1～2 天入池仍会出现龟裂); ② 管片刚出水池时未出现龟裂,出水池后数小时或1～2 天后开始出现龟裂。龟裂程度较轻时需要用水湿润才可见到; 经过一段时间后, 其程度稍重时则可见到裂纹处呈白色的纹路,而非裂纹处颜色较深, 普遍呈黑色; 严重时则可见到明显的龟壳纹样的裂缝。至于裂纹处呈白色,而非裂纹处呈黑色的原因, 笔者认为是由于裂纹的存在, 使得水化产物Ca (OH) 2 从裂纹处析出的结果。
2 龟裂产生的原因
龟裂产生的原因比较复杂,有膨胀的原因(一般会引起整体从内到外的破坏), 也有收缩的原因(一般出现在表面) 。笔者就管片龟裂的原因究竟是膨胀引起还是收缩引起, 进行了实验: ① 将红墨水滴在龟裂裂纹处(此时龟裂已经向纵深发展到了一定的深度), 使之不可见, 但随着时间的延长, 混凝土制沿裂缝渗入, 让其渗入足够的时间24 (30min) 后, 用凿子凿开管片, 根据红墨水的渗入位置,测量裂缝的深度。笔者发现该裂缝深度只有1～ 1. 5cm( 管片龄期为128 天, 管片保护层厚度为4. 5～5. 0cm) 。此裂缝为非整体性,属表层裂缝, 应为收缩引起; ② 用酚酞的酒精溶液喷洒在新砸开的缺损部位,发现约0. 3mm 厚的表层不变色, 说明表层已被碳化。
以上实验证明管片表面龟裂是由收缩引起,那么是何种收缩引起的呢? 混凝土收缩主要有: 自生收缩、塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩等[2 ] 。一般说来,龟裂与自生收缩无关。如果管片龟裂是由塑性收缩引起,那么龟裂只出现在易产生塑性收缩的外弧面(与外界环境接触), 并且在刚脱模时就会存在龟裂, 而事实并非如此, 事实上管片的包括内弧面在内的六个外表面都存在着龟裂的现象,因此可认为此种龟裂与塑性收缩无关。笔者认为管片表面龟裂产生的最大原因是干燥收缩和碳化收缩的共同作用所引起。
文献[ 2 ] 认为碳化收缩与干燥收缩共同作用可导致表面开裂和面层碳化。F. M. 李[1 ] 在其专著中谈到了细裂纹与碳化收缩的关系,认为产生细裂纹的原因不仅仅是干燥收缩引起,碳化作用也是一个重要的原因,并认为细裂纹一般产生于表面上。F. M. 李从碳化深度与裂纹深度相一致的实验判断细裂纹的产生与大气中的碳化有着某种联系,这一判断是在裂纹刚产生不久尚未扩展时所测数据来确定的。笔者前面提到的实验中,虽然管片碳化深度远小于裂缝深度,但显然可看出该裂缝是表面裂纹向纵深发展的结果, 与F1M1 李的判断不相矛盾。
众所周知,并不是只要产生收缩就会引起开裂,只有当混凝土的抗拉强度不足以抵抗收缩所产生的拉应力时才会产生开裂。而表面抗拉强度的发展往往滞后于收缩拉应力的发展。管片表面龟裂形成的基本机理是其表面抗拉强度不足以抵抗收缩所产生的拉应力而产生的裂纹。
3 关于混凝土的碳化
碳化的含义包括水化产物Ca (OH) 2 的碳化和其他水化产物(例如C -S-H 凝胶) 的碳化两个方面[3 ] 。笔者认为这是混凝土碳化的两个阶段,首先是水化产物Ca (OH) 2 的碳化,然后当碱度下降到一定程度时, 其他水化产物(例如C -S-H 凝胶) 才开始碳化。
文献[ 3] 报道, 混凝土碳化需要很长时间。笔者认为这里所说的很长时间, 是指第二阶段的碳化(即其他水化产物如C -S -H 凝胶的碳化) 需要较长的时间才能发生,也是指碳化程度达到一定的深度需要较长的时间。但是混凝土的表面碳化[ Ca (OH) 2 的碳化] 并不需要很长的时间,其在数小时内就可能发生。并且会引起混凝土的表面收缩[1 ], 再加上干缩的叠加作用, 当混凝土本身的抗拉强度不足以抵抗收缩所产生的拉应力时,将导致混凝土的开裂,从而产生微细裂纹。
一般说来, 碱度越高, 碳化越慢[3 ～4 ] 。这一规律是对混凝土的整体碳化而言的, 混凝土的表面碳化并非如此。因为混凝土的表面主要成份为Ca (OH) 2, 根据化学平衡原理, 碱度[ Ca (OH) 2 含量] 越高, 越有利于Ca (OH) 2 的碳化。因此, 混凝土的表面碱度越高,则表面的碳化越快,收缩也越大,越易产生裂纹(特别是在早期) 。因此,降低混凝土表面的碱度(特别是早期) 可减少龟裂的产生。
提高混凝土的整体碱度,可减慢混凝土内部的碳化速度。这是因为碱度提高, 即Ca (OH) 2 含量提高, 会延迟其他水化产物如C -S -H 凝胶的碳化, 因而会减慢混凝土内部的碳化速度。那么究竟是碱度高好还是碱度低好呢?笔者认为要辩证地对待这一问题。在避免或减轻管片的表面龟裂方面,不管混凝土的整体碱度如何,都希望降低混凝土的表面碱度。
粉煤灰固然对降低混凝土的整体碱度有很大作用,然而它却并不能降低混凝土的表面碱度,其中的原因主要在于: ① 粉煤灰在早期的活性较低, 不能消耗大量的水化产物Ca(OH) 2, 不能阻止大量的Ca (OH) 2 向混凝土表面析出; ② 即使其活性增大后可消耗大量的Ca (OH) 2, 但仍不能阻止未被消耗的Ca (OH) 2 向表面迁移和富集。因此掺加粉煤灰对减轻表面龟裂的作用不大,而且掺粉煤灰之后,会降低混凝土的表面强度(特别是抗拉强度),更不利于裂纹的减少,而且还有可能加重龟裂的出现。我公司的生产实践已证明了这一点,生产中改为不加粉煤灰之后,龟裂程度减轻很多。
笔者进行了如下实验:用养护剂喷洒在刚脱模的管片(未经蒸养) 上的某一部位,定期观察管片的情况。第二天就发现未喷的部位出现了龟裂,而喷养护剂的部位则未出现龟裂,以后一段时间观察,情况仍然如此。笔者认为这一现象的原因是养护剂一方面阻隔了CO2 与管片表面的直接接触, 另一方面也减少了水份的蒸发,既延缓或避免了碳化, 又减少了干燥收缩, 因而延缓或避免了龟裂的出现。可见表面龟裂与碳化有很大的关系。
4 龟裂的解决思路
笔者认为,管片产生龟裂的主要原因是两个因素:干燥收缩和碳化收缩。这两者的作用相互叠加,使龟裂的产生更趋容易。当然,管片表面抗拉强度相对不足,也是一个重要原因。正如前面所述,收缩拉应力的产生超前于表面抗拉强度的发展会引起裂纹,表明收缩是其主导原因。所以在解决龟裂方面,其思路应该是: ① 减少或避免收缩(干缩和碳化收缩) 所产生的影响; ② 采取措施使混凝土表面的抗拉强度发展超前于收缩拉应力的产生。
龟裂是一种较特殊的表面裂纹,与一般工程上所指的裂缝不同,它们产生的原因也不太一致,因此在处理龟裂与处理一般裂缝时其方法上应有所不同。笔者认为避免或延缓龟裂的出现, 主要方法有以下几个方面: ① 表面屏蔽法, 既阻隔CO2 与表面的直接接触, 延缓或避免表面碳化, 又减少干缩, 例如喷养护剂等; ② 表面增强法, 使表面强度发展加快, 例如掺杜拉纤维处理表面; ③ 表面碱度降低法, 以减少碳化的影响, 例如用草酸处理表面; ④ 表面收缩补偿法,以减少表面收缩,例如,使用含膨胀剂的复合脱模剂。此外还可选择收缩小而早期强度高的水泥以及降低混凝土的塌落度等措施。
5 结论
(1) 管片表面龟裂是一种微细裂纹, 与一般工程所指的裂缝不同, 其在发展初期肉眼不可见,但随着干湿和冷热交替的作用,会发展成肉眼可见的有害裂缝。
(2) 碳化是产生微细裂纹的重要原因,碳化收缩和干燥收缩的共同叠加作用是导致管片产生表面龟裂的主要原因。
(3) 混凝土表面的碳化主要是Ca (OH) 2 的碳化, 这一过程在短时间内就可以发生, 并不需要很长的时间, 而且会引起混凝土表面的收缩,是产生表面龟裂的一个重要原因。
(4) 掺加粉煤灰能降低混凝土的整体碱度,但在降低混凝土的表面碱度方面不起作用,对减轻表面碳化的作用不大,而且有可能加重龟裂的出现。
(5) 在一定程度上解决管片的表面龟裂的主要办法是避免或减少收缩的影响,特别是减少碳化的影响。
参考文献
1 F. M. 李(英国) 著1 水泥和混凝土化学1 中国工业出版社,1966. 3
2 王铁梦1 工程结构裂缝控制1 中国建筑工业出版社,2002. 1
3 沈威, 黄文熙, 闵盘荣编著1 水泥工艺学1 武汉工业大学出版社,1991. 7
4 王异,周兆桐主编1 混凝土手册1 吉林科学技术出版社,1985. 10
