地铁隧道钢筋混凝土裂缝的治理摘要:有效控制混凝土裂缝的发生、发展,是提高地铁隧道耐久性的关键。阐述了混凝土裂缝的种类,从收缩裂缝、温度裂缝、不均匀沉降裂缝等方面论述了裂缝产生的原因,并从工程设计、材料、施工、养护等方面提出了裂缝控制的措施与方法。对既有隧道的混凝土渗漏,根据不同情况,采取有针对性的治理方案进行治理,保障了结构的安全运营。关键词:隧道;耐久性;裂缝;治理0 引言 地铁隧道中钢筋混凝土耐久性不足一直困扰着地铁运营与管理部门,特别是近年来,国际上地铁隧道设计寿命都趋向于超过100年,沈阳地铁也提出了100年的设计寿命,而实际情况是,运营二三十年就已经千疮百孔,何谈百年! 提高混凝土耐久性是一个系统工程,设计、选材、施工、养护、后期的维护缺一不可。本文结合我们在天津地铁渗漏治理的一些工作,探讨提高地铁隧道钢筋混凝土耐久性的一些措施。1混凝土裂缝的产生 混凝土劣化的直观表现是结构出现裂缝、疏松、剥落等。由于混凝土的劣化,失去对钢筋的保护,导致钢筋锈蚀、结构失去承载力,因而,控制裂缝的发生和发展是保证结构安全运营的关键[1]。归纳起来,引起混凝土裂缝的主要因素有:1.1化学作用1.1.1硫酸盐侵蚀 当地下水SO4 2-含量较高时,SO4 2-会与水泥中的水化产物生成新的矿物质,如与水化铝酸钙生成水化硫酸钙(体积增大1.5倍),与氢氧化钙生成石膏(体积增大1.21倍),2种盐的生成都会引起很大的内应力,其破坏特征是在表面生成几条较粗大裂缝。SO4 2-除对混凝土腐蚀外,还会渗透到钢筋表面,引起钢筋腐蚀。根据钝态金属活化理论,SO4 2-能穿透金属表面钝化膜,促使金属锈蚀[2]。1.1.2碳化反应 碳化反应也称为中性化反应,指CO2与水泥石表面及内部毛细孔道内的水化硅酸钙及氢氧化钙起反应,引起的收缩变形,并导致混凝土碱度降低,呈中性化,从而使钝化膜失钝,诱发钢筋锈蚀。1.1.3碱骨料反应 碱骨料反应(AAR)是指水化水泥中的碱性物质与骨料中可反应化学成分之间发生化学反应。一般来说有2类碱骨料反应。一类是碱-碳反应:碱性物质与含有碳酸盐类物质的骨料(如白云石等)发生化学反应;另一类是碱-硅反应:碱性物质与含硅酸盐类物质的骨料(如蛋白石和硅酸石灰石等)发生化学反应。碱骨料反应的结果是在水泥骨料表面发生膨胀性断裂,从而导致混凝土结构开裂,碱骨料反应发生的前提是混凝土中碱含量超标、活性骨料以及水分的存在。1.1.4自生收缩 自生收缩是混凝土在硬化过程中水泥与水发生水化反应,这种收缩与外界湿度无关,且可以是正的(即收缩,如普通硅酸盐水泥混凝土),也可以是负的(即膨胀,如矿渣水泥混凝土、粉煤灰水泥混凝土)。1.2物理作用1.2.1塑性收缩 混凝土硬化前没有沉实或沉实不足或不均就会发生裂缝,这种裂缝发生在浇筑后1～3h,混凝土尚处于塑性阶段,几乎没有强度或强度很小,在重力的作用下,粗骨料等质量大的颗粒缓慢沉降密实,水、气泡等质量小的组分浮至混凝土面层,出现分层现象。混凝土因沉降竖向体积缩小1%。坍落度越大,保水性越差,凝结时间越长及混凝土越厚时,沉降收缩量越大,在下沉过程中若受到钢筋阻挡,便形成沿钢筋方向的裂缝。为减小混凝土塑性收缩,施工时应控制水灰比,避免过长时间的搅拌,振捣时间以5～15s/次为宜,下料不宜太快,振捣要密实。1.2.2干缩 混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失,使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形,由于受到围岩和模板的约束,变形产生应力,当应力值超过混凝土的抗拉强度时,就会出现干缩裂缝。干缩裂缝多发生在混凝土表面,走向没有规律。1.2.3温度裂缝 水泥水化过程中产生大量的热量,在混凝土内部和表面间形成温度梯度而产生应力,当温度应力超过混凝土内外的约束力时,就会产生温度裂缝。裂缝宽度冬季较宽,夏季较窄,此种裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀。1.2.4沉陷裂 缝沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软,或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致;或者因为模板刚度不足,模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致沉陷而产生裂缝,特别是在冬季,模板支撑在冻土上,冻土化冻后产生不均匀沉降,致使混凝土结构产生裂缝。 除了上述的原因,环境也是引起混凝土裂缝的重要因素。2新建隧道混凝土裂缝的预防 混凝土裂缝是不可避免的,但也是可以控制的。控制隧道裂缝,主要从设计、原材料选择、混凝土配合比和施工工艺等方面入手。2.1设计 保持构件截面均匀,避免截面突变出现尖角、棱角,以减小混凝土收缩应力和荷载应力的集中。通过裂缝宽度验算调整主筋配筋量,把裂缝最大宽度控制在迎水面不大于0.2mm,背水面不大于0.3mm。结构配筋应加强纵向分布钢筋,其配筋应按细而密的原则配置,钢筋间距宜控制在150mm以内,必要时可加设扩张金属网,以提高混凝土的极限拉应变,控制混凝土的收缩裂缝。2.2原材料选择2.2.1水泥 尽量采用低标号、低水化热的水泥;在不受侵蚀性介质和冻融作用时,宜采用普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥,若采用矿渣硅酸盐水泥则必须掺外加剂,以降低泌水率。在施工中可能受冻融作用时,则优先选用普通硅酸盐水泥,不宜采用火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。2.2.2外加剂 外加剂应符合国家或行业标准一等品以上的质量标准,与水泥的相容性好,其使用应不影响结构的强度,并应具有微膨胀、增强、坍落度提高和损失小、收缩小等特点。2.2.3骨料 根据泵送管路的内径,尽可能选用粒径较大的碎石。严格控制含泥量不大于1%,吸水率不大于1.5%,针、片状物含量不大于15%,粒径以5～31.5mm为宜,最大不超过40mm。2.2.4掺合料 在普通混凝土中掺入活性矿物,如硅粉、磨细矿渣、粉煤灰等,可以改善混凝土中水泥石的胶凝物质组成,改善集料与水泥石的界面结构和界面区性能。这些对增进混凝土的耐久性及强度都有本质性的贡献。2.3混凝土配合比 在高性能混凝土中,除掺入高效减水剂外,还掺入了活性矿物材料,它们不但增加了混凝土的致密性,而且也降低或消除了游离氧化钙的含量。在大幅度提高混凝土强度、抗渗等级的同时,也大幅度地提高了混凝土的耐久性。在满足抗渗要求的前提下,尽量减少水泥用量。在设计允许的前提下,大体积防水混凝土(因大多掺有矿物掺加料)可采用后期强度(60d或90d)进行配合比设计。2.4施工工艺 做好施工过程中的降水、排水工作,必须做到围护结构无渗漏水,严禁带明水浇注主体结构混凝土。 对于明挖法施工采用排桩围护的结构,桩间凹槽部位应采用喷射混凝土和防水砂浆找平,尽量减少基面对新浇注的侧墙混凝土收缩的约束。 避免在炎热的夏季露天浇筑防水混凝土,夏季施工时宜将砂石预冷,例如向砂石堆上喷洒水温低的地下水或将砂石遮盖。而冬季拌合混凝土时,应将拌合水适当加热,使混凝土入模温度保持在5～10℃以上。 混凝土结构内部设置的各种钢筋或绑扎铁丝不得接触模板,固定模板的螺栓必须穿过混凝土结构时应有止水措施。 合理划分施工段长度,适当缩短施工缝间距,分段长度宜控制在12m以内。底板、边墙、顶板施工缝尽可能对齐,必要时采取跳槽施工,也可采用后浇带。2.5混凝土后期养护 普通混凝土一般在浇筑后12h内即开始养护。在气温高于摄氏5℃时一般采用洒水或蓄水养护,即自然养护;如平均气温低于摄氏5℃,不得浇水,养护时间不能少于14d,且蓄水养护更优于洒水养护。混凝土表面不便浇水时,应涂刷保护层,如薄膜养生液等。3既有隧道渗漏治理 在地铁隧道中,渗漏主要发生在裂缝、疏松区、施工缝、变形缝等部位,这些部位的有效防水是保障其安全运营的关键。3.1裂缝渗漏治理 裂缝渗漏治理构造见图1。其工艺流程为:清理裂缝表面→沿裂缝开U字槽→沿裂缝两侧钻孔→安装止水针头→水泥基聚合物砂浆封堵→冲洗裂缝→注射浆料→二次注浆→再注水→表面处理→放线→裂缝部位开槽→涂刷2遍优止水→养护。
3.2疏松区域渗漏治理 疏松区域渗漏治理构造见图2。其工艺流程为:放线→彻底剔除松动混凝土(至少保障清理后的混凝土基面距锈蚀钢筋25mm)→清理清洗界面→埋注浆管引水→界面涂刷优止水→钢筋做除锈阻锈处理→UP2000结构修补剂修补→向注浆管注浆止水→表面涂刷优止水→养护。
3.3施工缝漏水治理 施工缝漏水治理构造见图3。其工艺流程为:沿漏水裂缝剔槽,槽内放背衬→槽内埋注浆管→再放背衬→立止水封堵→管内注水→注浆→再注浆→再注水→封堵注浆咀→涂刷2遍优止水→养护。
3.4变形缝渗漏治理 变形缝渗漏治理构造见图4。其工艺流程为:彻底清除原有嵌缝材料→凿除松动破损混凝土→高压水冲洗界面→(如缝口破损应对锈蚀钢筋除锈阻锈→破损面修补)→放置背衬用立止水封堵缝隙→麻丝背衬放置注浆管→再用快干水泥封堵注浆管→向注浆管注水→注浆→再注浆→再注水→沿变形缝两侧磨槽(宽400mm、深1.5mm)→用优止水涂刷2遍→槽内放置PS条→嵌入聚氨酯密封膏封缝。
3.5隧道内壁混凝土整体封闭 病害治理完毕后,在整个表面使用防水密封剂进行整体封闭处理,可以减少混凝土中电解液的含量,减少被修补区域(阴极)和未修补区域(阳极)间的电位差,从而降低锈蚀速度。工程实践表明,在混凝土表面整体涂刷聚合物改性水泥基渗透结晶材料,可以有效地起到防水、防碳化的作用。4结论 混凝土产生裂缝是不可避免的,但其有害程度是可以有效控制的,裂缝的控制与防治应从设计与施工两方面进行。渗漏水是地铁隧道的质量通病,其治理是一项综合技术。在实践中,不断总结经验,用科学系统的方法研究混凝土工程裂缝,才能得到有效控制混凝土裂缝的最优方法,根据其不同特点采用相应的治理措施,可使裂缝对构件或结构的危害降到最小。参考文献：[1]王铁梦.工程结构裂缝控制.北京:中国建筑工业出版社,1997.[2]闻宝联,涂光备,刘凯利,等.钢筋混凝土桥梁病害调查与治理措施研究.桥梁建设,2004,(1):78-81.
