蔣松濤，萬朝棟，張堅，徐文，楊旺軍，劉建新

（1.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 211103；2.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

0 引言

提升剛性防水性能是實現(xiàn)地下工程結(jié)構(gòu)服役壽命的關(guān)鍵與難點，其主要核心問題是有效控制混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，尤其是早期收縮開裂。對于地下車站主體結(jié)構(gòu)混凝土而言，開裂與滲漏已成為施工建設(shè)中普遍且突出的問題，嚴重時可降低結(jié)構(gòu)耐久性、外觀與使用功能[1-2]。車站各部位結(jié)構(gòu)中側(cè)墻是出現(xiàn)裂縫的重災(zāi)區(qū)，其次是頂板，目前研究主要集中在開裂風(fēng)險較高的側(cè)墻[3-4]，而頂板作為大暴露面積結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式、約束與側(cè)墻顯著不同，收縮開裂問題也是不容忽視，因此有必要針對車站頂板混凝土的抗裂防滲技術(shù)進行研究。

車站頂板混凝土收縮開裂問題主要表現(xiàn)在：（1）凝結(jié)前大暴露表面存在因水分蒸發(fā)、骨料沉降等原因?qū)е碌乃苄粤芽p；（2）分步施工，收縮發(fā)展不同步，受內(nèi)外強約束影響，產(chǎn)生約束裂縫；（3）頂板洞口、預(yù)埋件處配筋尺寸或密度不合理等，應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂；（4）近年來原材料質(zhì)量參差不齊，尤其是砂石骨料品質(zhì)不斷下滑，開裂及滲漏問題更加嚴峻。

蘇州地鐵8號線某明挖法施工的地下二層島式車站為兩層雙跨框架結(jié)構(gòu)，全長199m，標準段寬度19.7m，埋深17.3m，圍護結(jié)構(gòu)采用800mm厚的地下連續(xù)墻，采用順作法施工，強度等級C35P8，頂板與側(cè)墻分次施工，間隔周期不超過30d，厚度為0.8 m，分段長度不超20 m，采用盤扣式滿堂支架及木模作為支撐體系。

1 車站頂板裂縫形式、特點與分析

根據(jù)對國內(nèi)數(shù)個地下車站頂板結(jié)構(gòu)開裂情況進行系統(tǒng)調(diào)研與觀察，對常見的頂板裂縫類型、特點及原因總結(jié)見表1。澆筑成型的車站頂板結(jié)構(gòu)上下面一側(cè)為模板封閉端，另一側(cè)為敞開面，裂縫產(chǎn)生時期主要為混凝土塑性與硬化階段，體積收縮量與內(nèi)外約束程度是引起開裂的兩大關(guān)鍵影響因素，其中收縮主要來源于降溫、自生收縮及干縮等，除結(jié)構(gòu)設(shè)計因素外，收縮量與所用原材料品質(zhì)、配比參數(shù)等密切相關(guān)；而內(nèi)外約束主要來源于已澆筑側(cè)墻、相鄰頂板及自身截面溫度不均等，常共存于一體，約束大小與相鄰結(jié)構(gòu)澆筑齡期差、分段長度、保溫養(yǎng)護、施工縫界面等緊密相關(guān)，對于頂板開裂控制需從降低收縮與約束量兩方面進行。

表1 地下車站頂板結(jié)構(gòu)常見裂縫類型、特點與原因

2 試驗

2.1 原材料擇優(yōu)選擇

選擇適合的原材料，優(yōu)化設(shè)計配比參數(shù)，降低溫升減少收縮是抑制混凝土開裂的有效途徑之一[5]，因此對于本工程而言，優(yōu)先選擇開裂敏感性較低的原材料，恰當(dāng)搭配膠材組份與用量，降低放熱量與放熱速率極為關(guān)鍵。

現(xiàn)代混凝土原材料組成、結(jié)構(gòu)形式多樣性、所受約束等復(fù)雜化，實踐經(jīng)驗及研究表明，單靠原材料、配比及工藝參數(shù)優(yōu)化，對開裂風(fēng)險降低幅度有限，無法真正解決開裂問題[6]。近年來，以水化速率及分階段收縮協(xié)同控制的抗裂技術(shù)在地鐵、隧道、橋梁上防裂施工中得到廣泛應(yīng)用[7-9]，取得良好應(yīng)用效果。結(jié)合國家相關(guān)標準規(guī)范要求，原材料及其關(guān)鍵性能如下：

（1）水泥：盤固P·O42.5水泥，比表面積360 m2/kg，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求，C3S、C3A含量分別為39.5%、3.2%。

（2）粉煤灰：常熟發(fā)電廠，F(xiàn)類Ⅱ級，比表面積466 m2/kg，需水量比97.2%，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

（3）礦粉：張家港恒昌，S95級，比表面積439 m2/kg，28 d活性指數(shù)113.5%，符合GB/T18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的要求。

（4）砂：贛江河砂，中砂，細度模數(shù)2.7，含泥量2.1%，泥塊含量0.73%，符合GB/T14684—2011《建設(shè)用砂》的要求。

（5）石：5～25 mm連續(xù)級配碎石，含泥量0.48%，針片狀含量7.3%，符合GB/T 14685—2010《建設(shè)用卵石、碎石》中Ⅱ類的要求。

（6）減水劑：PCA-1聚羧酸減水劑，減水率27.2%，固含量15.2%，收縮率比98.2%，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的要求。

（7）HME-V抗裂劑：限制膨脹率符合T/CECS10082—2020《混凝土用鈣鎂復(fù)合膨脹劑》中Ⅱ型品的要求，水化熱降低率符合JC/T2608—2021《混凝土水化溫升抑制劑》的要求。

2.2 頂板混凝土配合比設(shè)計

在調(diào)研擇優(yōu)原材料基礎(chǔ)上，參照GB50496—2018《大體積混凝土施工標準》、GB/T51028—2015《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》及JTS202-1—2010《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》中對大體積混凝土控制指標及要求，結(jié)合車站頂板結(jié)構(gòu)形式、約束特點、服役環(huán)境及防裂需求，從經(jīng)濟性、技術(shù)性等出發(fā)，提出車站頂板混凝土抗裂性能最佳控制參數(shù)，如表2所示。

表2 車站頂板混凝土抗裂性能參數(shù)控制要求

依據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》與GB/T50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》，綜合平衡混凝土各項性能滿足設(shè)計要求，通過優(yōu)化骨料級配降低孔隙率，保證泵送施工最少漿體量為前提，摻8%抗裂劑從根源上協(xié)同控制收縮及溫升降低開裂風(fēng)險，初步優(yōu)選出膠材總量為400 kg/m3，水膠比為0.4的配合比體系，以代表性的基準（JZ）、雙摻粉煤灰與礦粉摻合料（KL-1）、單摻粉煤灰（KL-2）3個配合比作為研究對象，具體配比見表3。

表3 車站頂板混凝土C35P8的配合比 kg/m3

2.3 試驗方法

混凝土工作性能及絕熱溫升參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試；力學(xué)性能參照GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》進行測試；耐久性能參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試；開裂敏感性采用溫度應(yīng)力試驗機進行測試。

混凝土體積穩(wěn)定性測試：采用φ100 mm×400 mm的PVC管成型試件，上表面放置接觸銅頭，初凝后表面封蠟密封，架設(shè)在帶有千分表的支架上，然后放置在溫度（20±2）℃、相對濕度（65±5）%的環(huán)境中，以終凝時間為0點，每間隔1～2 d讀數(shù)，然后計算體積變化率。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 混凝土工作性能、力學(xué)性能及耐久性能（見表4）

表4 混凝土的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能

由表4可知，抗裂劑代替部分膠凝材料導(dǎo)致需水量略微增加，通過減水劑用量調(diào)整可保持混凝土達到基本相同的工作狀態(tài)，均滿足泵送施工要求。JZ與KL-1、KL-2的28 d抗壓強度及抗?jié)B等級都滿足設(shè)計要求，受水泥早期放熱調(diào)控延緩、水化程度及產(chǎn)物較低影響，KL-1、KL-2的3 d、7 d抗壓強度均低于JZ，隨著水化時間的延長，KL-1、KL-2的28 d抗壓強度均高于JZ。

3.2 混凝土的體積穩(wěn)定性（見圖1）

由圖1可知，相同抗裂劑用量及膠材總量，單摻粉煤灰的KL-2混凝土體積變形顯著高于雙摻粉煤灰及礦粉的KL-1混凝土，且達到最大膨脹變形值后收縮趨勢較小，KL-2、KL-1的7 d膨脹變形分別為211.5με、130.0με，28 d膨脹變形則分別為200.8με、104.3με；而對于JZ混凝土，因水化反應(yīng)濕度降低，變形值不斷減小，7 d與28 d自生收縮變形分別為90.9 με、175.1με。通過抗裂劑的微膨脹對混凝土自生收縮歷程優(yōu)化，顯著提升了體積穩(wěn)定性。

圖1 混凝土的體積穩(wěn)定性

3.3 混凝土的絕熱溫升（見圖2）

圖2 混凝土的絕熱溫升

由圖2可知，摻加抗裂劑KL-1與KL-2混凝土早期溫升速率及溫升都顯著低于JZ，1 d溫升降低率分別為38.9%、55.3%，7 d絕熱溫升都在45.0℃附近。此外，單摻粉煤灰的KL-2早期溫升略低于雙摻的KL-1，且符合表2的控制要求，抗裂劑可干預(yù)混凝土的早期水化速率，能在不影響溫升終值前提下延長熱釋放時間，有助于降低車站頂板混凝土溫度收縮變形及開裂風(fēng)險。

3.4 混凝土的開裂敏感性評價

采用溫度應(yīng)力試驗機評價混凝土的抗裂性能，對比研究了在相同溫度歷程、約束條件下應(yīng)力發(fā)展情況，從而獲得預(yù)壓應(yīng)力、開裂溫度等參數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 混凝土的抗裂性能關(guān)鍵參數(shù)

由表5可知，KL-1與KL-2混凝土的預(yù)壓應(yīng)力分別為JZ混凝土的1.99、2.04倍；KL-2混凝土的開裂溫度最低，較JZ混凝土降低了11.2℃，說明混凝土的抗裂性能較好。

4 工程應(yīng)用及效果評價

4.1 頂板混凝土澆筑、振搗及養(yǎng)護

在試驗研究基礎(chǔ)上，將表3中KL-2配比進行工程應(yīng)用，項目在南方冬季時施工，入模溫度基本在控制范圍，采用分層澆筑，控制坍落度160～200 mm，每層厚度不超0.5 m，采用插入式高頻振搗器施工（見圖3），根據(jù)作業(yè)面、澆筑速度、下料點等合理布置振搗器數(shù)量，振搗間距不宜超過作用半徑的1.2倍，通過均勻布點、控制插入深度及振搗時間，保證各層及層間混凝土振搗密實，結(jié)合牢固，防止過振、漏振。

圖3 頂板混凝土澆筑及振搗

合理、恰當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護是提高混凝土性能、保障結(jié)構(gòu)建設(shè)質(zhì)量的基礎(chǔ)條件之一[10]，頂板混凝土澆筑結(jié)束后應(yīng)進行抹面，終凝前至少通過3次抹面消除失水或骨料沉降導(dǎo)致塑性微裂紋，終凝后可在表面采用覆蓋塑料布、保溫材料或蓄水保溫保濕養(yǎng)護不少于14 d（見圖4），冬季施工不采用水或潮濕養(yǎng)護，根據(jù)溫度實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，必要時需加強保溫養(yǎng)護。

圖4 頂板混凝土現(xiàn)場養(yǎng)護

4.2 頂板混凝土監(jiān)測結(jié)果與應(yīng)用效果

工程監(jiān)測是落實及執(zhí)行方案、效果評價的重要媒介，為此，澆筑前在頂板中部與底部（距模板表面10 cm）布置溫度應(yīng)變計，外表面及附近布置溫度計，分段長度18.7 m，溫度與變形實測結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 主體結(jié)構(gòu)頂板抗裂混凝土溫度監(jiān)測歷程

圖6 主體結(jié)構(gòu)頂板抗裂混凝土應(yīng)變監(jiān)測歷程

由圖5可知，入模溫度約16℃，于澆筑后1.88～2.08 d到達溫度峰值，中心及外表層最高溫升分別為30.5、26.9℃，二次抹面壓光結(jié)束后采用覆蓋塑料布+毛氈覆蓋保溫保濕養(yǎng)護，中心與外表層最大溫差為14.3℃，峰值過后進入降溫期，7 d降溫速率分別為3.71、3.96℃/d，受降溫影響略超過控制要求，需加強保溫養(yǎng)護，約澆筑20 d后各溫度曲線重合，與氣溫基本平衡。

由圖6可知，升溫期，中心部位與車站寬度、長度方向平行的最大溫升膨脹值分別為283.4με、392.45.0με，單位溫度膨脹分別為10.23、14.27με/℃，降溫期，變形值與溫降值基本呈線性關(guān)系，收縮速率變化均勻，單位溫度收縮分別為9.76、13.4με/℃，變形曲線順滑，未出現(xiàn)突變點，實體結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量及抗裂性能良好（見圖7），表面回彈強度滿足設(shè)計要求，且經(jīng)電阻率測試表明具有良好的致密性，后期回填土結(jié)束未有開裂滲漏問題。

圖7 主體結(jié)構(gòu)頂板抗裂混凝土實際應(yīng)用效果

5 結(jié)語

（1）通過對國內(nèi)在建數(shù)個車站頂板開裂情況實地調(diào)研，并對常見裂縫類型、特點及原因進行系統(tǒng)總結(jié)，頂板結(jié)構(gòu)開裂時間主要處于早期塑性與硬化階段，塑性裂縫需通過加強及時覆蓋保溫養(yǎng)護及抹面消除，而硬化開裂重點從降低收縮量與約束兩方面解決。

（2）基于蘇州某在建車站頂板結(jié)構(gòu)形式及工藝特點，經(jīng)原材料擇優(yōu)選擇及配合比設(shè)計配制抗裂混凝土，從根源上降低收縮及開裂風(fēng)險，與基準混凝土相比，其1 d絕熱溫升降低率為55.3%，7 d絕熱溫升基本接近且在45℃附近，28 d仍有175.1με的自生體積膨脹，開裂溫度降低11.2℃。

（3）將設(shè)計的抗裂混凝土及其配套工藝措施應(yīng)用于車站頂板施工中，結(jié)果表明，頂板結(jié)構(gòu)最高溫升為30.5℃，內(nèi)外溫差不超20.0℃，降溫階段收縮速率變化均勻，中心部位與車站寬度、長度方向單位溫度收縮分別為9.76、13.4με/℃，回填土結(jié)束未有開裂及滲漏問題，應(yīng)用效果十分顯著。