地鐵車站側墻中裂縫機理分析和控制
摘 要:總結了地鐵車站側墻中裂縫發生的情況,并分析了裂縫發生的機理和影響裂縫開展的原因,提出了控制地鐵車站側墻中裂縫的方法。關鍵詞:地鐵車站,裂縫,干縮變形,溫縮變形,溫度應力
引言
地鐵車站是大型地下混凝土框架結構,為滿足使用性與耐久性的要求,對車站結構的防水性應有較高要求。在工程中一般認為,裂縫是造成滲漏的主要原因,也就是說控制裂縫發展是防漏的關鍵。經過對地鐵車站觀測統計發現,地鐵車站結構中側墻的中下部以及施工縫處是產生裂縫的主要部位;側墻中裂縫的走向大部分是豎直的,有少量的環向裂縫,以及極少橫向裂縫。
在混凝土結構中,影響混凝土裂縫開展的因素很多,把其分為外荷載和變形荷載兩大類。外荷載是指靜荷載、動荷載和其他外界荷載,變形荷載是指溫度收縮、干縮變形和不均勻沉降等;其中變形荷載是引起裂縫的主要原因。地鐵車站的側墻是混凝土薄壁結構,裂縫產生的主要原因是干縮變形和溫度收縮變形。
混凝土的干縮變形主要是指由于混凝土因水分散失而引起的體積縮小。溫度收縮變形主要是由于在混凝土硬化過程中,混凝土中的水泥釋放出大量的水化熱,同時又在熱量的不斷散失過程中,結構內部產生的溫度變化引起的脹縮變形。側墻中的裂縫根據其發生的情況不同可分為兩類:表面裂縫和貫穿裂縫。下面就這兩類裂縫的產生機理和原因進行了分析[1]。
1 表面裂縫
1.1 表面裂縫機理及原因分析
在混凝土薄壁結構中表面裂縫產生的主要原因是干縮變形和結構內部溫度非線性分布,導致結構本身的相互約束產生的應力引起的,即內約束作用。
1)干縮變形
對混凝土薄壁結構來說,由于混凝土結構的體表面積較小,所以與空氣接觸的外表面水分散失較快,由其引起的干縮變形也大。而該結構中水分散失由表及里逐漸減小,成非線性發展。這種非線性發展,使內外變形不一致,因而表面的干縮變形受到內部干縮變形的約束。
2)溫度收縮變形
混凝土澆筑后,膠凝材料在水化凝結過程中要散發大量的水化熱,內部溫度急劇上升。一般澆筑后1ｄ就能達到溫峰。而后隨著混凝土的凝結,水化熱不斷散失,溫度逐漸降低到與環境溫度相當。當澆筑溫度控制在30℃時,在混凝土薄壁結構中,由于水化熱作用結構中溫度可上升到50℃～60℃。而結構的外表面散熱快,因而薄壁結構中的溫度梯度相當大。因為升溫階段短暫,而且此時混凝土的彈性模量很小,徐變較大,升溫引起的壓應力并不大,不會引起裂縫的產生,所以不加考慮。當溫度逐漸降低時,隨著混凝土的硬化,彈性模量逐漸變大,徐變減小。混凝土結構冷卻時,表面溫度較低,內部溫度較高,表面的溫度收縮變形受到內部的約束,從而表面出現拉應力,在內部出現壓應力[2]。
1.2 應力分析
在干縮和溫縮的共同作用下,混凝土薄壁結構的外表面受到拉應力的作用,而內部則出現壓應力,為此在應力分析時采用以下假設。
假設干縮的應力換算成溫度應力。對于內約束溫度應力可設想為在混凝土內深處有個“約束面”約束著表層混凝土的收縮變形。“約束面”的約束度(Ｒ)為1.0,ｌ很大,ｈ很小,ｌ/ｈ比值更大,以至于表面的Ｒ可趨近于1.0。混凝土表面溫度下降,“約束面”溫度不變(仍為Ｔ),于是產生表里溫差(ΔＴ△=Ｔ-Ｔο)。對于混凝土約束溫度應力σ(ｔ),大多文獻列出如下算式:
σ(ｔ)=ＫΔＴ△ｄα1Ｅe (1)
其中,Ｋ是考慮截面內溫度分布不均勻并假設為拋物線形分布的系數,并常取Ｋ=2/3(2/3是拋物線下平均高度相對于頂點高度的比值)。對于地鐵車站結構的側墻的應力、應變,按平面二維問題考慮并引入泊松比(γ),則可用如下基本式代替(1)式:
(2)
2 貫穿裂縫
2.1 貫穿裂縫機理及原因分析
混凝土薄壁結構除了受到由于干縮和溫度變形引起的內約束作用外,還受到外約束作用。在地鐵車站側墻結構中,側墻主要受到底板的變形約束。這種約束還是由于干縮和溫度變形引起的。
在混凝土薄壁結構中。隨著混凝土的硬化,水泥水化熱反應率的越來越小,薄壁結構的整體溫度不斷降低,體積不斷收縮。而側墻與底板之間,新混凝土墻澆筑在老混凝土板上,產生粘結力。由于新、老混凝土的彈性模量、收縮程度不同,所以側墻的收縮受到底板的約束。特別是在已發生表面裂縫的地方,由于表面裂縫的存在使水分蒸發深入到內部,即使干縮作用深入到薄壁結構內部。另外薄壁結構內部溫度上升得很大,所以冷卻過程中收縮也會很大。同時隨著混凝土齡期的不斷增加,彈性模量不斷增加,徐變越來越小。事實上,混凝土的彈性模量在澆筑后7ｄ就基本達到與最終值相當的大小。所以由于上述原因,混凝土側墻在底板約束下會產生相當大的拉應力。而混凝土是脆性材料,抗拉強度只是抗壓強度的1/10左右,所以當拉應力大于混凝土的抗拉強度時就會出現貫穿性裂縫。在側墻的上部基本處于無外約束的自由變形狀態中。因此地鐵車站側墻中的裂縫一般是豎向,且出現在側墻的中下部。
2.2 應力分析
地鐵車站結構中側墻混凝土厚度較大,一般為60ｃｍ～80ｃｍ。在沒有特殊降溫措施時,混凝土內部最大溫度高達50℃～60℃,前后溫差最高可達40℃。由于澆筑時間的先后及側墻的溫差收縮時主要受到底板混凝土的約束。如把底板混凝土視為老混凝土,而側墻為新混凝土,則新、老混凝土結構之間存在著較大的收縮差,因此當側墻收縮時,底板會對其產生巨大的收縮約束[3]。
在收縮過程中,老混凝土齡期較長,收縮變形已趨穩定,從而約束了新澆筑混凝土的自由收縮,在新混凝土內出現拉應力,新、老混凝土粘結面內出現剪應力。當拉應力或剪應力大于新混凝土自身的抗拉強度或新、老混凝土的粘結強度時,就會不可避免地出現貫穿裂縫。
3 裂縫的影響因素和控制方法
3.1 水化熱
水泥水化放出的熱量聚集在結構的內部不能及時散失而引起溫升,由其引起的不均勻膨脹與收縮在受到約束時,就會導致混凝土開裂。水泥的水化熱與混凝土單位體積中水泥用量、水泥品種有關,并隨混凝土的齡期按指數關系增長。特別是在防止貫穿裂縫發展時,有效地降低水泥水化熱是控制內部溫差的主要手段之一。
一般可通過采取如下措施來降低混凝土中水泥的水化熱:
1)選用低熱水泥,如礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥。若只能采用普通硅酸鹽水泥,最好不用早強水泥。
2)在允許范圍內盡量減小混凝土的水灰比。
3)摻加適量減水劑,可減少用水量,這樣在確保混凝土設計標號的條件下(即水灰比不變),水泥用量也相應減少了。
4)必要時在混凝土內部埋置冷卻水管,進行通水冷卻,可降低內部溫度6℃～10℃。
3.2 澆筑溫度和外界氣溫
ＧＢ50204 92混凝土結構工程措施及驗收規范的有關規定主要有兩條:1)澆筑溫度不宜超過28℃;2)大體積混凝土表面和內部溫差控制在設計要求的范圍內。
目前建筑工程中的內外溫差允許值的研究成果不多,加之混凝土表面裂縫的原因也很復雜,因此規范規定了一個“允許稍有選擇”的標準,即不宜超過25℃。大量的工程實踐也表明,當混凝土內外溫差不超過25℃時,一般來說,混凝土體內的溫度應力不會導致混凝土產生裂縫[5]。1)控制混凝土的澆筑溫度。
澆筑溫度Ｔｊ是由混凝土的機口溫度再加上運輸澆筑過程中的溫度回升(或降低)而定的。拌和前每ｍ3混凝土中原材料的總熱量∑CiWｉTｉ(ｃi為比熱,Ｔi為溫度,Ｗi為質量),再加上拌和時產生的機械熱量(約1500ｋＪ),即可得到機口混凝土的總熱量,再除以∑CiWｉ,就可得出機溫度。拌和時可以再用加入冰屑的方法,降低機口溫度;同時注意避免骨料被太陽曬。混凝土出拌合機后,經運輸、平倉,振搗中的溫度增減后,即為澆筑溫度Ｔj溫度增減的具體數值與路途運輸、平倉的時間及澆筑的氣溫等有關;所以還應在混凝土輸送過程中進行適當的遮蓋等措施,以盡量降低混凝土的澆筑溫度Ｔj[6]。
2)盡可能地在常溫下施工,夏季施工,裂縫出現的情況比冬季多。
3)采取一定的保溫、保濕養護措施。
地鐵車站側墻的模板往往在澆筑混凝土的第2ｄ～3ｄ內便拆除了,這正好是水泥水化熱的高峰期;而側墻較薄,表面層的溫度梯度往往很大,混凝土內部溫度梯度的急劇增加就引起墻體開裂,同時養護措施也可防止因與外界氣溫溫差較大引起的熱交換而產生的表面裂縫。故采取一定的養護措施是必要的。
3.3 混凝土的收縮變形影響
混凝土干縮主要發生在水泥與水體之間。水泥的礦物成分一般不會影響混凝土的干縮。只有當石膏含量不足時,有的水泥才有較高的收縮。因而混凝土收縮的大小與水灰比有關,水灰比越大,其收縮也越大。另外,由于骨料對收縮有很大的抑制作用,這種抑制作用與骨料的彈性模量有關,彈性模量越低,混凝土收縮也越大,特別是多孔輕質骨料混凝土收縮就更大。不良的骨料會導致水的用量加大,這樣混凝土的收縮就會加大。
由于混凝土成型時,其振搗方法及脫模時間會影響混凝土內部水分的散失量及混凝土水分蒸發的速度,因而對混凝土干縮的影響較大。振搗越好,混凝土越密實,延長脫模時間,會減少水分的散失,減輕混凝土的收縮[7]。所以,合理選擇混凝土的級配可以降低混凝土的干縮變形。
3.4 鋼筋的配置
配置適量的鋼筋或者在外露面鋪設鋼筋網能減小裂縫的寬度,控制裂縫的發展,但不能完全避免裂縫的發生。
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