地鐵隧道鋼筋混凝土裂縫的治理

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生、發展,是提高地鐵隧道耐久性的關鍵。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生的原因,并從工程設計、材料、施工、養護等方面提出了裂縫控制的措施與方法。對既有隧道的混凝土滲漏,根據不同情況,采取有針對性的治理方案進行治理,保障了結構的安全運營。關鍵詞: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營與管理部門,特別是近年來,國際上地鐵隧道設計壽命都趨向于超過100年,沈陽地鐵也提出了100年的設計壽命,而實際情況是,運營二三十年就已經千瘡百孔,何談百年! 提高混凝土耐久性是一個系統工程,設計、選材、施工、養護、后期的維護缺一不可。本文結合我們在天津地鐵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混凝土裂縫的產生 混凝土劣化的直觀表現是結構出現裂縫、疏松、剝落等。由于混凝土的劣化,失去對鋼筋的保護,導致鋼筋銹蝕、結構失去承載力,因而,控制裂縫的發生和發展是保證結構安全運營的關鍵[1]。歸納起來,引起混凝土裂縫的主要因素有:1.1化學作用1.1.1硫酸鹽侵蝕 當地下水SO4 2-含量較高時,SO4 2-會與水泥中的水化產物生成新的礦物質,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種鹽的生成都會引起很大的內應力,其破壞特征是在表面生成幾條較粗大裂縫。SO4 2-除對混凝土腐蝕外,還會滲透到鋼筋表面,引起鋼筋腐蝕。根據鈍態金屬活化理論,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 碳化反應也稱為中性化反應,指CO2與水泥石表面及內部毛細孔道內的水化硅酸鈣及氫氧化鈣起反應,引起的收縮變形,并導致混凝土堿度降低,呈中性化,從而使鈍化膜失鈍,誘發鋼筋銹蝕。1.1.3堿骨料反應 堿骨料反應(AAR)是指水化水泥中的堿性物質與骨料中可反應化學成分之間發生化學反應。一般來說有2類堿骨料反應。一類是堿-碳反應:堿性物質與含有碳酸鹽類物質的骨料(如白云石等)發生化學反應;另一類是堿-硅反應:堿性物質與含硅酸鹽類物質的骨料(如蛋白石和硅酸石灰石等)發生化學反應。堿骨料反應的結果是在水泥骨料表面發生膨脹性斷裂,從而導致混凝土結構開裂,堿骨料反應發生的前提是混凝土中堿含量超標、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生水化反應,這種收縮與外界濕度無關,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或沉實不足或不均就會發生裂縫,這種裂縫發生在澆筑后1～3h,混凝土尚處于塑性階段,幾乎沒有強度或強度很小,在重力的作用下,粗骨料等質量大的顆粒緩慢沉降密實,水、氣泡等質量小的組分浮至混凝土面層,出現分層現象。混凝土因沉降豎向體積縮小1%。坍落度越大,保水性越差,凝結時間越長及混凝土越厚時,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,施工時應控制水灰比,避免過長時間的攪拌,振搗時間以5～15s/次為宜,下料不宜太快,振搗要密實。1.2.2干縮 混凝土在硬化過程中水分逐漸蒸發散失,使水泥石中的凝結膠體干燥收縮產生變形,由于受到圍巖和模板的約束,變形產生應力,當應力值超過混凝土的抗拉強度時,就會出現干縮裂縫。干縮裂縫多發生在混凝土表面,走向沒有規律。1.2.3溫度裂縫 水泥水化過程中產生大量的熱量,在混凝土內部和表面間形成溫度梯度而產生應力,當溫度應力超過混凝土內外的約束力時,就會產生溫度裂縫。裂縫寬度冬季較寬,夏季較窄,此種裂縫的出現會引起鋼筋的銹蝕。1.2.4沉陷裂 縫沉陷裂縫的產生是由于結構地基土質不勻、松軟,或回填土不實或浸水而造成不均勻沉降所致;或者因為模板剛度不足,模板支撐間距過大或支撐底部松動等導致沉陷而產生裂縫,特別是在冬季,模板支撐在凍土上,凍土化凍后產生不均勻沉降,致使混凝土結構產生裂縫。 除了上述的原因,環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,主要從設計、原材料選擇、混凝土配合比和施工工藝等方面入手。2.1設計 保持構件截面均勻,避免截面突變出現尖角、棱角,以減小混凝土收縮應力和荷載應力的集中。通過裂縫寬度驗算調整主筋配筋量,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。結構配筋應加強縱向分布鋼筋,其配筋應按細而密的原則配置,鋼筋間距宜控制在150mm以內,必要時可加設擴張金屬網,以提高混凝土的極限拉應變,控制混凝土的收縮裂縫。2.2原材料選擇2.2.1水泥 盡量采用低標號、低水化熱的水泥;在不受侵蝕性介質和凍融作用時,宜采用普通硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、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,則優先選用普通硅酸鹽水泥,不宜采用火山灰質硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。2.2.2外加劑 外加劑應符合國家或行業標準一等品以上的質量標準,與水泥的相容性好,其使用應不影響結構的強度,并應具有微膨脹、增強、坍落度提高和損失小、收縮小等特點。2.2.3骨料 根據泵送管路的內徑,盡可能選用粒徑較大的碎石。嚴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、磨細礦渣、粉煤灰等,可以改善混凝土中水泥石的膠凝物質組成,改善集料與水泥石的界面結構和界面區性能。這些對增進混凝土的耐久性及強度都有本質性的貢獻。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度、抗滲等級的同時,也大幅度地提高了混凝土的耐久性。在滿足抗滲要求的前提下,盡量減少水泥用量。在設計允許的前提下,大體積防水混凝土(因大多摻有礦物摻加料)可采用后期強度(60d或90d)進行配合比設計。2.4施工工藝 做好施工過程中的降水、排水工作,必須做到圍護結構無滲漏水,嚴禁帶明水澆注主體結構混凝土。 對于明挖法施工采用排樁圍護的結構,樁間凹槽部位應采用噴射混凝土和防水砂漿找平,盡量減少基面對新澆注的側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,夏季施工時宜將砂石預冷,例如向砂石堆上噴灑水溫低的地下水或將砂石遮蓋。而冬季拌合混凝土時,應將拌合水適當加熱,使混凝土入模溫度保持在5～10℃以上。 混凝土結構內部設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構時應有止水措施。 合理劃分施工段長度,適當縮短施工縫間距,分段長度宜控制在12m以內。底板、邊墻、頂板施工縫盡可能對齊,必要時采取跳槽施工,也可采用后澆帶。2.5混凝土后期養護 普通混凝土一般在澆筑后12h內即開始養護。在氣溫高于攝氏5℃時一般采用灑水或蓄水養護,即自然養護;如平均氣溫低于攝氏5℃,不得澆水,養護時間不能少于14d,且蓄水養護更優于灑水養護。混凝土表面不便澆水時,應涂刷保護層,如薄膜養生液等。3既有隧道滲漏治理 在地鐵隧道中,滲漏主要發生在裂縫、疏松區、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營的關鍵。3.1裂縫滲漏治理 裂縫滲漏治理構造見圖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遍優止水→養護。3.2疏松區域滲漏治理 疏松區域滲漏治理構造見圖2。其工藝流程為:放線→徹底剔除松動混凝土(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→界面涂刷優止水→鋼筋做除銹阻銹處理→UP2000結構修補劑修補→向注漿管注漿止水→表面涂刷優止水→養護。3.3施工縫漏水治理 施工縫漏水治理構造見圖3。其工藝流程為:沿漏水裂縫剔槽,槽內放背襯→槽內埋注漿管→再放背襯→立止水封堵→管內注水→注漿→再注漿→再注水→封堵注漿咀→涂刷2遍優止水→養護。3.4變形縫滲漏治理 變形縫滲漏治理構造見圖4。其工藝流程為:徹底清除原有嵌縫材料→鑿除松動破損混凝土→高壓水沖洗界面→(如縫口破損應對銹蝕鋼筋除銹阻銹→破損面修補)→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→沿變形縫兩側磨槽(寬400mm、深1.5mm)→用優止水涂刷2遍→槽內放置PS條→嵌入聚氨酯密封膏封縫。3.5隧道內壁混凝土整體封閉 病害治理完畢后,在整個表面使用防水密封劑進行整體封閉處理,可以減少混凝土中電解液的含量,減少被修補區域(陰極)和未修補區域(陽極)間的電位差,從而降低銹蝕速度。工程實踐表明,在混凝土表面整體涂刷聚合物改性水泥基滲透結晶材料,可以有效地起到防水、防碳化的作用。4結論 混凝土產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從設計與施工兩方面進行。滲漏水是地鐵隧道的質量通病,其治理是一項綜合技術。在實踐中,不斷總結經驗,用科學系統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方法,根據其不同特點采用相應的治理措施,可使裂縫對構件或結構的危害降到最小。參考文獻：[1]王鐵夢.工程結構裂縫控制.北京:中國建筑工業出版社,1997.[2]聞寶聯,涂光備,劉凱利,等.鋼筋混凝土橋梁病害調查與治理措施研究.橋梁建設,2004,(1):78-81.