徐州地铁车站混凝土抗裂技术研究

齐大洪，王国良，李志明，李 明

（徐州地铁集团有限公司，江苏 徐州 221000）

0 引言

随着我国人口的快速增长以及城市现代化的不断进程，城市轨道交通行业得以快速的发展，地下轨道交通结构混凝土结构的质量对地铁车站的安全使用和服务寿命有着巨大影响。作为轨道交通建设进程中的基础材料，高性能混凝土是以建设的具体要求为重要目标，通过合理的配制原材料，从而达到理想的力学、抗裂等性能。对于侧墙结构混凝土，其收缩变形主要发生于硬化阶段，温度收缩占主导，叠加自收缩。相较于底板混凝土，侧墙混凝土受到来自于先浇的底板和吊模段等老混凝土的外约束大，且散热条件差，容易经历急剧的温升温降，因而更容易开裂，且一般在拆模前或拆模后的极短时间内就发生开裂，裂缝间距规整，且大多为贯穿性裂缝［1-2］。

关于高性能混凝土的研究，国内外学者也有较多的研究［3-5］，朱新钊等［6］分析了混凝土骨料的体积含量和弹性模量的影响关系，建立了宏观干缩应力和细观干缩应力之间平衡思路；王哲等［7］通过减水剂掺量对高性能混凝土特殊参数的影响，得到了减水剂掺量的最佳范围为 3 %～4 %，对降低材料消耗和成本具有重要意义；魏林［8］采用高性能混凝土进行沪通长江大桥的防水施工，通过搅拌、高温蒸汽养护、提高泵送压力等措施，为其他的混凝土施工提供了经验；逄鲁峰［9］通过大量试验对高吸水树脂的各参数进行了研究，合成了一种比较经济的高吸水树脂，具有较高的推广意义。高性能混凝土越来越广泛地应用于工程建设中，本文以徐州轨道交通 2 号线市政府站高性能混凝土的应用为研究背景，加入 HME 抗裂剂，进行抗裂技术的分析。

1 混凝土抗裂技术

1.1 工程概况

在建的徐州轨道交通 2 号线市政府站是一个中间标准站，西接大龙湖站，东连汉源大道站，位于昆仑大道与汉风路交叉口，沿昆仑大道北侧东西向敷设。市政府站为明挖地下两层 11 m 宽岛式站台车站，标准段为单柱双跨钢筋混凝土箱型结构，净宽 18.3 m，站厅层净高4.95 m，站台层净高 4.65 m。车站有效站台中心里程处底板埋深约 16.6 m，净长 203 m。车站采用明挖顺做法施工。两端区间均为盾构法施工，车站小里程端设盾构接收井，大里程端设盾构始发井。车站共设 2 组风亭、4 个出入口。

市政府站已经完成主体结构封顶，主体结构底板厚 1.0 m，侧墙厚 0.7 m，中板厚 0.5 m，顶板厚 0.9 m，所处位置为富水砂土层，结构底板位于自然水位之下，抗裂防水要求极高。根据课题组关于地下车站主体结构分段长度的研究成果（秋季侧墙结构分段浇筑长度≤25 m，冬季≤45 m）与施工进度要求，该车站构造设计过程中划定的分段长度如表 1 所示，在 16.3 m 至 24.5 m 之间。将提出的高性能混凝土成套技术方案在该试验车站进行示范应用，在实际工程中检验方案实施效果，验证提出的技术方案的可靠性。

表1 结构设计分段尺寸

1.2 高性能混凝土生产制备

HME 抗裂剂是一种抗裂添加剂，可以提高混凝土的抗裂性能。市政府站主体结构浇筑施工开始，全程进行了混凝土原材料、生产质量管控等工作，多方配合协作，严格测试并控制混凝土入模前工作性能和入模温度，符合方案技术要求，如图 1 所示；底板、中板、侧墙和顶板结构混凝土建议配比如表 2 所示。

图1 现场混凝土生产质量控制

表2 建议配合比

2 混凝土抗裂研究现场监测

2.1 监测目的

1）验证抗裂方案的效果：验证抗裂方案实施的有效性，包括温度历程变化行为和温降阶段的收缩补偿效果。

2）获取施工及养护信息：监测混凝土浇筑时间、浇筑进度、混凝土入模温度、混凝土拆模时间、养护效果、养护周期等。

2.2 监测设备

采用某公司开发的“混凝土温度-应变无线监测系统”，对结构混凝土进行早期温度和变形的监测测试。测试设备具有实时监测、在线传输、网络查看的特点。监测设备如图 2～3 所示。

图2 测试设备

图3 设备服务器后台设置软件

2.3 监测频率

基于前期开展的大量工程监测数据，以及江苏及周边同期开展的大量工程课题的监测数据，在徐州高性能抗裂混凝土的应用中，不再对结构混凝土进行密集监测，监测频次基于季节环境变化设定，例如，施工周期，跨夏季（平均气温大于 25 ℃）、秋季（平均气温小于25 ℃）、冬季（平均气温小于 15 ℃），则在每个季节选择一端混凝土进行监测测试。

2.4 布点原则

监测布点的原则比较简单，具体如下（见图 4）。

1）针对侧墙结构混凝土，选择应力最大的结构中心部位作为测试目标；

2）温度测试包括结构中心、结构侧表层和环境温度，变形测试包括结构横向（延侧墙长度方向）变形和墙体厚度方向变形。

图4 测试元件埋设

以市政府站地下负二层某侧墙为例，其尺寸为：长 16.3 m×高 5.6 m×厚 0.7 m，应变计预埋布置位置如图 5 所示，应变计编号及位置如表 3 所示；对于板式结构混凝土，应变计均预埋于板体的中部中心和中部表层位置。

图5 市政府站侧墙应变计位置（单位：m）

表3 应变计编号及埋设位置

3 高性能混凝土温度、应变历程监测结果分析

3.1 底板结构混凝土监测结果分析

市政府站某段底板结构混凝土（长 16.3 m×宽18.3 m×厚 1.0 m）温度及应变历程监测结果如图 6 所示。从监测结果可以得出以下结论。

1）底板混凝土入模温度约 22.5 ℃，实体结构自浇筑开始约 1.5 d 后达到温峰，中心温升约 19 ℃，里表温差最大约 9 ℃，与模拟计算结果吻合。

2）底板混凝土未掺入 HME 抗裂剂。因中心温升较高，中心混凝土总膨胀变形大于表层，而单位温升的膨胀变形相近，约 5.2 με/℃；温降阶段，因采取覆盖土工布并蓄水养护措施，总体温降速率较慢。由于底板约束较小，开裂风险较低，在施工结束后也未发现底板开裂现象，与模拟计算结果吻合。

3.2 侧墙结构混凝土监测结果分析

市政府站某段侧墙结构混凝土（长 16.3 m×高 5.6 m×厚 0.7 m）温度及应变历程监测结果如图 7 所示。从监测结果可以得出以下结论。

1）侧墙混凝土入模温度约 20.5 ℃，实体结构自浇筑开始约 1.5 d 后达到温峰，侧墙结构混凝土的中部中心、中部边、边中心部位最高温升值为 20.7、16.1、18.1 ℃，与模拟计算结果吻合。

2）侧墙混凝土中掺入 HME 抗裂剂。混凝土的变形与温度历程有关，在温升阶段的膨胀有助于存储膨胀预压应力，在开裂风险较高的温降阶段仍能有效补偿收缩变形有助于提高混凝土的抗裂性。为进一步说明问题，将该实体侧墙结构混凝土监测结果与钢筋约束条件下的构件混凝土试验结果进行比较，如表 4 和表 5 所示。结果表明，各部位测得的温升阶段膨胀变形和温降阶段收缩变形有所差异，尤其是温降阶段收缩变形，如中心部位混凝土单位温度收缩比构件试验时测试值降低了 30 % 以上，这可能与实体结构体量更大、约束更强有关。总体而言，从实测结果来看，抗裂功能材料在实体结构中的抗裂效果更为显著，开裂风险可以有效降低。

图6 底板结构混凝土温度和变形历程监测结果

图7 地下负二层侧墙结构混凝土温度和变形监测结果

表4 温升阶段侧墙实体监测结果与构件试验结果对比

表5 温降阶段侧墙实体监测与构件试验结果对比

3.3 顶板结构混凝土监测结果分析

市政府站某段中板（长 16.3 m×宽 18.3 m×厚 0.5 m）及顶板结构混凝土（长 16.3 m×宽 18.3 m×厚 0.9 m）的中心及表层等部位的温度及应变历程监测结果如图 8 所示。

从监测结果可以看出：

1）中板与顶板混凝土入模温度分别为约 19.5 ℃ 和13.5 ℃，最大温升分别为约 22 ℃ 和 17℃。虽然顶板厚度大于中板，但由于在顶板混凝土中掺加了 HME 抗裂剂，抑制了结构温升，同时顶板施工时，混凝土入模温度较低，测得的顶板混凝土中心最大温升反而小于中板混凝土。顶板及中板结构中心与表层温差均不超过 10 ℃。

2）与侧墙相比，中板、顶板约束小于侧墙，其开裂风险均低于侧墙，但由于其为大面积暴露结构，与侧墙结构相比存在塑性阶段及硬化后的水分快速散失问题，因而需做好覆盖保温保湿养护。

图8 中板和顶板结构混凝土温度及变形监测结果

4 结论

徐州轨道交通 2 号线市政府站作为城市轨道交通高性能混凝土工程应用示范站，将提出的抗裂成套技术方案于工程中实施应用，从混凝土生产、运输、施工、养护各个环节参与了混凝土的质量控制，并配合施工过程对浇筑的底板、侧墙及顶板进行了温度和变形监测，在施工结束后定期对实体结构混凝土进行了质量检验。

在混凝土中掺入 HME 抗裂剂，混凝土的变形与温度历程有关，在温升阶段的膨胀有助于存储膨胀预压应力，在开裂风险较高的温降阶段仍能有效补偿收缩变形有助于提高混凝土的抗裂性。抗裂功能材料在实体结构中的抗裂效果更为显著，开裂风险可以有效降低。

监测结果表明：底板、墙体等实体结构混凝土均未发现有贯穿性收缩裂缝，实体结构混凝土强度、耐久性良好，达到了工程设计要求。Q