地铁车站混凝土开裂原因及修补措施

路亚雷

中铁十九局集团有限公司 浙江 宁波 315000

引言

由于地铁车站是整个城市轨道交通的一个关键环节，它既与旅客的生命安全息息相关，同时也是整个城市运行的主要技术装备和运行管理体系。文章对地铁车站混凝土结构的裂缝成因进行了分析，并提出了预防措施，并对地铁的施工、材料、建设和运营维护提供了有益的参考。

1 地铁车站混凝土开裂及原因

分析当前国内大多数的地铁站都是采用顶板、中板和底板为主的，由多个单元构成的连续墙体和衬砌墙体，它们在纵向上的尺寸比其他各向都要小得多。但由于各种原因，导致混凝土面板的裂缝问题。根据裂缝产生的原因，本文将裂缝划分为收缩开裂、耐久开裂和振动开裂三种。

1.1 收缩开裂及其成因

开裂产生的根源是由于其内部或表层受到的拉伸大于其本身的拉伸强度。地铁车站的混凝土收缩裂缝，是由于大跨度的混凝土面板结构在建设时出现的水化和释放热量的聚集，新拌的砼由于固化时的干缩和收缩引起的裂缝，还有由于周边气温的改变而产生的裂缝。

1.1.1 水泥水化导致的混凝土温差开裂。在大跨度的混凝土结构中，常常需要一次全浇，因为在浇注后，会发生水化热。而混凝土的巨大容积会使其在短时间内不易释放，混凝土的内部气温明显上升。同时，由于混凝土的温度迅速下降，导致混凝土与混凝土表层之间的温度相差很大（15～40℃）。由于温度的变化，使得混凝土内部和外部发生了较大的变化，从而引起了混凝土的局部张应力。而在这个时期，由于其寿命较长，其抗张力性能较差，因此，在抗拉应力大于其拉伸强度的情况下，容易出现裂纹。针对这种状况造成的裂纹，其防治的重点是选用合适的水泥种类（如细度等），并通过适当的配比来进行混凝土中的掺入量的调整，以及添加缓凝材料等。水泥的选用以低水化热的高贝利特水泥和高掺量的低热水泥为主，但对早期强度水泥的选用则是以低热水泥为主。在保证混凝土的强度和抗渗性能要求的前提下，最大限度地降低水泥的掺入量是预防温差裂缝的主要方法。在技术要求上，应以混凝土的粒度为宜，以2500～3200cm3/g为宜。另外，还应注意控制对水泥中游离石灰、三氧化硫、游离氧化镁等成分的含量，水化速度快、水化热高、需水量大，大容积收缩的三氯化铝（C3S），同时要对混凝土中的碱等进行严格的调控。如果不能选用中、低热水泥，可以在水泥中加入粉煤灰、矿渣粉、石粉等外加剂，从而尽量推迟水化放热峰的产生和减小内温的峰，而不会对28天的强度产生任何的不利作用。在混凝土配方中还应该选用具有较好的缓凝性、高效性的减水剂，既可以减少水泥的使用，又可以延缓水化放热高峰的发生，减小其内部的温升，防止其产生的危险。

1.1.2 混凝土硬化过程中的收缩开裂。在混凝土的硬化过程中，其收缩可以分为化学收缩、自收缩、塑性收缩、干缩等。①水化作用是指在水化作用下，水化后的水化产品相对于水化之前，其相对于水化之前，其相对密度有所降低。Tazawa等认为，当水泥与水发生化学反应时，其体积减小。化学收缩是影响其自身收缩的主要因素，它取决于其成分和水化水平。②塑性收缩是由于在混凝土凝固之前，由于水分迅速流失而引起的收缩。在终凝之前，混凝土的拉伸和拉伸性能极差（＜0.01 MPa），或由于外部因素的影响，在混凝土初凝固后，其表层水分会迅速流失；引起了混凝土中的大面积的毛细压力，从而导致了混凝土的体积迅速缩小。同时，水泥的强度也会因为本身的膨胀而破裂。③干缩是由于水泥浆中的水分在长时间的干旱条件下不断地释放和蒸发，从而引起了毛细压力的收缩。在混凝土强化中，除要考虑水泥品种、减水剂品种以外，还必须考虑混凝土水胶比例的变化。混凝土的水凝胶比例较大时，其收缩较大，应尽可能减少水泥的水胶比例。为了避免在混凝土中发生裂纹，可以采用膨胀剂、减缩剂等添加剂，并加入一些纤维类物质（其中最常见的是能有效地抑制混凝土的塑性收缩裂缝）。在施工中要特别重视混凝土的维护，并尽可能地采取覆盖式的方法来降低水的损失；还可以采用混凝土养护液等进行有效的维护[1]。

1.2 耐久开裂及其成因

在长时间承受静荷载、动荷载和结构次应力等荷载的情况下，会引起混凝土建筑的耐久裂缝。其原因是：混凝土的抗渗性能下降，地铁迷流和腐蚀引起的钢筋腐蚀断裂。

1.2.1 渗透开裂。地铁车站的水泥长时间处在有地下和湿润的条件下，由于大容积混凝土在运行过程中会受到不同程度的荷载和变形，混凝土在荷载、变形、气候等因素的影响下，其微观组织会逐渐退化，在混凝土的表层和内部出现大量的微观裂缝。同时，混凝土表面的微观裂缝也会造成渗流管道之间的连接，提高混凝土的渗透率，从而造成更多的水分和有害的化学物进入到混凝土中，使混凝土进一步恶化、开裂。同样的连锁反应。混凝土退化-裂缝-渗透系数增大-混凝土恶化-最终会造成对混凝土的破坏性损害。

1.2.2 锈蚀开裂。在大跨度的混凝土中，采用了钢筋与混凝土的混合。如果暴露于空气和其他环境中，会产生腐蚀，从而导致钢筋的截面变薄，从而对结构的受力产生不利的作用。而钢筋外层的水泥可以有效地防止钢筋受到腐蚀，甚至防止其受到外界的腐蚀。混凝土防护层是由最外层的钢筋外侧边缘到混凝土表面的一段。如果防护层的耐蚀性和耐久性都会对其结构的耐久性产生很大的影响，如果防护层的耐久性不够好，那么钢筋将会更快地腐蚀。腐蚀的过程中，腐蚀物质增多，使钢筋周边的混凝土保护层发生挤压，从而在混凝土中形成压力，最后，混凝土防护膜开裂，导致钢筋与混凝土的结合失效。由于腐蚀作用，使钢筋的截面变薄，使其自身的刚度下降，使其耐用性下降，从而造成裂缝和损坏。地铁站点因其特殊的工作条件，其腐蚀问题较一般的工程施工更为复杂和严重。首先，由于地铁车站主要建筑的混凝土常常处于地下水丰富、渗水性强的地段，而国内地下水尤其是浅部地下水的环境问题较为突出，含有大量的氯离子和硫酸根离子。由于地下压力水和酸性地下水的溶解，地下硫酸盐和氯离子的腐蚀，使其在混凝土中的钢筋腐蚀，从而大大削弱了其强度。其次，地铁迷流量对地铁站内的混凝土建筑也有一定的作用。地铁迷流又称为“杂流”，是指利用电力驱动的地铁线路在轨道上行驶时向道底和周边的土壤中泄露的电流。在此期间，由于受到强烈的磁场影响，导致了钢筋的氧化、还原作用，从而导致了钢筋的锈蚀。由此导致了混凝土构件的断裂。

1.3 振动开裂及其成因

由于日常工作繁忙，地铁车站的轨道构造是其底层地基，长时间受到列车碾压、振动和摩擦的影响，且受到的撞击及周围的温度的影响，在施工期间会产生各种不同程度的损坏，最后造成道床砼裂缝。而在长时间的汽车载荷下，因技术原因和质量问题而形成的微观裂纹会迅速扩展，并形成大的裂缝，对整个城市的运行造成严重的影响。方树薇利用道床钢板的有限元分析方法，对其进行了试验研究，结果表明：在地铁和温压的条件下，道床板基体的开裂部位主要集中在路基的边角；并且在45°左右的范围延伸。

2 地铁车站混凝土结构裂缝的修补措施

混凝土裂缝不仅会影响整体强度、刚性、抗疲劳性能，而且还会使其抗渗率下降，加快其碳化速度，加速构件的腐蚀，造成构件的整体耐用性降低，从而大大降低了构件的使用寿命。为了确保地铁站的正常运行，在出现裂纹或漏水的时候，必须对其进行相应的处理，并对其进行相应的修护。目前，混凝土开裂修复技术包括：表面修补、灌浆、嵌填封堵、结构补强、替代水泥、电化学防护、生物修复等[2]。

2.1 表面修补法

表面修补法是在混凝土裂缝的表面涂抹水泥浆、聚合物改性水泥浆、环氧胶泥，或在混凝土表面涂刷油漆、沥青、煤焦油等，以封闭裂缝，防止外界有害介质通过裂缝侵入混凝土内部，造成进一步的侵蚀。有时，为了防止混凝土修补后受各种作用继续开裂，还在裂缝表面粘贴玻璃纤维布、碳纤维布，以起到较好的约束作用。表面修补法是较简单且常用的裂缝修补方法，适用于裂缝情况较稳定，且裂缝对结构承载能力影响不明显的情况。

2.2 灌浆、嵌缝封堵法

灌浆技术是指通过使用加压装置将注浆物料注入混凝土裂缝，使其凝固并与水泥融为一体，达到密封裂缝、加强水泥砂浆的作用。水泥浆、聚合物改性水泥浆、环氧树脂是目前较为普遍的注浆方法；异丁二烯和聚亚胺酯等。灌浆是一种对建筑物整体性能有一定作用的裂缝，或在出现裂纹后，对结构的抗渗性产生不利的作用。嵌缝封堵是指沿着缝隙纵向开出一条较浅的沟道，并在沟道内嵌入一种可压缩或硬密封材料，从而实现对该裂缝进行密封。目前，塑封的主要原料有PVC胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等。常用的硬质密封剂有聚合物水泥砂浆、环氧树脂砂浆等。在混凝土建筑的裂缝封闭中，嵌缝封堵是最常见的一种施工技术。

2.3 结构加固法

结构加固一般采用的方法是：①在混凝土中加入钢筋、混凝土，使其断面变得更大；②将型钢包覆于混凝土部件的拐角；③在钢筋受拉的区域加入粘贴钢筋；④预应力钢筋；⑤增加支座；⑥采用喷水混凝土进行强化处理。在受力破坏的情况下，应对其进行加固。虽然加强的成本比较大，但是可以改善结构的总体力学。

2.4 置换混凝土法

置换混凝土施工方法是将破坏的混凝土完全清除（如果钢筋腐蚀过深，需要进行加固或添加加固），然后在浇筑新的水泥或灰泥。新型的混凝土有一般的、高分子的改性的；新型砂浆有水泥砂浆、聚合物改性水泥砂浆、环氧水泥砂浆等。新灌入的新的或新的水泥，其强度等级应至少高于原来的水泥。在混凝土结构破损较大的情形下，采用替代混凝土进行修复和加固，虽然成本较高，但效果明显。

2.5 电化学防护法

电化学防护是指在外加电场的基础上，通过电化学的方法，使混凝土或钢筋的周围的条件发生变化，使钢筋发生钝化，从而实现对钢筋、混凝土的防腐和防护。常用的化学保护方法有：阴极保护法、氯盐提取法、碱还原法等。由于受到周围环境条件的限制，电化学防护板适合于长期保护加固，可以应用在有裂缝的建筑物或新建筑上。

2.6 仿生自愈合法

仿生自愈合法是通过模拟动物组织和修复机制，利用胶合与基质结合的方式，在受损后可以自我修复或再生，从而恢复乃至改善基质的特性。它的机理是：将某些特制的中空玻璃纤维或胶囊（这些材料含有能够修复裂纹的化学成分）事先嵌入到水泥中，在出现微小裂纹时，中空的玻璃钢会裂开或者会破碎，从而放出一种化学成分来修补这些裂纹；随后，这些化学成分会在裂纹中凝固，修补裂纹，并将其还原成原来的机械特性。目前，正在进行的还有一些是矿物自我修补和微生物修复的混凝土。仿生自愈法是一种新型的混凝土裂纹修补技术。在工程实践中，要考虑到施工现场的具体情况，合理地进行自我修补[3]。

3 结束语

从地铁施工初期起，其混凝土结果就一直有不同程度的裂缝。在轨道交通枢纽中，混凝土开裂分为三种类型：收缩开裂、耐久开裂和震动开裂。针对裂缝的防治，必须从结构设计、材料选择、施工管理等几个环节入手。在结构设计中，要充分认识引起裂纹的各种因子及其在建筑中的分布特点，采用预应力钢筋或加强筋的方法，以求在结构层面上避免裂纹的发生。在原材料选用及配置时，要结合施工现场的具体条件，选用低热水泥、优质掺和料、缓凝型外加剂及优质集料，同时要注意减少拌和料的使用。在工程建设中，要注重对工程的选择，要严格遵守有关的技术规范，要掌握好拆模的时机，并要加强对混凝土的维护。在对地铁车站的混凝土、钢筋结构发生裂缝后，要对裂缝的影响和发展进行分析，并对其进行有效的修复和加强，确保其在施工中的安全和未来的使用年限。