夏热季节地铁车站侧墙混凝土裂缝控制技术

辜振睿，王德民，谷亚军，王丙垒，程世杰，程福星，王海龙

（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430083；2.苏州市轨道交通集团有限公司，江苏 苏州 215004；3.武汉源锦建材科技有限公司，湖北 武汉 430083）

0 前 言

随着经济快速发展，城市轨道交通建设日益增多。地铁车站侧墙分段浇筑长度一般为15~30 m，高度为5~6 m，属于超长、超高大体积钢筋混凝土工程。夏热季节下，地铁车站侧墙混凝土抗裂防渗设计的难点[1]主要有：（1）混凝土入模温度高达30 ℃以上，水泥水化加速，混凝土水化温峰高[2]，温降收缩较大；（2）地铁车站多采用明挖法施工，混凝土受环境温湿度影响较大，穿堂风和降温天气导致混凝土降温和干燥收缩难以控制；（3）由于混凝土高温时凝结快，侧墙分层浇筑时如遇调度不及时、交通拥堵、工人施工进度慢等异常情况，上下层浇筑时间差超过5 h，下层混凝土已开始初凝，而上层混凝土的振捣，会在钢筋带动下扰动下层混凝土[3-4]，产生扰动裂缝。目前，关于如何应对夏热季节各类不利因素，解决混凝土侧墙抗裂防渗问题的相关研究较少。

膨胀剂通过产生体积膨胀，补偿混凝土收缩，是降低混凝土开裂风险常用的外加剂。氧化钙-硫铝酸钙类膨胀剂的优点是膨胀能大、需水量小；缺点是温度敏感性强、膨胀反应过快，在40 ℃水中养护1 d 膨胀反应完全[5]。夏热季节地铁混凝土侧墙一般在1 d 左右达到温峰后进入温降阶段，10 d 左右逐渐与环境温度接近，其膨胀阶段与混凝土温降收缩阶段不能很好地匹配。氧化镁膨胀剂[6]优点是膨胀反应阶段更长且可调控，可在混凝土收缩阶段持续产生膨胀；缺点是膨胀反应需要在一定湿度条件下进行，需结合适当的保湿养护措施，才能更好地发挥其补偿收缩性能。水化热调节剂，也称为水化热抑制剂、水化热调控剂等，通过调控水泥早期水化，降低温度裂缝风险，是近年来混凝土新型温控型外加剂研究的热点[7-8]。

苏州市为典型的夏热冬冷地区，全年有4~5 个月混凝土入模温度接近或超过30 ℃。为实现混凝土抗裂防渗设计要求，苏州轨道交通7 号线部分地铁车站混凝土选用氧化镁膨胀剂、水化热调节剂配制补偿收缩混凝土，作为主体结构自防水混凝土。本研究从氧化镁膨胀剂、水化热调节剂的作用机理出发，针对夏热季节气候特点，优化混凝土配合比设计，结合必要的施工、养护措施，实现地铁车站侧墙混凝土的整体抗裂防渗效果。

1 工程概况

苏州轨道交通7 号线起于相城区的春秋路站，止于吴中区的旺山路站，是苏州南北方向的重要交通干线，全长49.0 km，共设38 座车站，全部为地下车站。车站主体结构为地下2 层（局部3 层）双柱三跨闭合框架结构，混凝土标号为C35P8 或C35P10；车站外包总长度150~300 m，部分车站近500 m；标准段结构宽度15~25 m，局部超过30 m；地铁车站基础底板厚度约1000 mm，侧墙厚度700~800 mm、顶板厚度约800 mm。

苏州市地处长江三角洲，市内大小湖泊、河流众多，年均降水量超1000 mm，且地下水资源丰富。为确保地铁建成后的运营安全，混凝土防水设计[9]要求大部分为一级，不允许出现混凝土结构渗漏和表面湿渍，对混凝土结构抗裂防渗提出了严格的要求。本次工程应用对比研究选择了在同一商混站、同一天施工、尺寸相近的苏州轨道交通7 号线部分车站负2 层侧墙，对比空白、氧化镁膨胀剂、氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂对混凝土水化温升历程、内部应变情况以及混凝土抗裂防渗效果。

2 试 验

2.1 原材料

水泥：水化热、限制膨胀率测试采用基准水泥，混凝土采用P·O42.5 水泥，宜兴天山；粉煤灰：F 类Ⅱ级，苏州华望；细骨料：水化热测试采用中级砂，限制膨胀率测试采用标准砂，混凝土采用天然砂，Ⅱ区中砂，细度模数2.67，含泥量1.1%，安徽长江；粗骨料：5～25 mm 连续级配碎石，浙江湖州，含泥量0.8%；减水剂：JB-2 型高效聚羧酸减水剂，苏州金源；水：自来水；氧化镁膨胀剂（M-MgO）：中速型，符合CBMF 19—2017《混凝土用氧化镁膨胀剂》的技术要求，活性值135 s，武汉三源特种建材有限责任公司，其主要化学成分如表1 所示；水化热调节剂（TJJ）：为多羟基聚糖化合物，微溶于水，在水泥浆碱性环境下可溶解，吸附在水泥颗粒表面，减缓水泥早期水化反应速率，降低水泥早期水化热。

表1 M-MgO 的主要化学成分 %

2.2 试验方法

水化热参照JC/T 2608—2021《混凝土水化温升抑制剂》进行测试，环境温度为20 ℃，水灰比为0.4；限制膨胀率参照GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》和CBMF 19—2017 进行测试，环境温度为20 ℃，砂浆限制膨胀率水灰比为0.4，混凝土限制膨胀率配合比按试配配合比，拆模后分别在40、60 ℃水中养护，测试不同龄期试件的长度变化。混凝土试配：坍落度、凝结时间参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。

2.3 混凝土配合比设计

根据T/CECS 540—2018《混凝土用氧化镁膨胀剂应用技术规程》，结合夏热季节施工条件，设计地铁车站侧墙补偿收缩混凝土的28 d 限制膨胀率≥0.030%、28 d 减7 d 限制膨胀率差值≥0.010%，确定氧化镁膨胀剂掺量为30 kg/m3，约占胶凝材料质量的8%，水化热调节剂掺量为4 kg/m3，约占胶凝材料质量的1%。根据现有研究[10]，矿粉会增加混凝土的收缩，因此掺合料只使用粉煤灰。经多次试配，混凝土配合比和性能分别如表2、表3 所示。

表2 地铁车站侧墙C35P8 混凝土配合比 kg/m3

表3 地铁车站侧墙C35P8 混凝土主要性能

由表3 可知，单掺氧化镁膨胀剂、氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂，均满足混凝土出机坍落度180~200 mm，1 h 坍落度损失≤20 mm 的要求，且混凝土抗压强度和限制膨胀率符合设计要求。需要注意的是，由于水化热调节剂延缓了混凝土早期水化，所以氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂的混凝土初凝时间较空白延迟了6 h，且7 d 抗压强度略低于空白组，但几乎不影响28 d 抗压强度。

3 技术原理与具体措施

为保证氧化镁膨胀剂、水化热调节剂在夏热季节侧墙混凝土起到有效的抗裂防渗作用，进行了以下技术原理探究：（1）解析氧化镁膨胀剂在不同养护温度下的膨胀特性，确定其“快速膨胀期”；（2）氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂，研究复掺对膨胀特性和水泥水化热的影响；（3）结合已部分完工的、结构尺寸类似的苏州轨道交通8 号线地铁车站侧墙的混凝土温度、应变监测数据规律，确定“快速收缩期”，分析其与氧化镁膨胀剂的“快速膨胀期”的匹配情况。

根据技术原理研究结果，结合氧化镁膨胀剂水化反应对湿度的要求，以及现场侧墙混凝土水化温升历程，提出适宜的施工和养护措施。

3.1 氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂的反应特性

氧化镁膨胀剂、水化热调节剂复掺，理论上可起到兼具补偿收缩、延缓早期水化的双重效果。考虑到不同外加剂复掺，相互间存在正、反向的影响。因此，通过对关键指标限制膨胀率、水泥水化热进行试验验证，为工程应用提供掺考。试验结果如图1、图2 所示。

图1 氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂对砂浆限制膨胀率的影响

图2 掺氧化镁膨胀剂和水化热调节剂对水泥水化热的影响

由图1 可知，单掺氧化镁膨胀剂的砂浆在40、60 ℃水中养护下，80%的膨胀能分别在0~14 d、0~7 d 发挥。在40、60℃水中养护下，砂浆复掺氧化镁膨胀剂和水化热调节剂后，膨胀能分别提高了约20%、30%，养护温度越高，提高越明显。根据曹丰泽等对氧化镁膨胀剂水化机理研究[6-7，11]，水泥浆体中碱性环境会抑制氧化镁水化，水化热调节剂含大量羟基，呈弱酸性的羟基吸附在水泥、氧化镁膨胀剂颗粒表面，调节了水泥浆体的碱性环境，有利于氧化镁水化更均匀、充分，激发了氧化镁膨胀剂的活性。

结合已部分完工的苏州轨道交通8 号线，夏热季节结构尺寸相近的地铁车站混凝土侧墙的温升阶段，其混凝土入模温度30~38 ℃，温峰60~70 ℃，整个温升、温降阶段为7~14 d。加入氧化镁膨胀剂的砂浆7~14 d 膨胀较大，14 d 后延迟膨胀较小，与夏热季节地铁车站混凝土侧墙温度历程匹配性较好。

由图2 可知，单掺氧化镁，对水泥水化热影响不大；单掺水化热调节剂，水化温峰降低了约8 ℃，水泥1~3 d 的水化放热量显著降低，且基本不影响7 d 总放热量；氧化镁复掺水化热调节剂，其降低水化热的效果有一定削弱，但相比空白组仍有较明显降低。说明水化热调节剂可显著降低并延缓水泥早期水化放热的进程。在工程现场中，水泥缓慢地放热，在混凝土自身的散热条件下，能有效降低混凝土温峰，减小混凝土温度开裂风险。

3.2 施工和养护技术措施

通过对技术原理的研究，将氧化镁膨胀剂的快速膨胀期与混凝土的快速收缩期进行匹配，结合气候条件特点，制定并实施下列措施：（1）复掺氧化镁膨胀剂、水化热调节剂；（2）规范施工措施，混凝土浇筑后及时振捣，防止过振、漏振现象；（3）侧墙养护至混凝土内部温度降至与环境温度差值在10 ℃以内；（4）拆模后立即覆盖保湿功能的吸水树脂养护膜，接缝处粘接牢固，控制降温速率≤5 ℃/d，保湿养护期为14 d；（5）避免雨天浇筑混凝土施工，如可能遇大风天气还应加盖土工布以增强保温效果。混凝土侧墙养护情况如图3 所示。

图3 混凝土侧墙养护膜铺贴及土工布铺贴

4 混凝土对比段温度和应变数据监测与抗裂效果分析

现场施工前1~2 d，预埋振弦式应变计和温度传感器，监测侧墙混凝土结构部位的应变和温度状态，埋设部位为侧墙长、高、厚的中心点。

为对比验证抗裂剂的使用效果，在同一搅拌站、同一天、尺寸结构相近的苏州轨道交通7 号线部分站点负2 层侧墙进行了混凝土抗裂效果验证，开始浇筑时间为20∶00 左右，结束时间为次日03∶00 左右，持续时间约7 h。验证段浇筑情况如表4 所示。

表4 混凝土侧墙浇筑情况

由表4 可知，不同站点验证段混凝土尺寸基本相同，施工期间环境温度差别不大，在24~39 ℃，入模温度在33.8~35.6℃，为典型的夏热季节施工。所有验证段侧墙混凝土拆模后采用吸水树脂养护膜进行保温保湿养护，区别在于抗裂剂的选择。

4.1 混凝土温度和应变分析

图4、图5 为空白组、单掺氧化镁膨胀剂、氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂的混凝土中心温度、混凝土应变随时间的变化趋势。

图4 侧墙混凝土中心温度随时间的变化趋势

图5 侧墙混凝土应变随时间的变化趋势

由图4 可知，空白组、掺氧化镁膨胀剂混凝土5~6 h 时温升大于7 ℃，10~12 h 时温升大于20 ℃，温峰分别为67.0、65.9 ℃，出现时间分别为18、20 h，空白组、单掺氧化镁膨胀剂的混凝土早期水化温升均较快；氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂10 h 时混凝土温升仅3.1 ℃，温峰27 h 出现，为60.1 ℃，相较于空白组，温峰降低了约7 ℃，温峰出现时间延迟了约9 h，说明水化热调节剂显著延缓了早期水化温升，有利于降低混凝土的温度开裂风险。

由图5 可知，所有侧墙混凝土内部应变随时间变化规律为先升高后降低，14~28 d 逐渐平缓。扣除混凝土温度对变形的影响后，空白组应变最小值为-207.1 με，收缩量偏大，开裂风险较高；单掺氧化镁膨胀剂组应变最小值为-140.5 με，收缩量减少了66.6 με，说明其在混凝土中明显起到了补偿收缩效果，有利于降低混凝土开裂风险；氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂组应变最小值为-79.6 με，收缩量减少了127.5 με，说明水化热调节剂激发了氧化镁膨胀剂的膨胀能，起到了更好的补偿收缩效果，与砂浆限制膨胀率的规律相同。

4.2 混凝土抗裂效果分析

混凝土裂缝排查根据裂缝特点和出现时间分为3 个阶段：第1 阶段，2 d 拆模，此时混凝土刚达到温峰，温降阶段刚开始，温降收缩还不大，而夏热季节混凝土凝结快，施工扰动裂缝的可能性更大；第2 阶段，2~14 d，混凝土为保湿养护状态，干燥收缩风险较小，产生温降收缩裂缝的可能性大；第3阶段，14 d 后，此时混凝土中心温度已于10 d 左右降低到环境温度，温降收缩风险小，且养护膜已被取下，干燥收缩裂缝可能性大。

混凝土侧墙拆模后定期排查裂缝情况，2 个月时不同验证段的混凝土裂缝位置和走向情况如图6 所示。

图6 侧墙混凝土裂缝位置和走向情况

由图6 可知，排查到2 个月时，空白组共5 条裂缝，掺氧化镁膨胀剂的混凝土侧墙段共2 条裂缝，氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂混凝土侧墙无裂缝。混凝土第2 d 拆模，发现空白组1、2 号处裂缝，掺氧化镁膨胀剂的混凝土侧墙2 号处出现裂缝，长3.0~4.3 m，宽0.15~0.25 mm，结合空白组、掺氧化镁膨胀剂试验段混凝土侧墙5 h、10 h 温升已分别超过7、20℃，整个施工过程持续了近7 h，扰动裂缝可能性较大；第4 d空白组新增3、5 号处裂缝，第8 d 单掺氧化镁膨胀剂的混凝土侧墙新增1 号处裂缝，长2.8~4.3 m，宽0.15~0.30 mm，推测为温度收缩裂缝；第20 d 空白组新增4 号处裂缝，长4.5 m，宽0.15~0.20 mm，养护膜第14 d 时被取下，推测为干燥收缩裂缝。

氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂验证段混凝土侧墙浇筑后不同时期检查均无裂缝，覆土回填并经历了雨季验证后，现场检查混凝土表面未发现裂缝且无渗水现象，达到了预期的抗裂防渗效果，混凝土侧墙抗裂效果如图7 所示。此后，苏州轨道交通7 号线部分地铁车站侧墙混凝土在夏热季节施工也采用了氧化镁膨胀剂复配水化热调节剂配制补偿收缩混凝土，整体裂缝统计情况为平均30~35 m 出现1 条，平均宽度小于0.2 mm 的表层无害裂缝，未发现贯穿有害裂缝和渗漏水现象，达到了预期的减少或无裂缝的抗裂、防水效果。

图7 M-MgO+TJJ 组混凝土侧墙抗裂效果

5 结 论

（1）氧化镁膨胀剂反应速率可调控，可在40~60 ℃高温环境下持续产生膨胀，有利于不断补偿混凝土温降、干燥收缩，但需要结合保湿养护，以更好地发挥其膨胀能。

（2）水化热调节剂可显著降低混凝土早期水化温升，与氧化镁膨胀剂复掺时，温峰降低约7 ℃，温峰出现时间延迟约9 h，浇筑后10 h 温升仅3.1 ℃，降低了混凝土早期扰动、后期温降收缩开裂风险。

（3）氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂，相较于单掺氧化镁膨胀剂，砂浆限制膨胀率的膨胀能提升约20%~30%；混凝土应变测试中，掺氧化镁膨胀剂应变最小值为-140.5 με，收缩量减少了66.6 με；氧化镁膨胀剂复掺水化热调节剂的应变最小值为-79.6 με，收缩量减少了127.5 με。说明水化热调节剂可激发氧化镁膨胀剂，在混凝土中产生更大的膨胀能，可取得更好的补偿收缩效果。