王德民，郭耀雄，潘瑋璠，谷亞軍，方博，辜振睿

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北武漢 430083；2.蘇州市軌道交通集團有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 前 言

蘇州是國內(nèi)第一個開通地鐵的地級市，軌道交通工程為蘇州經(jīng)濟發(fā)展和推進城市化進程提供了強大的助力[1]。我國城市軌道交通工程為保證地鐵車輛正常維修與停放，基本上實行1 條線路設(shè)置1 個車輛段和1 個停車場的方式。地鐵車輛段具有占地面積大、設(shè)計復(fù)雜和施工難度大等問題，“厚梁肥柱薄板”的典型結(jié)構(gòu)對水平向混凝土板造成了較大約束[2]。車輛段上蓋一般為2～3 層框架結(jié)構(gòu)，梁板層間距大，基本暴露在室外大氣環(huán)境中，且結(jié)構(gòu)伸縮縫設(shè)置間距往往超過規(guī)范設(shè)計要求，給超長梁板結(jié)構(gòu)的裂縫控制造成了較大難度[3]。

近幾年由于政府加大環(huán)保力度、限制資源開采等，導(dǎo)致商品混凝土中優(yōu)質(zhì)原材料緊缺，蘇州市各混凝土站主要以機制砂石為骨料，水泥及礦物摻合料的比表面積也有所增大。原材料的變化導(dǎo)致混凝土早期收縮量增大，使實體結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)性收縮裂縫控制難度增大。目前補償收縮混凝土是國內(nèi)控制混凝土非結(jié)構(gòu)性收縮的有效措施之一，在超長梁板結(jié)構(gòu)類工程中已經(jīng)積累了一定量的工程案例[4-6]。為有效控制混凝土收縮裂縫，采用高性能膨脹劑配制補償收縮混凝土，通過混凝土配合比設(shè)計、現(xiàn)場施工養(yǎng)護措施優(yōu)化、實體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測等方面分析地鐵車輛段超長梁板結(jié)構(gòu)混凝土早期裂縫控制的效果。

1 工程概況

蘇州軌道交通5 號線胥口車輛段及上蓋平臺開發(fā)工程位于蘇州市吳中區(qū)胥口鎮(zhèn)北部，其底層為車輛段用房，二層樓面為停車場，三層樓屋面為上蓋物業(yè)開發(fā)平臺，上蓋平臺開發(fā)包括商業(yè)和住宅2 部分，商業(yè)為地下2 層、地上13 層，住宅為地下1 層、地上18 層、26 層等。工程總用地面積約31.5 萬m2，物業(yè)開發(fā)總建筑面積約55 萬m2，上蓋兩層平臺總建筑面積約20 萬m2，一層平臺標(biāo)高9 m、二層標(biāo)高15.5 m。車輛段上蓋平臺剖面如圖1 所示，整體鳥瞰如圖2 所示。

圖1 胥口車輛段上蓋平臺剖面

圖2 胥口車輛段上蓋平臺整體鳥瞰

車輛段上蓋平臺以B 區(qū)結(jié)構(gòu)伸縮縫設(shè)置間距最大，最長達190 m，伸縮縫分區(qū)示意如圖3 所示。結(jié)構(gòu)伸縮縫之間以后澆帶方式進行分塊澆筑施工，后澆帶設(shè)置間距為40～85 m，其中單次澆筑梁板混凝土最大面積約4000 m2。上蓋一層板厚度200 mm，二層板厚度250 mm，其梁寬度450～800 mm、深度1.2～1.8 m，梁板混凝土強度等級為C40。車輛段上蓋采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋技術(shù)解決結(jié)構(gòu)超長和季節(jié)溫差帶來的溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的不利影響，采用補償收縮混凝土技術(shù)解決預(yù)應(yīng)力筋張拉前超長梁板結(jié)構(gòu)混凝土非結(jié)構(gòu)性收縮的問題。

圖3 胥口車輛段上蓋平臺伸縮縫分區(qū)示意

2 超長梁板結(jié)構(gòu)裂縫控制重難點分析

車輛段工程在交付使用過程中，由于季節(jié)溫度變化在超長梁板結(jié)構(gòu)中形成一定的變形量而產(chǎn)生較大的溫度收縮應(yīng)力，通過無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋技術(shù)可以補償此收縮應(yīng)力，減少和避免結(jié)構(gòu)收縮開裂。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋技術(shù)的關(guān)鍵是控制好張拉應(yīng)力和伸長量，目前工程應(yīng)用技術(shù)已相對成熟[3]。而預(yù)應(yīng)力筋張拉一般是在混凝土澆筑完成1～2 個月甚至更長時間后進行，在此之前由于混凝土自收縮和干燥收縮主要是在早期釋放，在較大約束下產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)收縮變形易導(dǎo)致梁板開裂。

（1）“厚梁肥柱薄板”的結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致車輛段梁板混凝土在結(jié)構(gòu)相互之間的約束下而產(chǎn)生較大的收縮，尤其是在混凝土達到設(shè)計強度之前由于自身水化反應(yīng)和持續(xù)干燥環(huán)境帶來的非結(jié)構(gòu)性收縮，在配筋密度變化大的位置產(chǎn)生應(yīng)力集中而拉裂混凝土板。本工程上蓋梁板中板的最薄處僅200 mm，而梁厚度最大達1.8 m，各結(jié)構(gòu)部位的約束程度差異較大。

（2）近幾年由于商品混凝土原材料的變化導(dǎo)致其自身早期的收縮量逐年加大，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計中后澆帶的設(shè)計間距卻也是逐年加大，這樣的改變更是加劇了混凝土結(jié)構(gòu)早期的非結(jié)構(gòu)性收縮開裂。本工程上蓋梁板混凝土連續(xù)澆筑最大長度達85 m，最大澆筑面積達4000 m2，對混凝土自身抗裂性能提出了較高的要求。

3 裂縫控制技術(shù)措施及做法

3.1 摻加高性能膨脹劑

本工程采用高性能膨脹劑配制補償收縮混凝土來補償早期自收縮和干燥收縮，減少和避免混凝土出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)性收縮裂縫。高性能膨脹劑具有早期膨脹能大、水化反應(yīng)需水量小的特點，能較大補償混凝土早期收縮量，提高混凝土的抗裂性能[7]。高性能膨脹劑性能符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》中Ⅱ型技術(shù)要求，具體指標(biāo)如表1 所示。

表1 高性能膨脹劑的技術(shù)指標(biāo)

3.2 設(shè)計補償收縮混凝土

補償收縮混凝土各原材料采用江蘇金峰P·O42.5 水泥（比表面積395 m2/kg）；張家港聯(lián)峰鋼鐵S95 高爐礦渣粉（比表面積460 m2/kg）；蘇州木瀆宏根F 類Ⅱ級粉煤灰（需水量比98%）；武漢三源FQY 高性能膨脹劑；蘇州吳江細度模數(shù)3.4機制砂（含泥量2.1%、石粉含量6.8%）；江西贛江細度模數(shù)1.0 特細砂（含泥量4.2%）；浙江湖州5～25 mm 連續(xù)粒級碎石（含泥量1.2%、泥塊含量0.5%）；浙江桐化聚羧酸減水劑（減水率23%、固含量14%）。因細骨料是由機制砂和特細砂混合而成，為確保強度滿足設(shè)計要求，配合比中提高了膠凝材料和減水劑用量，膨脹劑采用外摻方式。經(jīng)試配調(diào)整，實際施工混凝土配合比如表2 所示，限制膨脹率符合JGJ/T 178—2009《補償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》技術(shù)要求：水中14 d、水中14 d及空氣中28 d 分別應(yīng)該滿足2.3×10-4%、0.5×10-4%。

表2 C40 補償收縮混凝土的最終配合比 kg/m3

3.3 完善施工技術(shù)措施

補償收縮混凝土施工澆筑前進行技術(shù)交底，控制混凝土到場坍落度為（150±30）mm，過程中嚴(yán)禁工人私自加水，加強混凝土振搗。由于車輛段上蓋梁板單次澆筑面積大、板面薄，為減少和避免由于收面不及時導(dǎo)致混凝土表面失水過快而出現(xiàn)塑性收縮裂縫，收面工藝采用了“一次人工收面+一次薄膜覆蓋”的方式，同時澆筑振搗和人工收面交替進行?，F(xiàn)場采用人工灑水方式進行保濕養(yǎng)護，安排專人每天灑水不少于4 次，保濕養(yǎng)護時間不少于14 d，以減小終凝后混凝土的干燥收縮量。工程采用了振弦式應(yīng)變計監(jiān)測混凝土板和框架梁中應(yīng)變和溫度的變化趨勢。部分施工效果如圖4 所示。

圖4 部分施工效果

4 應(yīng)變和溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為評估高性能膨脹劑配制的補償收縮混凝土在地鐵車輛段上蓋梁板中的抗裂效果（預(yù)應(yīng)力筋張拉前），在框架梁和板內(nèi)部分別埋設(shè)應(yīng)變和溫度監(jiān)測點，測點均位于各澆筑板塊結(jié)構(gòu)居中位置，監(jiān)測周期不少于28 d。結(jié)構(gòu)分塊中二層板1 和二層梁1 位于同一塊梁板內(nèi)，二層板2 和二層梁2 位于另外一塊梁板內(nèi)。各監(jiān)測點混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部微應(yīng)變和溫度隨時間的變化如圖5 所示。

圖5 各監(jiān)測點混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部微應(yīng)變和溫度隨時間的變化趨勢

從圖5（a）、（b）可知：（1）二層板1 混凝土入模溫度36.0℃，約20 h 內(nèi)部溫度達到峰值49.7 ℃，溫度修正后微應(yīng)變在35 d 內(nèi)從+66 με 減小至-78 με；（2）二層梁1 混凝土入模溫度36.5 ℃，約29 h 內(nèi)部溫度達到峰值69.9 ℃，溫度修正后微應(yīng)變在35 d 內(nèi)從+89 με 減小至-28 με。

從圖5（c）、（d）可知：（1）二層板2 混凝土入模溫度30.2℃，約36 h 內(nèi)部溫度達到峰值49.0 ℃，溫度修正后微應(yīng)變在32 d 內(nèi)從+76 με 降至-88 με；（2）二層梁2 混凝土入模溫度30.2 ℃，約36 h 內(nèi)部溫度達到峰值68.5 ℃，溫度修正后微應(yīng)變在32 d 內(nèi)從+66 με 降至-24 με。由于上蓋板較薄，且白天太陽光照強度高并存在晝夜溫差，因而其內(nèi)部溫度大小和溫峰值出現(xiàn)時間均受環(huán)境溫度影響較大。由于梁混凝土厚度偏大，其內(nèi)部溫峰值較高且出現(xiàn)時間明顯后移。

從上述數(shù)據(jù)對比分析可知：（1）二層板和梁內(nèi)部溫度修正后微應(yīng)變在3 d 內(nèi)達到最大值，基本在+50～+100 με，表明混凝土內(nèi)膨脹組分在水化過程中產(chǎn)生了一定量微膨脹作用，能夠補償混凝土部分收縮量；（2）二層板和梁內(nèi)溫度修正后微應(yīng)變在30 d 后均出現(xiàn)負值，基本在-100～-20 με，表明混凝土內(nèi)部在自收縮和干燥收縮等的疊加下消耗了早期水化產(chǎn)生的膨脹量，并進一步將微應(yīng)變減小為負值；（3）二層板混凝土內(nèi)部的微應(yīng)變在30 d 后較二層減小了約50 με，表明在各項約束條件下，上蓋梁板中薄板結(jié)構(gòu)收縮更大，也更易產(chǎn)生收縮裂縫。

5 工程應(yīng)用效果

蘇州軌道交通5 號線胥口車輛段主體結(jié)構(gòu)上蓋兩層梁板混凝土澆筑時間從2019 年9 月～2020 年10 月，歷時13 個月。根據(jù)現(xiàn)場定期跟蹤和檢查，車輛段上蓋各結(jié)構(gòu)板塊有害裂縫較少，實體結(jié)構(gòu)抗裂效果較好，如圖6 所示。工程應(yīng)用表明，采用高性能膨脹劑配制的補償收縮混凝土，并對現(xiàn)場澆筑施工和養(yǎng)護措施進行相應(yīng)調(diào)整，能夠增大地鐵車輛段上蓋梁板混凝土的早期裂縫控制效果。

圖6 胥口車輛段上蓋梁板局部效果

6 結(jié) 論

（1）高性能膨脹劑具有早期膨脹能大、水化反應(yīng)需水量小的特點，用其配制的補償收縮混凝土能夠補償早期收縮量大的缺陷，在地鐵車輛段上蓋超長梁板實體結(jié)構(gòu)中得到了驗證。

（2）在胥口車輛段上蓋二層梁板中，混凝土內(nèi)部溫度修正后微應(yīng)變在3 d 內(nèi)達到最大值，為+50～+100 με，在30 d 后減小至-100～-20 με，表明膨脹組分在早期產(chǎn)生的膨脹量逐步被混凝土的自收縮和干燥收縮所消耗，起到了補償混凝土早期部分收縮的作用。

（3）本工程二層板內(nèi)溫度修正后的微應(yīng)變在30 d 后較二層梁內(nèi)減小了約50 με，說明上蓋梁板中薄板結(jié)構(gòu)在各項約束條件下收縮更大，也更易產(chǎn)生收縮裂縫。