［摘要］城市轨道交通地下车站作为重点的市政工程，对城市的发展和缓解日益严重的城市交通压力有着非常重要的作用。结合大量的案例分析可知，导致城市轨道交通地下车站出现裂痕和渗漏的核心原因多为混凝土开裂。混凝土开裂不仅会降低车站使用寿命，同时对列车的安全运行也存在一定影响。鉴于此，本文主要以地下车站结构混凝土开裂的原因为切入点进行分析，并在此基础上提出一些地下车站抗裂防渗透的技术，期望对城市轨道交通地下车站的建设有一定的帮助。
［关键词］城市轨道交通；地下车站；抗裂防渗透技术
1城市轨道交通地下车站抗裂防渗技术的重要意义
运营中的铁路运输地下结构，尤其是现浇的车站，经常存在严重的泄漏，并且控制泄漏的时间长且困难，进而对结构的安全使用和使用寿命构成了巨大威胁。混凝土开裂是结构泄漏的主要原因之一，现代混凝土的特点是流动性强，通常使用矿物混合物，结构间也更紧凑，因为其具有较高的砂比和水泥材料的用量。研究表明，对于强度在C30以上的非开裂混凝土，自渗系数非常低。非渗透性完全可以满足固体防水的要求，但是当开裂时，混凝土的渗透系数会增加几十倍。在非常严重的情况下，大量的泄漏会威胁到结构的安全使用和耐用性。因此，考虑到解决地下铁路运输工程中泄漏问题的紧迫性和复杂性，提高铁路运输工程中结构混凝土的抗裂性是控制结构泄漏的关键。
2导致地下车站结构混凝土出现裂缝的原因
综合来说，导致城市轨道交通混凝土出现裂缝的原因主要包含三种：首先，地下车站混凝土浇筑结构受到外荷载的影响；其次，城市地下车站混凝土材因为碱骨料或者冻融反应产生了的较大的间接作用力；最后，因为地下温度的剧烈变化过冷或者过热引发的混凝土材料碳化收缩。以上原因都非常容易导致混凝土材料出现开裂现象。此外，混凝土材料的干燥收缩也会导致混凝土材料产生裂缝。何为干燥收缩，即混凝土的水泥基材料其表层温度高于内部的核心温度，受外部高温的影响，导致水泥基材料内部的水分大量蒸发，由此水泥基的分子结构变小，引发水泥基收缩。在收缩的过程中由于内外部的张力存在差异，导致水泥基出现裂痕。对于位于侧墙结构的混凝土，收缩变形的过程主要发生在硬化阶段，最关键的原因是温度收缩，进而发生了收缩重叠。与地面的混凝土相比，侧壁的混凝土受到地面混凝土和悬吊模具截面等旧混凝土的约束很大。并且，因为散热条件比较差，且容易经历快速的温度上升和下降，所以容易发生破裂。一般情况下，干燥收缩需要耗费大量的时间，尤其是在一些比例不均匀的水泥材料之中，非常容易诱发混凝土干燥收缩。同时，温度的变化也会引起混凝土结构开裂。在建筑学中，将这一过程称之为温度收缩。一般情况下，温度收缩多由混凝土内部热量的迅速下降导致，而导致混凝土内部热量降低的主要原因包含以下几方面。首先，水泥的水化放热；其次，外界热源的变化；最后，室温的剧烈变化。在温度收缩过程中，如果水泥的水化放热量越高，表明其放热速率也就越高，此时混凝土内部的温度与外界温度差异较高，冷热压差的变化是导致混凝土开裂的重要原因。
3城市地下交通车站混凝土裂缝控制的有效技术
3.1应用单分子材料有效抑制混凝土开裂
抗裂性是地下空间中混凝土结构必须具备的一项关键性能。但是，当前的抗裂标准设计过程通常是根据承载能力来设计的。忽略最初的收缩裂缝导致的泄漏和恶化问题，城市轨道交通地铁车站的抗裂缝设计，应与对控制裂缝和消除裂缝的风险的定量计算相结合，实现混凝土结构设计与材料设计的统一。混凝土收缩变形的主要原因是由于环境、混凝土的温度以及湿度变化而产生的内应力，混凝土的明显变形反映了材料内部和材料上温度和湿度的变化。结合前文可知，混凝土内部水分的变化是导致混凝土开裂的重要原因，基于此，可以通过有效减缓混凝土内部水分的蒸发来有效抑制混凝土开裂。结合混凝土的塑性性质以及硬化性质，可以采用一些分阶段养护的手段来弱化混凝土中的水分蒸发。其次，降低混凝土水分蒸发的养护措施，是根据混凝土力学性能的发展降低混凝土初始开裂风险，并实现设计性能的主要过程。养护阶段可分为塑性阶段养护和硬化阶段养护，在塑性阶段，混凝土强度相对较低，并且如果不严格控制现有的养护措施，比如，洒水，覆盖薄膜等等，一般来说，这会对混凝土表面有负面影响，普通的养护剂无法通过渗出在混凝土表面形成膜。比如在地下车站混凝土塑性养护阶段，由于该阶段内混凝土的强度较弱，不能使用洒水以及覆膜等手段来减缓混凝土内部水分的蒸发。所以可以使用一些结构和整体状态都相对稳定的单分子养护膜，将其覆盖在混凝土表层。当单分子养护膜覆盖与混凝土表层时，在稳定的温度和湿度条件下，可以将水泥基中的水分蒸发率由原来的45%降低至25%。此外，在单分子养护膜的作用下，可以有效弱化水泥基材料的塑性收缩，减少水泥基表层结壳。除此之外，可以引入双亲性分子结构。在高盐、高碱的混凝土表面泌水层上实现自组装，并形成稳定的单分子膜，在温度40℃，湿度30％和风速5m/s的条件下形成单分子膜，这可以有效抑制水泥基材料的水分蒸发，在此阶段大大延迟了收缩驱动力的出现，将侧面塑性收缩降低了约一半，并有效地减少了混凝土的表面起皮和结壳等等现象的产生。
3.2应用水化热调控材料抑制混凝土开裂
目前我国的城市轨道交通地下车站设计多采用超长混凝土结构，针对超长混凝土结构，为了有效抑制其开裂，可以通过调控水泥水化速度以及周边温度等手段来提高混凝土结构的抗性。当前一些科学家研发出了一种可用于控制水泥基膨胀的水化热调控材料，结合大量的研究案例表明，将该材料应用于车站建设中，可以大幅降低混凝土水泥的水化放热速率。城市铁路公交地铁站结构通常是超长混凝土结构。抑制裂纹的关键是在强外部约束，以及温度快速上升或下降的情况下抑制收缩裂纹，为此，需要对过程进行双重控制的技术措施。一方面，通过调节温度场，减少结构温度峰值。同时，通过调整扩展过程。通过补偿温度下降的收缩，提高温度下降阶段的膨胀效率，并抑制结构混凝土的初始开裂。水合热控制材料是一种新型的化学混合物，可以控制水泥的水合作用历史。在室温条件下，水泥水化放热率的最大值可降低50％以上，与混凝土混合时，结构混凝土的温升可降低6度以上，大大降低了温度开裂的风险。抑制混凝土收缩和开裂的一种有效方法，是通过在水化过程中利用膨胀材料的体积膨胀，来补偿混凝土的收缩和变形，单一类型的膨胀剂受水合性质的限制，混凝土收缩的补偿是有限的。利用氧化钙膨胀剂的高膨胀效率，以及可设计的氧化镁膨胀剂的膨胀历史的技术优势，使用具有不同活性溶胀组分的多组分复合物，高活性氧化镁补偿中间收缩，而低活性氧化镁补偿后期收缩，因此，实现了逐步和全面抑制硬化混凝土的过程。最终，使用高活性氧化镁的钙镁复合膨胀剂，在混凝土温度下降期间可产生至少30%的膨胀应变。比如将水化放热材料和混凝土材料按照适当的比例进行混合，在常温条件下，水泥的水化放热速度大幅降低，对比没有混合材料的水泥，其放热速度减缓至原来的二分之一，从而大幅降低水泥因为温度剧烈变化引起的开裂现象。此外，为了有效抑制因混凝土收缩产生的开裂现象，可在修筑地下车站的过程中掺杂一定比例的膨胀材料。为了提高车站的防渗透效果，普遍采用氧化钙或者氧化镁等膨胀效果好的膨胀材料。通过优化钙镁复合膨胀剂的组成，可以补偿混凝土收缩的整个过程，适用于地下车站结构中尺寸较大，温度降收缩较大的混凝土。水合热控制材料不仅可以控制水泥的水合过程，而且具有控制膨胀材料膨胀历史的作用。在此基础上，提出了一种新的抗开裂技术，可以双重控制水化速率和膨胀历史，从而可以大大降低结构的温升。此外，降温阶段的膨胀在50mm~120mm之间，因此所产生的膨胀变形与地铁结构混凝土温度极速升高、迅速下降的收缩变形更紧密地匹配。
3.3针对抗裂性要求较高的地下车站工程
以上两种方法都是针对一些普通的地下车站，针对一些抗裂度要求较高的公共地下车站，在对其进行混凝土浇筑之前，首先要结合车站的结构设计不同的防裂方案。某些地铁站项目具有很高的防裂要求，在建造混凝土之前，必须先设计结构不同部分的抗裂性，基于混凝土抗裂性的评估和设计方法，通过测试和分析实际工程混凝土的初始水化热，机械和变形特性，获取关键的材料参数并将其替换为评估模型。结合特定的工程结构和施工季节。进行混凝土矫正，温度场和应力场的计算，然后计算存在开裂危险的结构混凝土开裂的危险。比如在施工前期，施工单位可以通过数据模拟的方式对车站各个区域混凝土结构的水化、力学情况进行模拟，从而获得不同部分的混凝土抗裂评估报告，然后根据报告结果进行施工。比如通过数据模拟后得出在车站某区域的混凝土开裂风险高于额定的0.7时，要适当调整该区域的施工策略，如对该区域的混凝土材料比例以及施工手段进行调整。如果车站某区域的开裂风险没有超过额定标准，依然采用原有的设计方案进行施工即可。当前，此类区域化的混凝土施工方式已经在我国的部分城市实行，如在上海的14号线以及徐州地铁2号线等地铁站的建设中，都采用了该模式。其次，应采取优化混凝土配合比，优化施工工艺，添加抗裂功能材料等技术措施，控制裂缝风险在0.7以下。在上述流程基础上，从技术先进、经济合理、安全适用的原则出发，最后，提出了一套完整的裂缝控制技术计划和指标，其中包括对实际工程混凝土的设计，材料，施工和监控。根据以往的经验，显示了车站主要结构工程的应用结果。采用混合比优化技术和水化率及膨胀历史双重调控技术，结构混凝土的温升降低了13℃，温度下降期间的收缩率降低了45％，在主体结构其他部分的混凝土中未发现渗透收缩裂纹。同时，通过优化混合比，水化率和膨胀历史双重控制技术的应用，合理地注入长度控制和维护措施的优化，一处膨胀的长度为24.8m，混凝土的温升达到20℃，温度下降收缩率降低了近50％。侧壁上未出现贯穿裂缝。固体混凝土的强度和耐久性满足高性能混凝土的设计要求，双壁系统主体结构的车站的应用结果如下：减去模具温度后的差。厚度为0.4m的衬砌墙的混凝土温度升高降低了2℃~3℃，收缩和变形降低了20％以上，开裂降低了90％以上，坚固结构的改进抗裂性显着降低了后期的维护成本。
4城市轨道交通地下车站抗裂防渗技术的未来展望
首先来说，在城市轨道交通工程中防止地下车站泄漏的关键是控制结构混凝土的裂缝。抗裂设计应结合轴承裂纹控制的定量控制和卸载裂纹的裂纹风险。为了实现抗裂目标，可以实施抗裂程序并检测抗裂性能。另外，抗裂功能材料的应用是制造高裂化混凝土的重要方法，而水蒸气抑制技术可以避免塑性开裂。水化速率和膨胀历史的双重控制技术，是解决固化步骤中侧壁开裂问题的有效途径。夏季模板温度控制，保温和浇筑后保湿等施工措施是防裂技术的重要组成部分。最后，城市铁路工程混凝土的防裂和防渗透是一项系统工程，工程混凝土收缩和开裂的原因很复杂，因此有必要综合考虑设计，材料和施工等多种措施来实现设计。该过程受到严格控制，其有效性是可以衡量的。
5总结
综上所述，当前，为了有效提高我国城市轨道交通的防渗透以及防裂效果，一定要做好混凝土控制。高效率的混凝土防裂控制不仅可以提高车站的施工质量，同时对延长车站的使用年限具有非常重要的作用。比如可以使用一些单分子材料来有效抑制混凝土表面水分的蒸发。同时也可以使用一些膨胀材料来有效抑制混凝土的收缩。此外，针对一些抗裂性要求较高的区域，还可以采用分区域施工的方式来弱化水泥基的开裂。
参考文献
[1]耿敏，李志全，李路，等.徐州轨道交通地下车站侧墙结构高性能混凝土早期抗裂性能研究[J].施工技术，2018，47（S1）：1786-1788.
作者:王海兵 刚嘎木仁 高健 单位:呼和浩特市城市轨道交通建设管理有限责任公司
