蒋松涛，万朝栋，张坚，徐文，杨旺军，刘建新

（1.江苏苏博特新材料股份有限公司，高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 211103；2.中铁十八局集团有限公司，天津 300222）

0 引言

提升刚性防水性能是实现地下工程结构服役寿命的关键与难点，其主要核心问题是有效控制混凝土结构裂缝，尤其是早期收缩开裂。对于地下车站主体结构混凝土而言，开裂与渗漏已成为施工建设中普遍且突出的问题，严重时可降低结构耐久性、外观与使用功能[1-2]。车站各部位结构中侧墙是出现裂缝的重灾区，其次是顶板，目前研究主要集中在开裂风险较高的侧墙[3-4]，而顶板作为大暴露面积结构，其结构形式、约束与侧墙显著不同，收缩开裂问题也是不容忽视，因此有必要针对车站顶板混凝土的抗裂防渗技术进行研究。

车站顶板混凝土收缩开裂问题主要表现在：（1）凝结前大暴露表面存在因水分蒸发、骨料沉降等原因导致的塑性裂缝；（2）分步施工，收缩发展不同步，受内外强约束影响，产生约束裂缝；（3）顶板洞口、预埋件处配筋尺寸或密度不合理等，应力集中导致开裂；（4）近年来原材料质量参差不齐，尤其是砂石骨料品质不断下滑，开裂及渗漏问题更加严峻。

苏州地铁8号线某明挖法施工的地下二层岛式车站为两层双跨框架结构，全长199m，标准段宽度19.7m，埋深17.3m，围护结构采用800mm厚的地下连续墙，采用顺作法施工，强度等级C35P8，顶板与侧墙分次施工，间隔周期不超过30d，厚度为0.8 m，分段长度不超20 m，采用盘扣式满堂支架及木模作为支撑体系。

1 车站顶板裂缝形式、特点与分析

根据对国内数个地下车站顶板结构开裂情况进行系统调研与观察，对常见的顶板裂缝类型、特点及原因总结见表1。浇筑成型的车站顶板结构上下面一侧为模板封闭端，另一侧为敞开面，裂缝产生时期主要为混凝土塑性与硬化阶段，体积收缩量与内外约束程度是引起开裂的两大关键影响因素，其中收缩主要来源于降温、自生收缩及干缩等，除结构设计因素外，收缩量与所用原材料品质、配比参数等密切相关；而内外约束主要来源于已浇筑侧墙、相邻顶板及自身截面温度不均等，常共存于一体，约束大小与相邻结构浇筑龄期差、分段长度、保温养护、施工缝界面等紧密相关，对于顶板开裂控制需从降低收缩与约束量两方面进行。

表1 地下车站顶板结构常见裂缝类型、特点与原因

2 试验

2.1 原材料择优选择

选择适合的原材料，优化设计配比参数，降低温升减少收缩是抑制混凝土开裂的有效途径之一[5]，因此对于本工程而言，优先选择开裂敏感性较低的原材料，恰当搭配胶材组份与用量，降低放热量与放热速率极为关键。

现代混凝土原材料组成、结构形式多样性、所受约束等复杂化，实践经验及研究表明，单靠原材料、配比及工艺参数优化，对开裂风险降低幅度有限，无法真正解决开裂问题[6]。近年来，以水化速率及分阶段收缩协同控制的抗裂技术在地铁、隧道、桥梁上防裂施工中得到广泛应用[7-9]，取得良好应用效果。结合国家相关标准规范要求，原材料及其关键性能如下：

（1）水泥：盘固P·O42.5水泥，比表面积360 m2/kg，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求，C3S、C3A含量分别为39.5%、3.2%。

（2）粉煤灰：常熟发电厂，F类Ⅱ级，比表面积466 m2/kg，需水量比97.2%，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

（3）矿粉：张家港恒昌，S95级，比表面积439 m2/kg，28 d活性指数113.5%，符合GB/T18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的要求。

（4）砂：赣江河砂，中砂，细度模数2.7，含泥量2.1%，泥块含量0.73%，符合GB/T14684—2011《建设用砂》的要求。

（5）石：5～25 mm连续级配碎石，含泥量0.48%，针片状含量7.3%，符合GB/T 14685—2010《建设用卵石、碎石》中Ⅱ类的要求。

（6）减水剂：PCA-1聚羧酸减水剂，减水率27.2%，固含量15.2%，收缩率比98.2%，符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》的要求。

（7）HME-V抗裂剂：限制膨胀率符合T/CECS10082—2020《混凝土用钙镁复合膨胀剂》中Ⅱ型品的要求，水化热降低率符合JC/T2608—2021《混凝土水化温升抑制剂》的要求。

2.2 顶板混凝土配合比设计

在调研择优原材料基础上，参照GB50496—2018《大体积混凝土施工标准》、GB/T51028—2015《大体积混凝土温度测控技术规范》及JTS202-1—2010《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》中对大体积混凝土控制指标及要求，结合车站顶板结构形式、约束特点、服役环境及防裂需求，从经济性、技术性等出发，提出车站顶板混凝土抗裂性能最佳控制参数，如表2所示。

表2 车站顶板混凝土抗裂性能参数控制要求

依据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》与GB/T50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》，综合平衡混凝土各项性能满足设计要求，通过优化骨料级配降低孔隙率，保证泵送施工最少浆体量为前提，掺8%抗裂剂从根源上协同控制收缩及温升降低开裂风险，初步优选出胶材总量为400 kg/m3，水胶比为0.4的配合比体系，以代表性的基准（JZ）、双掺粉煤灰与矿粉掺合料（KL-1）、单掺粉煤灰（KL-2）3个配合比作为研究对象，具体配比见表3。

表3 车站顶板混凝土C35P8的配合比 kg/m3

2.3 试验方法

混凝土工作性能及绝热温升参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；力学性能参照GB/T50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试；耐久性能参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试；开裂敏感性采用温度应力试验机进行测试。

混凝土体积稳定性测试：采用φ100 mm×400 mm的PVC管成型试件，上表面放置接触铜头，初凝后表面封蜡密封，架设在带有千分表的支架上，然后放置在温度（20±2）℃、相对湿度（65±5）%的环境中，以终凝时间为0点，每间隔1～2 d读数，然后计算体积变化率。

3 试验结果与分析

3.1 混凝土工作性能、力学性能及耐久性能（见表4）

表4 混凝土的工作性能、力学性能及耐久性能

由表4可知，抗裂剂代替部分胶凝材料导致需水量略微增加，通过减水剂用量调整可保持混凝土达到基本相同的工作状态，均满足泵送施工要求。JZ与KL-1、KL-2的28 d抗压强度及抗渗等级都满足设计要求，受水泥早期放热调控延缓、水化程度及产物较低影响，KL-1、KL-2的3 d、7 d抗压强度均低于JZ，随着水化时间的延长，KL-1、KL-2的28 d抗压强度均高于JZ。

3.2 混凝土的体积稳定性（见图1）

由图1可知，相同抗裂剂用量及胶材总量，单掺粉煤灰的KL-2混凝土体积变形显著高于双掺粉煤灰及矿粉的KL-1混凝土，且达到最大膨胀变形值后收缩趋势较小，KL-2、KL-1的7 d膨胀变形分别为211.5με、130.0με，28 d膨胀变形则分别为200.8με、104.3με；而对于JZ混凝土，因水化反应湿度降低，变形值不断减小，7 d与28 d自生收缩变形分别为90.9 με、175.1με。通过抗裂剂的微膨胀对混凝土自生收缩历程优化，显著提升了体积稳定性。

图1 混凝土的体积稳定性

3.3 混凝土的绝热温升（见图2）

图2 混凝土的绝热温升

由图2可知，掺加抗裂剂KL-1与KL-2混凝土早期温升速率及温升都显著低于JZ，1 d温升降低率分别为38.9%、55.3%，7 d绝热温升都在45.0℃附近。此外，单掺粉煤灰的KL-2早期温升略低于双掺的KL-1，且符合表2的控制要求，抗裂剂可干预混凝土的早期水化速率，能在不影响温升终值前提下延长热释放时间，有助于降低车站顶板混凝土温度收缩变形及开裂风险。

3.4 混凝土的开裂敏感性评价

采用温度应力试验机评价混凝土的抗裂性能，对比研究了在相同温度历程、约束条件下应力发展情况，从而获得预压应力、开裂温度等参数，结果如表5所示。

表5 混凝土的抗裂性能关键参数

由表5可知，KL-1与KL-2混凝土的预压应力分别为JZ混凝土的1.99、2.04倍；KL-2混凝土的开裂温度最低，较JZ混凝土降低了11.2℃，说明混凝土的抗裂性能较好。

4 工程应用及效果评价

4.1 顶板混凝土浇筑、振捣及养护

在试验研究基础上，将表3中KL-2配比进行工程应用，项目在南方冬季时施工，入模温度基本在控制范围，采用分层浇筑，控制坍落度160～200 mm，每层厚度不超0.5 m，采用插入式高频振捣器施工（见图3），根据作业面、浇筑速度、下料点等合理布置振捣器数量，振捣间距不宜超过作用半径的1.2倍，通过均匀布点、控制插入深度及振捣时间，保证各层及层间混凝土振捣密实，结合牢固，防止过振、漏振。

图3 顶板混凝土浇筑及振捣

合理、恰当的养护是提高混凝土性能、保障结构建设质量的基础条件之一[10]，顶板混凝土浇筑结束后应进行抹面，终凝前至少通过3次抹面消除失水或骨料沉降导致塑性微裂纹，终凝后可在表面采用覆盖塑料布、保温材料或蓄水保温保湿养护不少于14 d（见图4），冬季施工不采用水或潮湿养护，根据温度实时监测数据，必要时需加强保温养护。

图4 顶板混凝土现场养护

4.2 顶板混凝土监测结果与应用效果

工程监测是落实及执行方案、效果评价的重要媒介，为此，浇筑前在顶板中部与底部（距模板表面10 cm）布置温度应变计，外表面及附近布置温度计，分段长度18.7 m，温度与变形实测结果见图5、图6。

图5 主体结构顶板抗裂混凝土温度监测历程

图6 主体结构顶板抗裂混凝土应变监测历程

由图5可知，入模温度约16℃，于浇筑后1.88～2.08 d到达温度峰值，中心及外表层最高温升分别为30.5、26.9℃，二次抹面压光结束后采用覆盖塑料布+毛毡覆盖保温保湿养护，中心与外表层最大温差为14.3℃，峰值过后进入降温期，7 d降温速率分别为3.71、3.96℃/d，受降温影响略超过控制要求，需加强保温养护，约浇筑20 d后各温度曲线重合，与气温基本平衡。

由图6可知，升温期，中心部位与车站宽度、长度方向平行的最大温升膨胀值分别为283.4με、392.45.0με，单位温度膨胀分别为10.23、14.27με/℃，降温期，变形值与温降值基本呈线性关系，收缩速率变化均匀，单位温度收缩分别为9.76、13.4με/℃，变形曲线顺滑，未出现突变点，实体结构外观质量及抗裂性能良好（见图7），表面回弹强度满足设计要求，且经电阻率测试表明具有良好的致密性，后期回填土结束未有开裂渗漏问题。

图7 主体结构顶板抗裂混凝土实际应用效果

5 结语

（1）通过对国内在建数个车站顶板开裂情况实地调研，并对常见裂缝类型、特点及原因进行系统总结，顶板结构开裂时间主要处于早期塑性与硬化阶段，塑性裂缝需通过加强及时覆盖保温养护及抹面消除，而硬化开裂重点从降低收缩量与约束两方面解决。

（2）基于苏州某在建车站顶板结构形式及工艺特点，经原材料择优选择及配合比设计配制抗裂混凝土，从根源上降低收缩及开裂风险，与基准混凝土相比，其1 d绝热温升降低率为55.3%，7 d绝热温升基本接近且在45℃附近，28 d仍有175.1με的自生体积膨胀，开裂温度降低11.2℃。

（3）将设计的抗裂混凝土及其配套工艺措施应用于车站顶板施工中，结果表明，顶板结构最高温升为30.5℃，内外温差不超20.0℃，降温阶段收缩速率变化均匀，中心部位与车站宽度、长度方向单位温度收缩分别为9.76、13.4με/℃，回填土结束未有开裂及渗漏问题，应用效果十分显著。