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摘要：地下車站主體結構混凝土開裂滲漏是城市軌道交通工程建設的頑疾，尤其是側墻結構。采用環境模擬箱研究了實際溫度歷程下CaO與MgO膨脹組分對混凝土早期變形性能的影響。結果表明：復合摻入4%CaO與4%活性（110±10）sMgO可使混凝土溫升階段膨脹變形較基準混凝土增大約82%，溫降階段收縮變形較基準混凝土減小約17%。基于鈣鎂復合膨脹技術制備低收縮、高抗裂混凝土并用于無錫地鐵4號線某地下車站主體結構側墻施工，顯著降低了其收縮變形與開裂風險，實施效果良好。

關鍵詞：城市軌道交通；收縮開裂；多元復合膨脹；溫降收縮；混凝土

城市軌道交通是大中型城市公共客運交通網絡的骨干，現已成為城市現代化的重要標志之一。但是，從江蘇省乃至全國范圍內已建和在建城市軌道交通工程調研結果來看，其地下車站主體結構容易在施工階段就出現裂縫，由此帶來嚴重的滲漏問題。治理滲漏水問題耗時長、難度大，且對結構的安全使用與服役壽命造成巨大威脅。如表1所示，對某城市軌道交通工程全線20余個地下車站的調研結果表明，滲漏主要為混凝土早期收縮開裂引起，側墻是滲漏的重災區[1-2]。為解決上述問題，工程參建各方從施工工藝及混凝土材料角度采取了一系列措施。前者包括鋼筋配置優化、冷卻水管布設、拆模時間延長、保溫保濕養護等[3]，后者除了常規的降低混凝土膠凝材料總量與水泥用量以減小收縮外，在抗裂功能材料研究與應用方面取得了一些成果。這些抗裂功能材料包括氧化鈣-硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑、水泥水化放熱調控材料、減縮型聚羧酸減水劑等，可有效降低實體結構混凝土溫升與溫降收縮、自收縮，從而顯著提高其抗裂性能[4-6]。但總結既有試驗研究與工程實踐成果可以發現，夏季高溫季節（日均氣溫＞23℃）施工時，因城市軌道交通工程普遍采用商品混凝土，缺乏如加冰屑拌合等有效的降溫措施，混凝土入模溫度往往超過30℃，無錫地區7~8月份時甚至可以逼近40℃，而此前通常采用的鈣礬石與氧化鈣類膨脹劑存在水化反應快，溫度敏感性強等缺點[7]，容易在夏季工況下結構混凝土劇烈的溫升過程中快速消耗，從而使得補償溫降階段收縮及提高混凝土抗裂性的效果大打折扣。針對上述問題，本研究將具有延遲性膨脹特性的輕燒氧化鎂膨脹熟料[8-10]與氧化鈣膨脹熟料復合，測試二者在模擬實際溫度歷程下的補償收縮效果，并成功應用于無錫地鐵某地下車站主體結構，為類似工程高溫季節施工期裂縫控制提供了一條新的思路。

1鈣鎂復合膨脹補償收縮技術作用效果試驗研究

利用膨脹組分在水化過程中產生體積膨脹來補償水泥基材料的收縮變形，是抑制其早期開裂的有效措施之一。不同種類膨脹劑水化膨脹特性不同，工程實踐中應根據實體結構混凝土水化、溫度與變形情況進行針對性的設計與調控，以使膨脹劑的膨脹效能與之匹配，有效降低混凝土的收縮拉應力與開裂風險。1.1試驗原材料與混凝土配合比。陸安群等[11]的研究表明，生料煅燒制度對MgO膨脹劑的晶體結構和膨脹性能具有顯著影響，LIHua等[12]進一步研究了不同活性MgO對一定溫度歷程下混凝土收縮變形的補償效果。結合上述研究成果，本工程采用有效成分含量＞90%、950℃菱鎂礦煅燒、活性（110±10）s的MgO作為中后期膨脹組分。水泥：常州盤固P•O42.5水泥，表觀密度3.09g/cm3，主要性能見表2；粉煤灰：蘇州順達F類Ⅱ級粉煤灰，主要性能見表3；砂：河砂，細度模數2.70；石：5~20mm連續級配石灰石碎石；減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產PCA-I聚羧酸高性能減水劑，減水率約22%；膨脹劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供，將CaO膨脹劑（有效成分含量＞85%、1250℃生料煅燒）與上述MgO膨脹劑按不同比例復合。地下車站主體結構側墻混凝土的配合比如表4所示，在基準配合比的基礎上，摻加占膠凝材料總質量8%的膨脹劑，并調整其中CaO與MgO膨脹組分比例，分別為8%CaO、6%CaO+2%MgO、4%CaO+4%MgO、2%CaO+6%MgO和8%MgO，測試混凝土在變溫條件下的體積變形。1.2試驗儀器與方案。采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司產SBT-CDM（Ⅰ）型混凝土溫度-應變無線監測系統采集混凝土自澆筑成型后的溫度與應變歷程；將符合GB/T3408.1—2008《大壩監測儀器應變計第1部分：差動電阻式應變計》要求的混凝土應變計預埋入混凝土試件，連續監測體積變形；環境模擬試驗箱，可調節箱內環境溫度，進而影響混凝土試件溫度，模擬實體結構混凝土溫度歷程；Φ120mm×400mm圓柱體PVC管，用作混凝土澆筑與體積變形測試的模具。圖1是夏季施工時，0.7m厚地鐵車站側墻結構混凝土中心溫度歷程典型監測結果。由圖1可見，混凝土入模溫度36℃，澆筑后約1.1d時達到溫峰，溫升約32℃；隨后開始溫降階段，至8d時基本降至氣溫，平均降溫速率超過5.5℃/d。1.3試驗結果與分析。基于上述溫度歷程，研究摻不同組成比例CaO與MgO膨脹組分混凝土試件的體積變形，結果如圖2、圖3所示。由圖2、圖3可見，溫升階段混凝土試件體積均表現為膨脹，基準、8%CaO、6%CaO+2%MgO、4%CaO+4%MgO、2%CaO+6%MgO和8%MgO各組的膨脹峰值分別約284με、589με、574με、516με、438με和355με，可知CaO水化反應速率快、膨脹能大，其摻量越多，溫升階段混凝土膨脹越大；溫降階段各組混凝土試件均開始收縮直至溫降結束，這一階段的上述各組試件最大收縮變形分別約-347με、-358με、-347με、-289με、-280με和-255με，可見MgO具有延遲膨脹特性，其摻量越多，溫降階段混凝土收縮越小，但MgO摻量超過4%后，補償收縮效果增加不明顯，且試驗中發現，MgO摻量較高會導致混凝土強度出現明顯下降。因此，綜合考慮變形與強度，復合摻入4%CaO+4%（110±10）s活性MgO可使混凝土溫升階段膨脹變形較基準混凝土增大約82%，溫降階段收縮變形較基準混凝土減小約17%，效果最佳。

2低收縮、高抗裂混凝土配合比設計及其主要性能

采用上述鈣鎂復合膨脹技術設計低收縮、高抗裂地下車站主體結構側墻混凝土配合比，各原材料種類及其用量如表4中補償收縮組所示，其中膨脹劑中CaO與MgO的質量比為1∶1。設計要求混凝土坍落度為（180±20）mm、28d抗壓強度≥35.0MPa，28d碳化深度≤5.0mm、56d電通量≤2000C。混凝土的工作性能參照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試；抗壓強度參照GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試；20℃自生體積變形（以混凝土終凝為測試零點）參照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的非接觸法進行測試；耐久性參照GB/T50082—2009進行測試，結果如表5所示。由表5可見，制備的低收縮、高抗裂混凝土滿足設計與施工要求，采用鈣鎂復合膨脹技術，混凝土20℃時的自生體積變形在56d齡期內始終為正值。

3工程應用與監測

無錫地鐵4號線某車站主體結構采用研制的低收縮、高抗裂混凝土進行澆筑，監測了0.7m厚側墻混凝土中心溫度、應變歷程，并與同期采用基準混凝土澆筑的相同結構監測結果進行對比分析，結果如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可見，入模溫度相近約36℃的情況下，采用低收縮、高抗裂混凝土與基準混凝土澆筑的側墻結構溫度歷程近似，溫峰均為68℃左右，且溫峰之后約1.5d時，二者拆模后采取厚毛氈覆蓋保溫的措施均顯著減小了混凝土溫降速率，有利于其徐變性能發揮與抗裂性能的提高。分析側墻結構應變監測結果可知，在相近的溫度歷程下，相較于基準混凝土，采用低收縮、高抗裂混凝土澆筑時，側墻結構溫升階段膨脹變形增大了約1.3倍，在變形受到較強外約束（如下部先澆筑底板）的情況下可有效儲備膨脹預壓應力；更為重要的是，側墻結構溫降階段收縮變形大幅減小，16d齡期時降低率約35%，此時混凝土強度與彈性模量較高，因此顯著降低了收縮引起的拉應力與開裂風險，提高了結構混凝土的抗裂性能。拆模后對于側墻混凝土裂縫的觀測、統計情況也證實了上述監測結果，在分段長度16~25m的情況下，夏季高溫季節采用低收縮、高抗裂混凝土澆筑的區段，施工期收縮裂縫數量較同期采用基準混凝土的平均降低率超過90%，可以做到少裂甚至部分區段不裂，實施效果得到工程參建各方的認可。

4結論

（1）利用環境模擬箱試驗研究了實際變溫溫度歷程下，不同比例CaO與MgO膨脹組分復合摻入對城市軌道交通工程地下車站主體結構混凝土早期變形影響。試驗結果表明，CaO水化反應快、膨脹能大，用量越高，混凝土溫升階段膨脹越大；MgO具有延遲膨脹特性，用量越高，混凝土溫降階段收縮越小。綜合考慮變形與強度，復合摻入4%CaO+4%（110±10）s活性MgO可使混凝土溫升階段膨脹變形較基準混凝土增大約82%，溫降階段收縮變形較基準混凝土減小約17%，效果最佳。（2）采用鈣鎂復合膨脹技術設計了低收縮、高抗裂城市軌道交通工程地下車站主體結構側墻混凝土配合比，其工作性能、力學性能與耐久性能均滿足設計與施工要求。增加測試的混凝土56d齡期內的自生體積變形始終為正值，顯著提高了混凝土的抗裂性能。（3）將低收縮、高抗裂混凝土用于澆筑無錫地鐵4號線某地下車站主體側墻結構，并與基準混凝土的實施效果進行對比監測。結果表明，采用該低收縮、高抗裂混凝土后，在相近的溫度歷程下，側墻結構溫升階段膨脹變形增大了約1.3倍，溫降階段收縮變形降低約35%，顯著降低了高彈模時收縮引起的拉應力與開裂風險，提高了結構混凝土的抗裂性能。拆模后對于側墻混凝土裂縫的觀測結果證實了這一點，可為后續同類工程實施提供了重要借鑒與參考。

作者:陳松潔 單位:無錫地鐵集團有限公司建設分公司