淺談地鐵管片的表面龜裂現(xiàn)象

 

隨著隧道盾構(gòu)施工技術(shù)從國外的引進(jìn),地鐵管片首先在上海開始生產(chǎn),隨后國內(nèi)的幾個大城市也相繼開始了地鐵管片的生產(chǎn),拉開了我國地鐵現(xiàn)代化建設(shè)的序幕。地鐵管片是一種特殊的水泥制品,其特殊之處主要在于:①外形與一般水泥制品不同,為瓦片狀,由六片拼裝成一環(huán);②尺寸精度要求高;③要求有很好的耐久性,抗?jié)B指標(biāo)大于P12。因此,在制作管片時,對鋼筋籠的質(zhì)量要求、混凝土的質(zhì)量要求以及模具的精度要求均相當(dāng)高。

 

自從管片生產(chǎn)以來,就出現(xiàn)了一系列的問題,如澆注成型過程中的泌水、浮漿問題,蜂窩、麻面、以及最常見的裂縫問題等。有些裂縫(例如干縮引起等)相對較容易通過減少泌水和浮漿量,適當(dāng)控制養(yǎng)護(hù)制度來避免,但管片的表面龜裂卻似乎難以避免,嚴(yán)重影響管片的外觀質(zhì)量。本文通過對地鐵管片表面龜裂原因的分析,提出了筆者的一些看法,以期起到拋磚引玉的目的。1管片龜裂出現(xiàn)的特征

 

龜裂是屬于裂縫的一種,是一種微細(xì)裂紋。在混凝土表面干燥的情況下,其肉眼不可見(寬度小于

 

0.02mm),用水濕潤時則可見[1],呈現(xiàn)為縱橫交錯狀如龜殼紋樣的裂紋。雖然在初期肉眼品在經(jīng)受干濕和冷熱交替的作用后,這種裂紋會由表面向縱深發(fā)展,而成為肉眼可見的裂縫。我們經(jīng)�？梢姷揭恍┞访婧蛪Ρ诰陀羞@種現(xiàn)象。雖然龜裂在初始時只存在于表面,但仍會有發(fā)展成有害裂縫的可能,因此龜裂問題應(yīng)引起足夠的重視和關(guān)注。

 

筆者曾對龜裂的出現(xiàn)情況進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)龜裂的情況大致如下:

 

①管片在蒸養(yǎng)之后,入水池之前未出現(xiàn)龜裂(但延遲1～2天入池仍會出現(xiàn)龜裂);②管片剛出水池時未出現(xiàn)龜裂,出水池后數(shù)小時或1～2天后開始出現(xiàn)龜裂。龜裂程度較輕時需要用水濕潤才可見到;經(jīng)過一段時間后,其程度稍重時則可見到裂紋處呈白色的紋路,而非裂紋處顏色較深,普遍呈黑色;嚴(yán)重時則可見到明顯的龜殼紋樣的裂縫。至于裂紋處呈白色,而非裂紋處呈黑色的原因,筆者認(rèn)為是由于裂紋的存在,使得水化產(chǎn)物Ca(OH)2從裂紋處析出的結(jié)果。

 

2龜裂產(chǎn)生的原因

 

龜裂產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜,有膨脹的原因(一般會引起整體從內(nèi)到外的破壞),也有收縮的原因(一般出現(xiàn)在表面)。筆者就管片龜裂的原因究竟是膨脹引起還是收縮引起,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn):①將紅墨水滴在龜裂裂紋處(此時龜裂已經(jīng)向縱深發(fā)展到了一定的深度),使之不可見,但隨著時間的延長,混凝土制沿裂縫滲入,讓其滲入足夠的時間24(30min)后,用鑿子鑿開管片,根據(jù)紅墨水的滲入位置,測量裂縫的深度。筆者發(fā)現(xiàn)該裂縫深度只有1～1.5cm(管片齡期為128天,管片保護(hù)層厚度為4.5～5.0cm)。此裂縫為非整體性,屬表層裂縫,應(yīng)為收縮引起;②用酚酞的酒精溶液噴灑在新砸開的缺損部位,發(fā)現(xiàn)約0.3mm厚的表層不變色,說明表層已被碳化。

 

以上實(shí)驗(yàn)證明管片表面龜裂是由收縮引起,那么是何種收縮引起的呢?混凝土收縮主要有:自生收縮、塑性收縮、干燥收縮、碳化收縮等[2]。一般說來,龜裂與自生收縮無關(guān)。如果管片龜裂是由塑性收縮引起,那么龜裂只出現(xiàn)在易產(chǎn)生塑性收縮的外弧面(與外界環(huán)境接觸),并且在剛脫模時就會存在龜裂,而事實(shí)并非如此,事實(shí)上管片的包括內(nèi)弧面在內(nèi)的六個外表面都存在著龜裂的現(xiàn)象,因此可認(rèn)為此種龜裂與塑性收縮無關(guān)。筆者認(rèn)為管片表面龜裂產(chǎn)生的最大原因是干燥收縮和碳化收縮的共同作用所引起。

 

文獻(xiàn)[2]認(rèn)為碳化收縮與干燥收縮共同作用可導(dǎo)致表面開裂和面層碳化。F.M.李[1]在其專著中談到了細(xì)裂紋與碳化收縮的關(guān)系,認(rèn)為產(chǎn)生細(xì)裂紋的原因不僅僅是干燥收縮引起,碳化作用也是一個重要的原因,并認(rèn)為細(xì)裂紋一般產(chǎn)生于表面上。F.M.李從碳化深度與裂紋深度相一致的實(shí)驗(yàn)判斷細(xì)裂紋的產(chǎn)生與大氣中的碳化有著某種聯(lián)系,這一判斷是在裂紋剛產(chǎn)生不久尚未擴(kuò)展時所測數(shù)據(jù)來確定的。筆者前面提到的實(shí)驗(yàn)中,雖然管片碳化深度遠(yuǎn)小于裂縫深度,但顯然可看出該裂縫是表面裂紋向縱深發(fā)展的結(jié)果,與F1M1李的判斷不相矛盾。

 

眾所周知,并不是只要產(chǎn)生收縮就會引起開裂,只有當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時才會產(chǎn)生開裂。而表面抗拉強(qiáng)度的發(fā)展往往滯后于收縮拉應(yīng)力的發(fā)展。管片表面龜裂形成的基本機(jī)理是其表面抗拉強(qiáng)度不足以抵抗收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力而產(chǎn)生的裂紋。

 

3關(guān)于混凝土的碳化

 

碳化的含義包括水化產(chǎn)物Ca(OH)2的碳化和其他水化產(chǎn)物(例如C-S-H凝膠)的碳化兩個方面[3]。筆者認(rèn)為這是混凝土碳化的兩個階段,首先是水化產(chǎn)物Ca(OH)2的碳化,然后當(dāng)堿度下降到一定程度時,其他水化產(chǎn)物(例如C-S-H凝膠)才開始碳化。

 

文獻(xiàn)[3]報(bào)道,混凝土碳化需要很長時間。筆者認(rèn)為這里所說的很長時間,是指第二階段的碳化(即其他水化產(chǎn)物如C-S-H凝膠的碳化)需要較長的時間才能發(fā)生,也是指碳化程度達(dá)到一定的深度需要較長的時間。但是混凝土的表面碳化[Ca(OH)2的碳化]并不需要很長的時間,其在數(shù)小時內(nèi)就可能發(fā)生。并且會引起混凝土的表面收縮[1],再加上干縮的疊加作用,當(dāng)混凝土本身的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時,將導(dǎo)致混凝土的開裂,從而產(chǎn)生微細(xì)裂紋。

 

一般說來,堿度越高,碳化越慢[3～4]。這一規(guī)律是對混凝土的整體碳化而言的,混凝土的表面碳化并非如此。因?yàn)榛炷�土的表面主要成份為Ca(OH)2,根據(jù)化學(xué)平衡原理,堿度[Ca(OH)2含量]越高,越有利于Ca(OH)2的碳化。因此,混凝土的表面堿度越高,則表面的碳化越快,收縮也越大,越易產(chǎn)生裂紋(特別是在早期)。因此,降低混凝土表面的堿度(特別是早期)可減少龜裂的產(chǎn)生。

 

提高混凝土的整體堿度,可減慢混凝土內(nèi)部的碳化速度。這是因?yàn)閴A度提高,即Ca(OH)2含量提高,會延遲其他水化產(chǎn)物如C-S-H凝膠的碳化,因而會減慢混凝土內(nèi)部的碳化速度。那么究竟是堿度高好還是堿度低好呢?筆者認(rèn)為要辯證地對待這一問題。在避免或減輕管片的表面龜裂方面,不管混凝土的整體堿度如何,都希望降低混凝土的表面堿度。

 

粉煤灰固然對降低混凝土的整體堿度有很大作用,然而它卻并不能降低混凝土的表面堿度,其中的原因主要在于:①粉煤灰在早期的活性較低,不能消耗大量的水化產(chǎn)物Ca(OH)2,不能阻止大量的Ca(OH)2向混凝土表面析出;②即使其活性增大后可消耗大量的Ca(OH)2,但仍不能阻止未被消耗的Ca(OH)2向表面遷移和富集。因此摻加粉煤灰對減輕表面龜裂的作用不大,而且摻粉煤灰之后,會降低混凝土的表面強(qiáng)度(特別是抗拉強(qiáng)度),更不利于裂紋的減少,而且還有可能加重龜裂的出現(xiàn)。我公司的生產(chǎn)實(shí)踐已證明了這一點(diǎn),生產(chǎn)中改為不加粉煤灰之后,龜裂程度減輕很多。

 

筆者進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn):用養(yǎng)護(hù)劑噴灑在剛脫模的管片(未經(jīng)蒸養(yǎng))上的某一部位,定期觀察管片的情況。第二天就發(fā)現(xiàn)未噴的部位出現(xiàn)了龜裂,而噴養(yǎng)護(hù)劑的部位則未出現(xiàn)龜裂,以后一段時間觀察,情況仍然如此。筆者認(rèn)為這一現(xiàn)象的原因是養(yǎng)護(hù)劑一方面阻隔了CO2與管片表面的直接接觸,另一方面也減少了水份的蒸發(fā),既延緩或避免了碳化,又減少了干燥收縮,因而延緩或避免了龜裂的出現(xiàn)�？梢姳砻纨斄雅c碳化有很大的關(guān)系。

 

4龜裂的解決思路

 

筆者認(rèn)為,管片產(chǎn)生龜裂的主要原因是兩個因素:干燥收縮和碳化收縮。這兩者的作用相互疊加,使龜裂的產(chǎn)生更趨容易。當(dāng)然,管片表面抗拉強(qiáng)度相對不足,也是一個重要原因。正如前面所述,收縮拉應(yīng)力的產(chǎn)生超前于表面抗拉強(qiáng)度的發(fā)展會引起裂紋,表明收縮是其主導(dǎo)原因。所以在解決龜裂方面,其思路應(yīng)該是:①減少或避免收縮(干縮和碳化收縮)所產(chǎn)生的影響;②采取措施使混凝土表面的抗拉強(qiáng)度發(fā)展超前于收縮拉應(yīng)力的產(chǎn)生。

 

龜裂是一種較特殊的表面裂紋,與一般工程上所指的裂縫不同,它們產(chǎn)生的原因也不太一致,因此在處理龜裂與處理一般裂縫時其方法上應(yīng)有所不同。筆者認(rèn)為避免或延緩龜裂的出現(xiàn),主要方法有以下幾個方面:①表面屏蔽法,既阻隔CO2與表面的直接接觸,延緩或避免表面碳化,又減少干縮,例如噴養(yǎng)護(hù)劑等;②表面增強(qiáng)法,使表面強(qiáng)度發(fā)展加快,例如摻杜拉纖維處理表面;③表面堿度降低法,以減少碳化的影響,例如用草酸處理表面;④表面收縮補(bǔ)償法,以減少表面收縮,例如,使用含膨脹劑的復(fù)合脫模劑。此外還可選擇收縮小而早期強(qiáng)度高的水泥以及降低混凝土的塌落度等措施。

 

5結(jié)論

 

(1)管片表面龜裂是一種微細(xì)裂紋,與一般工程所指的裂縫不同,其在發(fā)展初期肉眼不可見,但隨著干濕和冷熱交替的作用,會發(fā)展成肉眼可見的有害裂縫。

 

(2)碳化是產(chǎn)生微細(xì)裂紋的重要原因,碳化收縮和干燥收縮的共同疊加作用是導(dǎo)致管片產(chǎn)生表面龜裂的主要原因。

 

(3)混凝土表面的碳化主要是Ca(OH)2的碳化,這一過程在短時間內(nèi)就可以發(fā)生,并不需要很長的時間,而且會引起混凝土表面的收縮,是產(chǎn)生表面龜裂的一個重要原因。

 

(4)摻加粉煤灰能降低混凝土的整體堿度,但在降低混凝土的表面堿度方面不起作用,對減輕表面碳化的作用不大,而且有可能加重龜裂的出現(xiàn)。

 

(5)在一定程度上解決管片的表面龜裂的主要辦法是避免或減少收縮的影響,特別是減少碳化的影響。參考文獻(xiàn)

 

1F.M.李(英國)著1水泥和混凝土化學(xué)1中國工業(yè)出版社,1966.3

 

2王鐵夢1工程結(jié)構(gòu)裂縫控制1中國建筑工業(yè)出版社,2002.1

 

3沈威,黃文熙,閔盤榮編著1水泥工藝學(xué)1武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1991.7

 

4王異,周兆桐主編1混凝土手冊1吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1985.10