1、管片裂缝问题及对策郑义彬 何国金 沈雅国杭州市政华浙地铁管片有限公司论文摘要针对目前管片普遍存在的混凝土裂缝问题，研究了管片裂缝的机理，采取了针对性的防控手段，防治管片混凝土的干缩裂缝、温差裂缝和塑性裂缝。关键词管片、裂缝、机理、对策正文一、 概述限制裂缝是保证砼制品质量的重要一环。地铁管片属钢筋砼预制产品，它将作为抗弯构件投入负载运行。众所周知，钢筋砼抗弯构件一般均带着裂缝工作，尤其像管片这样，配筋率较高，有能力阻挠裂缝的开展，更应允许裂缝的存在，以满足结构优化的要求，获取较好的技术经济效果。但是要注意，管片在正常负载运行中出现的裂缝，不得超过规定的宽度，以保证管片在设计规定的 100 年期
2、限内，不因水分的侵入造成钢筋的锈蚀。根据地铁工程环境的评定，设计方规定裂缝宽度不得超过 0.20mm。以上说的是管片在负载运行中的情况，而本文要研究的裂缝，属于另一种情况，指的是管片在出厂时就已经存在的原生裂缝。这种裂缝日后投入运行，会不会进一步恶化而超规呢？一般的看法是，这要视原生裂缝所处的位置而异，在砼受拉区是恶化的，在受压区是改善的，在受力很小的部位是维持原状的。最不利的情况，就是原生裂缝挨近危险截面。管片出厂时的裂缝对未来投入运行的出裂状态有重大影响，对原生裂缝必须严格限制。综合地铁公司技术规定、设计说明及国标 GB/T22082-2008 有关条款，我们可以将管片出厂时对原生裂缝的要
3、求解读如下：（一） 不得出现贯穿性裂缝。所谓贯穿性裂缝是指破坏了结构整体性的裂缝。 （注1）（二） 任何部位的裂缝宽度不得超过 0.20mm；宽度在 0.10.20mm 的裂缝须修补；（三） 内弧面不得出现裂纹。由于盾构机掘进安装时，相邻环的位置差转一个角度，因此，整环中的六种管片（封顶块，邻接块 1、2，标准块 1、2、3） ，每一种的内弧面都有可能受拉，因此要从严限制；同时，由于扇状配筋，内弧面配筋率最高，有足够条件扼制裂缝。内弧面上的龟裂和砂浆层的干缩裂缝不在此列，详见第（五）点；（四） 四个侧面的裂缝长度不得穿越止水槽，以防渗水；（五） 允许存在龟裂和砂浆层的干缩裂缝，但为了提高浅表的
4、质量和增进美观，应尽量减少。我公司经过了一段时间的试验和试制之后，于 08 年 6 月正式投产，至 08 年 12 月累计生产管片 2700 多环，合格率 100%；产品中很少发现裂缝，连浅表的水纹、色纹、龟裂和砂浆层的干缩裂缝都甚少发生；在随机抽样的抗弯力学性能试验中，全数达到设计要求的指标，并未发生有原生裂缝在试验荷载下拓展的情况。从这一阶段的生产来看，我们对裂缝的控制，符合了上述的 5 方面要求。二、 塑性裂缝指的是砼塑性阶段产生的收缩裂缝。管片从浇捣到出厂的全过程中，始终受到裂缝的威胁，而最早期的一批裂缝，就是产生于这个塑性阶段中。砼入模浇捣结束后，先前因振捣断裂离析的胶凝物质分子又逐
5、渐恢复交联，使砼内水分的迁移运动，逐渐困难，此时由于水泥水化和表面蒸发，造成表面失水，一时又得不到深层水分的迁移和补充，便可能出现表面干裂，由于砼尚有相当的塑性，缓解了干缩开裂的作用，导致裂缝短小，以龟裂的形式出现。如不及时洒水或喷雾补湿而进入蒸养，则形成永久裂缝，如继而浸水养护，则细缝中可渗出氢氧化钙，出水堆放养护后会逐渐碳化，一个月左右可见白色半透明碳酸钙填满裂缝，宽度约 0.1mm 左右。再探究一下，有没有比上述更早期的裂缝？我们发现，更早期的应不是裂缝，而是水纹。它是发育不全的裂缝，是一种隐性裂缝或准裂缝。这种水纹的成因可分析如下：更早期的砼因为具有更好的塑性，对于有缺水开裂趋向的裂缝
6、，能给予某钟程度的浆液补充。这种补充虽可以导致不开裂，但也补充得不充分，结果在成品表面留下了疏松的纹理。成品出厂时，如用水泼湿，则疏松纹理吸水较多，蒸养较慢，水纹立即显现。纹路形状斑驳，有些如古瓷器，有些如珊瑚，或环境中有污染因素，这些疏松纹理也会吸收杂质，染上颜色，呈褐色或兰、灰色，成为永不消失的色纹。以上分析的由失水干缩产生的塑性收缩裂缝的种种形态，也完成可以由温差收缩的原因同样生产。砼塑性阶段的温差收缩由水化热的温度梯度引起，砼深部热量集中、温度高，而表面散热快、温度低，引起热膨胀的差异、表面发生了相对收缩。塑性收缩裂缝，不论显性、隐性，宽度甚小，深度与 50mm 保护层相比，也微乎其微
7、，不必过分苛求。但它们毕竟是一种缺陷，多少影响到砼表面的致密性和匀质性，并影响美观；当成因欠明时，令人疑虑；此裂缝兄弟厂一度较多，引起我们的警惕，经持续检视，我公司仅偶有发现。究其原因，可能得益于若干方面措施，兹总结分析如下：（一） 对塑性砼表面喷雾补湿（夏季施工尤为重要） ；（二） 采用细度适当的水泥，不用细度极细的水泥；以减少早期水化热；（三） 适当增大用水量，提高坍落度到 5065mm；（四） 收水压光后尽快用塑膜盖覆严密，防止脱落及露角；以防砼表面过度蒸发和热量散失。三、 干缩裂缝上文所说的塑性收缩，也是一种干缩，但那是砼处于塑性阶段的干缩；这里所说的干缩裂缝，指的是砼固化后的干缩。这
8、是管片质量攸关的一种裂缝。探究裂缝的成因，首先探究干缩的成因，根据有关资料的分析，砼固化后，砼中水泥石遍布着胶孔和毛细孔，其中充满了水分子，当环境湿度相对较低时，水分向外蒸发散失，遂引起水泥石以及砼的宏观上的体积收缩。其次进一步分析，干缩何以会生成裂缝？干缩要生成裂缝，需要同时具备两个条件：一是，砼构件的收缩属于限制收缩，而不是自由收缩，自由收缩不会产生裂缝。管片属密集配筋的钢筋砼制品，限制收缩这一条件对管片永远具备；二是，砼收缩应变引起的拉力要超过砼的抗拉强度，砼才会开裂，成为裂缝。管片砼强度等级较高，但高的强度是逐渐形成的，在各个阶段，砼的抗拉强度和收缩应变都存在着谁胜谁负的问题，这就是干
9、缩裂缝或有或无，或严重或轻微的原因。上述分析还可以进一步具体到裂缝的间距和宽度。同上资料 （注 2） 指出，水泥石的最大干缩率为 4000 个微应变，即每 m 长度内可收缩 4mm，同时指出，砼的收缩率只及水泥石收缩率的十分之一左右，即砼每 m 长度内约收缩 0.4mm，设管片箍筋间距为170mm，则每 m 共有裂纹 条，裂宽= ；这正是我公司 07 年 310670.476月试制的管片的实测数据，理论的分析在这里得到了证实。干缩裂缝的成因既已明了，如何在生产中加以控制呢？我们的工作，首先就是在砼配合比的用水量（或水灰比）上做文章。既然干缩是由于砼的水分散失所引起，那就直接与砼本身可供散失的水
10、量多少有关，与砼配合比的用水量（或水灰比）有关。我们知道，砼中的水一是为了水化的需要，二是为了搅拌和浇捣时流动性的需要。这二种需要常常不一致。在空白砼的情况下，满足了工艺的需要，往往就超过了水化所需；在掺加了高效减水剂的情况下，却可以做到相反的结果，既满足了工艺上流动性的需要，却低于水化的需水量。现在先看第一种情况，那些超过水化所需的多余水量，就是以后散失蒸发的源泉和干缩的根源，必须加以限制。这里我们需要了解水化所需的水量是多少？对于硅酸盐水泥，人们常以水泥重量的 0.25 倍来估算，如果再把水化产物的胶孔水计算在内，则需水量应为 0.38，否则水泥不能完全水化。若超过 0.38，就是完全多余
11、的，有害的。因此，我们进行了大量的反复的试配验证，将水灰比选定在 0.38。 （按干砂、干碎石试配，不是按饱和面干砂或含水砂试配。 ）如何在生产操作中执行这个水灰比呢？最麻烦的是砂的含水率，她随着天气晴雨，储存日期和来货状态而变化，即使是有遮雨棚的堆场，也难以保持含水率的稳定，在堆场的各个方位，堆放着多种含水率各不相同的砂子。搅拌楼没有同位素跟踪装置，只能靠试验室有限的测定和搅拌工临场判断，时时调整用水量和补偿砂量。为了保险，我们以调整减水剂的掺量和测定砼坍落度作为补充手段。浇捣工很关心坍落度，过大时，收水时间太长，影响工序的进行和延长工作时间；过小时，操作困难，劳动强度大；都是他们不愿看到的
12、。他们要的是坍落度偏大而不太大，而我们技术部门就在合理的减水剂掺量上略偏多而不太多作为平衡。这样，虽然坍落度偏大了，但用水却未增加，也无法增加。现在我们来汇报第二种情况，即用水量低于水化的需水量的情况，当减水剂过量时，造成坍落度虽大，而水量却不足，就会早期缺水（前文提到的塑性收缩）和固化后失水，加剧干缩裂纹的发生。因为减水剂毕竟不是水，它使砼变稀，但却不能参与水泥的水化。上面说的是在减少用水量方面做文章，但这只是问题的一个方面，从干缩得以生成裂缝的另一个条件来看，还须努力做好砼强度发展和抑制收缩应变的文章。这方面最突出的就是抓好浸水养护。浸水养护是一个一举两得的环节，浸水之前，管片已有水化热及
13、蒸养热，正是表面水分剧烈散发之时，此时浸入水中，高湿度阻止了砼中水分的散发，降低了砼表面收缩应变的拉力；同时，为管片砼的水化补充了水分，利于砼表面抗拉强度的发展，角力的天平向抗裂的一方倾斜，有力阻止了裂缝的生成。工艺规定的浸水养护是七天，但我们因为水养池较大，一有可能就延长水养期，一般都在十天左右，长者达半个月。在限制干缩裂缝方面，我们还注意到高效减水剂品种的挑选。减水剂品种的不同，一般认为只与减水率有关，再者与含碱量有关，至于与砼收缩率有何关系，常容易忽略；我们则予以重视。常用的高效减水剂，例如萘系高效减水剂等，被称为第二代减水剂，国内不少管片厂都在用，我们注意到它们的“收缩率比”可高达 1
14、35%，而被称为第三代减水剂的聚羧酸系高效减水剂，其最高“收缩率比”不超过 100%，仅次一项，相比之下即可缩小裂缝宽度三分之一左右，不但可使原来超规的裂宽缩小为合格，还有可能因收缩应变的减小而让砼的抗拉强度占上风，从而阻止了裂缝的出现。因此，我们正式生产后一律选用聚羧酸系高效减水剂。试生产时用萘系高效减水剂，裂缝数量很多，宽度 0.07mm 左右，虽属合格，但不理想，而正式生产后裂缝很少，这也是一个例证。要控制干缩裂缝，光靠某一单种手段是不够的，生产实践中各种因素错综复杂，很难说哪一种手段对应减少了哪一处裂缝。我们就是采取一切可以采取的手段，各个手段都可能取得一定效果，综合起来作用就大了，这
15、也许是我公司管片裂缝较少的原因。四、 温差裂缝胶凝材料水化要放热，蒸汽养护则是人为的热处理，后续工序还有浸水养护和堆场养护，全过程冷冷热热知多少！因此，温差也像干缩一样总缠着管片不放。热胀冷缩引起的裂缝不可轻视！我们认为“温差”包含两方面涵义，一是空间上的，即管片本身不同位置的温度差异，最主要的是砼内、外温度差异；另一是时间上的，管片温度随时间推移而变化。这种时空因素交错往往使温差裂缝变得令人难以捉摸。我们主要从下列几方面来防止温差裂缝：（一） 减小蒸汽养护的热胀和温度如果是盛夏热天，交货期不急的话，最好是不蒸养；为了脱模周转，蒸养是不得已而为之的。我们采用低调的蒸养制度，即蒸养要达到的强度是
16、安全拆模的起码强度。具体做法是：长静停（T） 、慢升温（S） 、低恒温（H ） 、慢降温（J ） ；在秋季，室温20左右时，我们采用 T 为 2h，S-2h（升速 15/h） ；H-50，3h；J-1h。低调蒸养在防止温差裂缝方面起两个作用：1、防热胀。长静停是为了获得防热胀的初始结构强度，慢升温及低恒温则都是降低热胀程序；2、低温升。为了减小蒸养之后的降温幅度，即缩小温差。（二） 采用真空吸盘脱模上述低调蒸养，从蒸养过程管片的“度时积”来说， 度时积 = h，数值是较低的。其结果是脱模强度不高。205503()()1260如用机械方法脱模起吊，容易破损。我们学习先进的经验，购置了两台真空吸盘
17、机，解决了这个问题。（三） 缩小下池前后的温差下池前后是管片温度突变的一关。温差可达 20-30，虽然此时砼的结构发育尚处于早期，对温差开裂具有一定的塑性补偿作用，但也不能掉以轻心。我们还是采取水温监测，管片静停的办法，尽量缩小温差，必要时对管片进行淋水降温。因水池太大，蒸汽加湿不可行。缩小温差的工作仍不理想，亟待设法改进。（四） 采用水化热较缓释放的水泥水泥细度太细水化热释放较集中，提高了温升，因此选用细度较适中的水泥，这一点，与前文所述的减少干缩的要求相吻合。（五） 掺加粉煤灰，降低水化热夏季我们掺加 20%的级粉煤灰（F） ，对降低水化热有较好效果。粉煤灰还具有二次水化、增强后期强度的良
18、好作用。对 28d 后的后期裂缝具有补偿收缩的性能，因而可以改善后期裂缝。结语：我公司研究了管片裂缝的机理，采用了针对性的防控手段，主要是防止干缩裂缝、温差裂缝和塑性裂缝；方法是多样的，有的方法也许作用不大，但也很可能是无害的。我们比较小心翼翼，偏于安全，偏于保守，目的在于挖空心思、规避风险，可能确有不少措施做对了，因此取得较好的效果。但由于砼裂缝的成因复杂，例如还有化学减缩、碳化收缩等，以及长期的性能尚未触及；冬季的施工还刚刚开始，许多未知的领域，有待继续地探索，以进一步提高地铁管片的质量，为杭州地铁事业作出贡献。主要参考文献注 1 潘家铮就三峡大坝裂缝答新华社记者问 国务院新闻部 2003 年 6 月 10 日注 2 吴中伟 张鸿直著 膨胀混凝土 第二章
