XYPEX材料在地铁车站混凝土中的应用研究(鞠丽艳孟凡光等

1XYPEX材料在地铁车站混凝土中的应用研究鞠丽艳1孟凡光1董锋2杨洋3欧志刚3邱小佩3（1.上海申通地铁集团有限公司上海201103，2.上海建工集团基础公司上海201103，3.广州市泰迪斯固结补强材料有限公司广东广州510375）摘要：为满足地铁车站混凝土结构设计使用年限为100年的要求，控制混凝土早期裂缝和结构渗漏水，选用XYPEX材料应用于地铁车站混凝土，检验XYPEX材料对车站结构混凝土致密性、抗渗性和早期裂缝的控制及裂缝出现后自愈修复的效果。为今后解决混凝土的抗裂和渗漏问题，提高混凝土结构的耐久性提供可行性依据。关键词：XYPEX；地铁车站；抗渗；裂缝控制；自愈修复；耐久性上海的地下水位极高，一般地铁车站位于地表约20m以下，受地下水和周边潜水影响很大，当结构混凝土出现渗水、漏水时，渗漏对结构混凝土产生溶蚀、潜蚀和化学侵蚀的破坏直接影响结构混凝土的耐久性。为提高建成后地铁车站的安全使用性和耐久性，在经过仔细论证后，选择加拿大XYPEX材料在上海地铁10#线豫园站进行施工应用试验的研究。1XYPEX材料在地铁车站混凝土结构的应用意义10#线豫园站位于人民路以南的河南路段，下骑跨福佑路，为地下三层岛式车站，施工采用明挖顺作法施工。车站埋深23.6m，顶板覆土厚4.14m，车站主体部分建筑面积10206m2，车站防水等级为Ⅰ级。车站地质条件为高含水淤泥质土，地下水为承压水，通常在地表下3.0-8.0m，呈周期性变化，为城区高水区。2由于地铁车站采用叠合式衬砌结构，即地下连续墙维护结构通过钢筋与内衬结构混凝土叠合形成共同受力的永久性结构部分，以解决内衬的抗浮问题。因此，地铁车站的底板和侧墙无法采用外包式防水施工。为解决类似车站结构混凝土自防水问题和长远效果的耐久性，采用XYPEX水泥基渗透结晶材料加入到地铁车站混凝土中，借以提高混凝土的密实性、防水性、抗腐蚀性能和产生裂缝后出现渗水、漏水时的自愈修复效果，为达到提高混凝土的耐久性和减少后期地铁运营车站的治理难度和降低维修费用提供可行性的指导依据。2地铁车站混凝土设计要求及XYPEX材料的应用特性2.1上海地铁豫园站混凝土要求2.1.1选用低水化热低含碱量水泥（普硅42.5级）。2.1.2采用低水泥用量和双掺材料（粉煤灰＋矿粉）混凝土。2.1.3控制水胶比（水:水泥+双掺材料）≤0.45，结构混凝土强度不低于C30。本次试验选用的加拿大生产的XYPEX水泥基渗透材料。该材料自1942年发明以来，已在国外63个国家使用，于1993年引入中国，已在水利水电工程、地铁工程、桥梁、隧道和国家重大标志性工程中广泛使用。2.2XYPEX材料在混凝土中的渗透结晶特性2.2.1XYPEX材料在混凝土中具有遇水渗透结晶封闭自修复的作用，能改善并提高混凝土的抗渗性和密实性。通过改善混凝土的密实性，从而提高混凝土的抗腐蚀能力。2.2.2XYPEX材料在混凝土中，通过催化（激活）混凝土中的钙离子，生成枝蔓状的结晶体，结晶体充盈在混凝土的空隙（裂隙）中，使混凝土密实性增加，3提高抗渗能力，有效保护了混凝土和钢筋不被侵害蚀变。2.2.3由于XYPEX材料渗透结晶的催化功能具有重复性和长期性。当混凝土出现裂缝时，存在于混凝土中的催化剂被激活，使水与裂缝周边的钙离子生成络合钙离子的结晶体，结晶体的形成对渗水位置具有自修复的功能。修复裂缝一般在0.4mm，个别可大于0.4mm。这一特殊效果，可降低混凝土结构的后期渗漏维修的投资费用。2.2.4XYPEX材料的特性能有效解决叠合式结构车站的全包防水存在的问题。2.2.5XYPEX材料的渗透结晶自愈修复效果时间与缝的宽度和渗水量大小有关，以0.4mm缝隙观察，正常的修复时间一般在7～180天左右。3XYPEX材料应用施工试验效果豫园站主体结构共浇筑混凝土11089m3，共耗用XYPEX材料33.85T，XYPEX材料掺入量0.8%～0.98%。选用不同用量目的是观察掺入量的效果对比。现场应用试验是在室内试验和清华大学试验的基础上进行。室内试验时间是2006年8月～2007年3月，共采用8种不同级配的混凝土，共约156组试验。在取得室内试验结果后，经相关部门评审并确定现场试验参数，经设计认可后，于2007年7月30日～2007年10月23日进行现场主体结构混凝土车站的应用试验。3.1现场试验参数3.1.1XYPEX材料采用湿法加入法，在混凝土搅拌站掺加。3.1.2主体结构防水混凝土采用双掺级配(矿粉、粉煤灰)。3.1.3XYPEX材料掺入量为每立方混凝土用灰粉量为0.8%～0.98%（水泥+矿粉+粉煤灰）。43.1.4主体结构混凝土水胶比＜0.45.3.1.5南北端头采用萘系磺酸盐减水剂，标准段采用聚羧酸减水剂。3.2现场试验的效果观察措施3.2.1在主体结构拆模后（一般28天），立即对混凝土裂缝进行统计和素描，并做对应位置的照片留存。3.2.2对主体结构产生的裂缝进行定期跟踪观察，记录主体结构产生裂缝后的自愈修复效果，观察时间为1个月、3个月、4个月、18个月，并采用照片留存对比观察。3.3现场应用试验情况现场应用试验XYPEX混凝土主体结构浇筑次序：南端头-北端头-标准段，各段浇筑XYPEX混凝土方量如下表：段位浇筑混凝土(m3)掺入XYPEX材料用量（%）(kg)南端头9645.790.8北端头9775.70.8标准段14425.810.9853.3.1XYPEX混凝土浇筑后拆模的混凝土裂缝的初始状况表1上海地铁10#线豫园车站ＸＹＰＥＸ混凝土拆模后的裂缝统计表段位南端头北端头标准段备注注面积（m2）裂缝（条）方位面积（m2）裂缝（条）方位面积（m2）裂缝（条）竖向横向竖向横向竖向横向东面80263东面94781东面970101南面4171北面5262北面340西面80213西面9476西面97012顶板9105顶板941顶板1710底板9101底板941底板171041合计384120430217570028注：1、拆模时间28天，为双掺XYPEX混凝土，水胶比0.45。2、北端头底板因堆放材料及积水无法统计。3.3.2拆模后XYPEX混凝土裂缝特点主体结构混凝土经28天拆模后，XYPEX混凝土出现的裂缝明显少于常规混凝土，特别是主体结构顶板直接经受气候温差变化影响，拆模后裂缝明显减少，得到相应的控制。如：南端头拆模时间2007年7月，顶板面积910m2，仅出现5条裂缝；北端头拆模时间2007年10月，顶板面积941m2，未出现裂缝；标准段拆模时间2008年5月，顶板面积1710m2，未出现裂缝。说明XYPEX材料与混凝土中的胶凝材料在早期的水化过程中，对胶凝材料进行催化形成的钙离子络合物，不但有效改善混凝土的密实性，同时也改善混凝土结构的抗裂缝性。3.3.3通过观察混凝土结构裂缝的自愈修复效果根据拆模后的裂缝观察，裂缝的自愈修复效果详见表2、表36XYPEX材料混凝土结构拆模后在不同时段渗漏修复情况记录（2008、2、9～2009、1、18）表2XYPEX材料混凝土主体结构出现渗漏后的自愈修复情况记录表段位观察时间渗漏状况修复止渗状况备注南端头08.02.296处有明显渗水修复中08.4.29湿痕面积减小修复中掺入XYPEX量0.8%08.7.17湿痕面积明显减小，已有渗漏面完全干燥（见南端头照片3B1）修复中08.10.15渗漏面完全干燥，无渗漏现象。修复自修复时间约245天北端头08.2.2910处有明显渗水修复中08.4.30湿痕面积减小修复中08.7.7大部分渗漏面完全干燥（见照片北端头照片：北面B1、顶板19轴、东面、18B2东），修复中08.10.15渗漏面完全干燥，无渗漏现象修复自修复时间约245天标准段08.4.1720处有明显渗水修复中掺入XYPEX量0.98%08.5.19湿痕面积减小，其中99B1东顶板、13轴B3西等小渗漏面已干燥，无渗漏现象修复中08.07.07大部分渗漏面已干燥，无渗漏现象修复中08.10.15渗漏面完全干燥，无渗漏现象修复自修复时间约212天7表32009年1月18日XYPEX材料混凝土主体结构原渗漏部位自修复情况情况统计表站段南端头北端头标准段备注方位面积裂缝修复状况面积㎡裂缝修复状况面积㎡裂缝修复状况竖横竖横竖横东面80263已修复894781已修复897072已修复7南、北、标准段负1-3层修复中1修复中1南面4171已修复1南负2-3层西面80213494742已修复49703已修复3西负1-3层修复中北面5262已修复1340北端头负2-3层修复中1底板9109413已修复17103南端原施工缝渗漏现底板有淤泥北端2条为干缝标准段3条均为干缝修复中1顶板910559416已修复617104已修复4合计3841811430214125700109修复率%竖缝87.585.780横缝10075668通过混凝土不同时间的跟踪观察统计结果说明，拆模后出现的裂缝通过XYPEX材料的催化结晶作用，裂缝被结晶体充盈封闭达到自愈修复的目的。在对6～8个月自愈修复效果的观察，一般修复率在66～100%。（详见表3）3.3.4XYPEX材料对其他特性部位的自愈修复效果通过对混凝土出现的蜂窝、孔洞、钢支撑位、钢筋头、混凝土面渗的效果观测，XYPEX材料在混凝土中的催化作用在对上述部位都具有一定的修复作用。本次试验主体结构混凝土自修复作用反应时间较长部位在施工缝，这可能与施工缝的缝隙较宽需结晶修复时间过长有关。4现场应用试验的效果分析委托清华大学对掺XYPEX材料的混凝土进行了抗渗自愈试验和抗裂试验，试验结果说明如下：4.1加拿大XYPEX材料在混凝土中具有催化-渗透-结晶-封闭-修复裂缝的效果，能改善混凝土的密实性，有效降低和控制混凝土早期水化过程的干缩开裂，减少裂缝产生。4.2XYPEX材料在混凝土中经过18个月（约540天）的跟踪观察证明：XYPEX材料的催化作用具有长效和重复作用，对混凝土出现的裂缝具有不断激活不断自愈修复的作用效果。主体结构混凝土的自愈修复率在80%～87.5%，横缝的自愈修复率在66%～100%，平均为83%。清华大学水利水电工程系《XYPEX掺合剂自愈抗裂缝性能研究试验报告》从理论上验证加入XYPEX材料在同一级配混凝土中，28天试件比未加入的试件抗渗能力提高35%；56天试件比未加入的试件的抗渗能力提高64%。随时间延长渗透结晶效果越明显，抗渗效果越显著。94.3XYPEX材料在混凝土中的催化-渗透-结晶-封闭-自愈的功能效果。不但对裂缝具有明显的效果，同时对钢筋头、钢支撑位、蜂窝、孔隙都具有良好的修复效果。在观察期内，对于漏水量不大和潮湿面的上述部位都达到封闭止渗漏的效果。4.4通过对XYPEX材料的试验研究，说明XYPEX材料适用于不同类型、不同级配的混凝土；低水胶比混凝土；不同减水剂的使用。4.5通过对加入方法的对比试验，选用湿法加入，更易于控制质量，便于现场施工。4.6采用XYPEX材料混凝土做地下工程主体结构，不但对结构前期混凝土出现的裂缝能有效控制，且能明显提高混凝土的抗渗性。其具有渗透结晶自愈修复的功效，能极大和有效地降低运营地铁混凝土的渗漏治理难度和维修费用。XYPEX材料的结晶-封闭-自愈修复的功能，不但增强了混凝土结构抗侵害蚀变的能力，而且提高混凝土结构的耐久性。因此作为地下工程前期和后期混凝土的病害治理及地铁的运营安全考虑，无论在政治上、安全使用性和经济上的影响都具有十分重大的意义。附图：标准段7轴（B2东1）2008.4.10.17标准段7轴（B2东1）2009.01.17注：本试验在上海申通地铁集团有限公司委托曹迪光专家指导下进行。