淺談地鐵管片的表面龜裂現象

摘要: 通過對地鐵管片表面龜裂產生原因的初步分析, 提出了混凝土的表面碳化在短時間內就可以發生并引起表面收縮的觀點, 認為干燥收縮和碳化收縮是龜裂產生的主要原因,并提出了解決龜裂的思路和措施。
關鍵詞:地鐵管片;干燥收縮;碳化收縮;表面龜裂

0 前言
隨著隧道盾構施工技術從國外的引進, 地鐵管片首先在上海開始生產, 隨后國內的幾個大城市也相繼開始了地鐵管片的生產,拉開了我國地鐵現代化建設的序幕。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; ② 尺寸精度要求高; ③ 要求有很好的耐久性, 抗滲指標大于P12 。因此,在制作管片時,對鋼筋籠的質量要求、混凝土的質量要求以及模具的精度要求均相當高。
自從管片生產以來,就出現了一系列的問題, 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, 適當控制養護制度來避免, 但管片的表面龜裂卻似乎難以避免,嚴重影響管片的外觀質量。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 管片龜裂出現的特征
龜裂是屬于裂縫的一種,是一種微細裂紋。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 ], 呈現為縱橫交錯狀如龜殼紋樣的裂紋。雖然在初期肉眼品在經受干濕和冷熱交替的作用后,這種裂紋會由表面向縱深發展,而成為肉眼可見的裂縫。我們經?？梢姷揭恍┞访婧蛪Ρ诰陀羞@種現象。雖然龜裂在初始時只存在于表面,但仍會有發展成有害裂縫的可能,因此龜裂問題應引起足夠的重視和關注。
筆者曾對龜裂的出現情況進行了研究, 發現出現龜裂的情況大致如下:
① 管片在蒸養之后,入水池之前未出現龜裂(但延遲1～2 天入池仍會出現龜裂); ② 管片剛出水池時未出現龜裂,出水池后數小時或1～2 天后開始出現龜裂。龜裂程度較輕時需要用水濕潤才可見到; 經過一段時間后, 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, 筆者認為是由于裂紋的存在, 使得水化產物Ca (OH) 2 從裂紋處析出的結果。

2 龜裂產生的原因
龜裂產生的原因比較復雜,有膨脹的原因(一般會引起整體從內到外的破壞), 也有收縮的原因(一般出現在表面) 。筆者就管片龜裂的原因究竟是膨脹引起還是收縮引起, 進行了實驗: ① 將紅墨水滴在龜裂裂紋處(此時龜裂已經向縱深發展到了一定的深度), 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, 根據紅墨水的滲入位置,測量裂縫的深度。筆者發現該裂縫深度只有1～ 1. 5cm( 管片齡期為128 天, 管片保護層厚度為4. 5～5. 0cm) 。此裂縫為非整體性,屬表層裂縫, 應為收縮引起; ② 用酚酞的酒精溶液噴灑在新砸開的缺損部位,發現約0. 3mm 厚的表層不變色, 說明表層已被碳化。
以上實驗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。如果管片龜裂是由塑性收縮引起,那么龜裂只出現在易產生塑性收縮的外弧面(與外界環境接觸), 并且在剛脫模時就會存在龜裂, 而事實并非如此, 事實上管片的包括內弧面在內的六個外表面都存在著龜裂的現象,因此可認為此種龜裂與塑性收縮無關。筆者認為管片表面龜裂產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[ 2 ] 認為碳化收縮與干燥收縮共同作用可導致表面開裂和面層碳化。F. M. 李[1 ] 在其專著中談到了細裂紋與碳化收縮的關系,認為產生細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,并認為細裂紋一般產生于表面上。F. M. 李從碳化深度與裂紋深度相一致的實驗判斷細裂紋的產生與大氣中的碳化有著某種聯系,這一判斷是在裂紋剛產生不久尚未擴展時所測數據來確定的。筆者前面提到的實驗中,雖然管片碳化深度遠小于裂縫深度,但顯然可看出該裂縫是表面裂紋向縱深發展的結果, 與F1M1 李的判斷不相矛盾。
眾所周知,并不是只要產生收縮就會引起開裂,只有當混凝土的抗拉強度不足以抵抗收縮所產生的拉應力時才會產生開裂。而表面抗拉強度的發展往往滯后于收縮拉應力的發展。管片表面龜裂形成的基本機理是其表面抗拉強度不足以抵抗收縮所產生的拉應力而產生的裂紋。

3 關于混凝土的碳化
碳化的含義包括水化產物Ca (OH) 2 的碳化和其他水化產物(例如C -S-H 凝膠) 的碳化兩個方面[3 ] 。筆者認為這是混凝土碳化的兩個階段,首先是水化產物Ca (OH) 2 的碳化,然后當堿度下降到一定程度時, 其他水化產物(例如C -S-H 凝膠) 才開始碳化。
文獻[ 3] 報道, 混凝土碳化需要很長時間。筆者認為這里所說的很長時間, 是指第二階段的碳化(即其他水化產物如C -S -H 凝膠的碳化) 需要較長的時間才能發生,也是指碳化程度達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,其在數小時內就可能發生。并且會引起混凝土的表面收縮[1 ], 再加上干縮的疊加作用, 當混凝土本身的抗拉強度不足以抵抗收縮所產生的拉應力時,將導致混凝土的開裂,從而產生微細裂紋。
一般說來, 堿度越高, 碳化越慢[3 ～4 ] 。這一規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。因為混凝土的表面主要成份為Ca (OH) 2, 根據化學平衡原理, 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) 可減少龜裂的產生。
提高混凝土的整體堿度,可減慢混凝土內部的碳化速度。這是因為堿度提高, 即Ca (OH) 2 含量提高, 會延遲其他水化產物如C -S -H 凝膠的碳化, 因而會減慢混凝土內部的碳化速度。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度(特別是抗拉強度),更不利于裂紋的減少,而且還有可能加重龜裂的出現。我公司的生產實踐已證明了這一點,生產中改為不加粉煤灰之后,龜裂程度減輕很多。
筆者進行了如下實驗:用養護劑噴灑在剛脫模的管片(未經蒸養) 上的某一部位,定期觀察管片的情況。第二天就發現未噴的部位出現了龜裂,而噴養護劑的部位則未出現龜裂,以后一段時間觀察,情況仍然如此。筆者認為這一現象的原因是養護劑一方面阻隔了CO2 與管片表面的直接接觸, 另一方面也減少了水份的蒸發,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。可見表面龜裂與碳化有很大的關系。

4 龜裂的解決思路
筆者認為,管片產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,使龜裂的產生更趨容易。當然,管片表面抗拉強度相對不足,也是一個重要原因。正如前面所述,收縮拉應力的產生超前于表面抗拉強度的發展會引起裂紋,表明收縮是其主導原因。所以在解決龜裂方面,其思路應該是: ① 減少或避免收縮(干縮和碳化收縮) 所產生的影響; ② 采取措施使混凝土表面的抗拉強度發展超前于收縮拉應力的產生。
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有所不同。筆者認為避免或延緩龜裂的出現, 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, 例如噴養護劑等; ② 表面增強法, 使表面強度發展加快, 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 表面收縮補償法,以減少表面收縮,例如,使用含膨脹劑的復合脫模劑。此外還可選擇收縮小而早期強度高的水泥以及降低混凝土的塌落度等措施。

5 結論
(1) 管片表面龜裂是一種微細裂紋, 與一般工程所指的裂縫不同, 其在發展初期肉眼不可見,但隨著干濕和冷熱交替的作用,會發展成肉眼可見的有害裂縫。
(2) 碳化是產生微細裂紋的重要原因,碳化收縮和干燥收縮的共同疊加作用是導致管片產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就可以發生, 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。
(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
1 F. M. 李(英國) 著1 水泥和混凝土化學1 中國工業出版社,1966. 3
2 王鐵夢1 工程結構裂縫控制1 中國建筑工業出版社,2002. 1
3 沈威, 黃文熙, 閔盤榮編著1 水泥工藝學1 武漢工業大學出版社,1991. 7
4 王異,周兆桐主編1 混凝土手冊1 吉林科學技術出版社,1985. 10