上海地铁豫园站使用 XYPEX 掺合剂研究报告​


上海 10 号线豫园站位于人民路以南的河南路段,为地下三层岛式车站,站台 中心处底板埋深 23.63 米,主体部分总建筑面积 10206 平方米。承水压力埋深在 地表下 3.0 ~8.0 米,地质条件为高含水淤泥质土。叠合式衬砌结构,使底板和 侧墙的外包防水层无法进行,因此防水设计以钢筋结构混凝土自防水层为基础, 防水等级为一级。采用“整体论”方法,综合考虑到设计、施工、使用、管理、 维修等要求和措施,经过试验对比选用 XYPEX 掺合剂加入混凝土浇筑,利用 XYPEX 特性达到钢筋混凝土自防水的要求。

 

施工方、设计方、申通集团、十号线六标项目部四方施工后总结:XYPEX 对混 凝土的自我修复有明显效果,结构力学性能满足要求,提高混凝土的耐久性,适 用于恶劣环境下的混凝土,和易性好,操作简便,达到设计预期效果,制定的防 水方案和程序是可行的。


1 XYPEX 材料应用于混凝土主体结构的工程意义

 

1.1 工程概况

10 号线豫园站位于人民路以南的河南路段,下骑跨福佑路,车站为南北方向 布置,为地下三层岛式车站,车站内设有 4 个出入口,3 个风井,2 个预留出入口 和连通口。施工采用明挖顺作法施工。

车站顶板覆土厚 4.14m,站台中心处底板埋深 23.63m,车站站中里程 SK18+ 425.572,主体结构外包尺寸长 153.2m,站台有效长度 138m,宽 23.7m,标准段 20.6m。 标准段围护结构为 1000mm 厚地下墙,地下三层内衬墙厚度为 550mm,地下一、二层 内衬墙厚度为 350mm,车站两头设有两个扩大端头井(盾构工作井)。车站主体部 分总建筑面积 10206m2,其中地下一层 3421m2,地下二层 3421m2,地下三层 3364 m2

1.2 结构概况 车站主体结构设置诱导缝与横向垂直施工缝,防水设计以钢筋结构混凝土自防

水层为基础,混凝土标号一般为 C30,抗渗标号≥S8-S10,防水等级为一级。该站位 于市中心近邻南京路,地质条件为高含水淤泥质土。

1.3 XYPEX 材料在地铁车站混凝土主体结构工程应用的意义 上海地铁建于长江口的冲积层中,地下水状况为承压水,水头压力通常埋深在

地表下 3.0m~8.0m  3.0m~10.0m,地下水呈周期性变化。上海地铁车站多为叠 合式衬砌结构,地下连续墙围护结构通过钢筋与内衬结构混凝土叠合形成共同受力 的永久结构部分,以解决内衬的抗浮问题。由于地铁车站的叠合式结构设计特点, 地铁车站的底板和侧墙的外包防水层无法进行,因此地铁车站混凝土结构处于高含水环境,同时承受地下水的有害侵蚀的影响 ,因此地铁车站混凝土主体结构的耐 久性问题是实现设计 100 年的使用目标的重大问题。

1.4 XYPEX 材料混凝土应用试验研究的指导思想依据 根据上海申通地铁集团有限公司的《地下工程钢筋混凝土结构耐久性设计施工

建设指导意见》(2007、3、5),“为实现轨道交通的‘百年大计要求’上海轨道交 通地下工程钢筋混凝土结构的耐久性设计应采用‘整体论’方法,综合考虑到设计、 施工、使用、管理、维修等要求和措施,重点在于预先设防,做到耐久性设计的根 本措施和附加措施的有机结合,保证工程设计使用寿命的前提下费用最少,实施全 寿命经济核算的精神要领。”本次室内试验进行了共 8 种不同级配混凝土掺入 XYPEX 与不掺入的对比试验,分别进行了高水泥级配、低水泥级配混凝土的试验;中、低 水胶比的混凝土试验;常规级配砼和双掺剂(矿粉、粉煤灰)级配砼的试验;聚羧 酸高效减水剂的试验;结合施工方法进行干法与湿法加入工艺的对比试验,共约 288 组。同时将上海新龙华搅拌站制备用的混凝土水泥、沙、石材料,寄往北京委 托高等院校进行自愈修复试验。为跟踪自愈修复效果在现场对浇捣后拆模的混凝土 结构进行不同时段的裂缝统计和拍照跟踪观察;通过室内和现场施工试验,探讨 XYPEX 材料在地铁车站混凝土主体结构中的应用,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、减少后期地铁运营车站的治理难度和维修费用提供了可行性的指导依 据。

2  XYPEX 材料的性能及应用特性

本次试验选用北京城荣防水材料有限公司生产的,加拿大专有技术—XYPEX 泥基渗透结晶材料(简称 XYPEX 材料)。该材料自 1942 年发明以来,在国外 63  国家使用已有 60 多年的应用历史。XYPEX 材料于 1993 年引入中国,已广泛应用于 水利水电工程、交通隧道工程、地铁轨道交通工程和国家重大标志性工程中。XYPEX 材料直接加入混凝土的施工已在香港地铁、澳门沿海赌场工程建设中取得良好的效 果和应用技术资料。为改善混凝土的密实性、抗腐蚀性,使混凝土出现裂缝产生渗 水漏水时具有自愈修复功能,对延长混凝土的耐久性提供了理论依据和实践效果。

XYPEX 材料在混凝土中的渗透结晶特性:

2.1 XYPEX 材料在混凝土中具有遇水渗透结晶作用,能改善、提高混凝土的抗

渗性和密实性,有效改善混凝土的抗腐蚀能力。

2.2 XYPEX 材料是通过催化结晶的作用原理,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中的空隙(缝隙),改善了混凝土的密实状态, 提高抗渗能力,从而有效地抵抗有害侵蚀介质对钢筋的锈蚀和混凝土损害破坏。

2.3 XYPEX 材料对结构渗漏裂缝具有自愈修复的功能,此功能在混凝土中具有 重复性和长期性作用,能及时有效产生结晶封闭。从而控制和降低混凝土的病害出 现,提高混凝土的耐老化性能。

当结构混凝土受外界条件影响产生裂缝(≤0.4mm)时,在水分子介质条件的 激活下对混凝土中的钙离子进行再次催化形成络合物钙离子结晶,有效充填缝隙, 从而使混凝土产生自愈修复。这种催化作用具有重复性和长期性,有效地控制混凝 土病害的产生,同时对降低地铁后期维修费用和治理难度起到良好的作用。

2.4 XYPEX 材料在混凝土中展示出的重复结晶止水止渗的功能,为设计叠合式 混凝土结构车站的防水和耐久性提供可行性依据。对能否取消车站结构中顶板、底 板的附加防水层,为节省建设期间的工序和工期,减少投资提供了参考性意见。

2.5 XYPEX 材料的自愈修复作用与缝的宽度和渗水量大小有关,一般初始自愈 修复时间在 7~180 天左右。

3 施工应用混凝土及 XYPEX 材料使用的设计要求

 

3.1 选用低水化热低含碱量水泥(普硅 42.5 

3.2 为减少初期开裂和温度收缩产生的裂缝,采用低水泥用量和双掺材料(粉 煤灰+矿粉)混凝土,控制水胶比(水:水泥+双掺材料)≤0.45,胶凝材料用量符 合《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T10-95),结构混凝土强度不低于 C30。

3.3 砂、石骨料符合《地下工程防水技术规范》GB50108-2001 和《地下防水 工程质量验收规范》GB50208-2002。

3.4 粉煤灰为Ⅱ级灰,符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰GB1596-2005) 的要求。矿粉应符合 DB31/T35-1998《混凝土和砂浆用粒化高炉矿渣微粉 DG/TJ08-501-2008《粒化高炉矿渣微粉在水泥混凝土应用技术规程

3.5 防水混凝土采用 XYPEX 水泥基渗透结晶型防水材料,掺量依据室内实验选 用量在 0.8%~0.89%。

3.6 夏季施工尽量采用夜间浇筑,拆模后采用人工雾水养护 2-3 天。


地铁豫园站主体结构自 2007  6 月至 2008  4 月完成全站主体结构混凝土的 浇筑。施工过程和建成后经过全年气候、温差、风雨季节的影响,特别是经历了 2008 年上海严寒降雪的冬季气候环境的考验。根据对浇筑后的 XYPEX 混凝土的效 果跟踪分析,本次施工试验具有如下效果:

3.8 主体结构混凝土拆模后的渗漏情况表征

3.8.1 拆模后主体结构混凝土面出现局部出现少量的竖向、横向裂缝,顶板端 头仅出现 1 条斜向裂缝。

3.8.2 钢支撑位渗漏水、钢筋头有渗漏水现象。

3.8.3 混凝土局部因浇捣不密实,产生蜂窝孔隙渗漏水。

3.8.4、施工缝个别部位出现渗漏水现象。

拆模后主体结构混凝土因加入 XYPEX 材料,结构混凝土出现的裂缝明显少于常 规混凝土。结构顶板部位混凝土虽然直接经受气候温差变化影响,裂缝出现的数量 和长度都得到一定控制,如南端头拆模时间 2007  7 月,顶板面积 910m2,仅出现 5 条裂缝(XYPEX 加入百分量为 0.8%);北端头拆模时间 2007  10 月,顶板面积

941 m2,未出现裂缝(XYPEX 加入百分量为 0.8%;标准段拆模时间 2008  5 月,


顶板面积 1710m2,未出现裂缝(XYPEX 加入百分量为 0.98%)。XYPEX 材料混凝土出 现的裂缝明显少于普通混凝土,说明 XYPEX 材料在混凝土中与水泥产生催化结晶形 成络合离子,有效改善混凝土的密实性,从而起到减少和控制混凝土结构裂缝的产 生效果。

3.10 XYPEX 材料混凝土对主体结构裂缝的自愈修复效果

XYPEX 材料混凝土经过不同时间的跟踪观察,结构混凝土渗漏水裂缝通过 XYPEX 材料在混凝土中的催化作用——产生络合钙离子结晶——通过水介质作用在 裂缝渗透结晶使其逐渐产生自愈修复的效果。南端头有 6 处明显渗漏水,经过 8  月的跟踪观察缝面基本上干燥,无湿迹。北端头原 10 处明显渗水位置,经过 8  月的跟踪观察,湿水位置基本干燥无湿迹。标准段原 20 处明显渗水部位,经过 6 个月的跟踪观察,渗水面基本上干燥,无湿迹。说明经过 XYPEX 材料重复催化、随 水渗透结晶作用,混凝土的钙离子络合物结晶体逐渐将渗水裂缝充盈封闭,使混凝 土达到自愈和自我修复效果的目的。在跟踪观察中,XYPEX 材料对于主体结构混凝 土中≤0.4mm 的裂缝,基本上达到结晶修复的效果,同时对某些≥0.4mm 的裂缝和 结构板的斜向裂缝都表现出自愈修复的效果。

3.11 XYPEX 材料混凝土对其它渗漏部位的自愈修复效果

根据 2009  1  17 日对主体结构混凝土中出现的蜂窝、孔洞、钢支撑位、钢 筋头、混凝土表面潮湿的修复效果观察,经过 XYPEX 材料在混凝土中的催化——络 ——结晶反应,混凝土对潮湿、流水的孔洞、蜂窝、钢支撑位、钢筋头的渗漏水 部位具有一定的修复功效,主要表现为漏水面渐小、变干燥。对施工缝的自愈修复 作用,时间相对较长一些,这可能与施工缝的宽度相对较大有关。

4 XYPEX 材料在地铁混凝土主体结构应用试验成果及分析

 

通过室内和现场应用试验及清华大学的试验研究获得的数据说明 XYPEX 材料对地铁混 凝土主体结构具有催化——渗透——结晶——封闭——自愈修复的效果,对实现地铁工程 百年大计具有现实的指导意义。XYPEX 材料应用试验工程取得如下成果:

4.1 XYPEX 材料在混凝土中具有催化——渗透——结晶——封闭的效果,能提高混凝 土密实性,有效降低和控制混凝土早期干缩开裂,减少混凝土结构裂缝。如南北端头浇筑 面积分别为 910m2  941 m2XYPEX 材料的掺入量为胶凝材料总量的 0.8%,南端头仅有 5 条裂缝,北端头未见裂缝;标准段 XYPEX 的掺入量为胶凝材料总量的 0.98%,未出现裂缝。 说明通过 XYPEX 材料,在催化作用下产生的络合离子对混凝土早期抗裂性有良好的作用, 取得较好的工程实际效果。

4.2 XYPEX 材料对混凝土的催化作用具有长期持久的效果。通过对 XYPEX 材料混凝土 渗水裂缝 18 个月(约 540 天)的自愈修复观察,主体结构混凝土竖缝的自愈修复率在 80%~ 87.5%,平均为 83.8%。横缝的自愈修复率在 66%~100%,平均为 83%。自愈修复较慢的施 工缝,可能与施工缝的宽度有关。

根据北京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》成 (2007.12),室内的试验结果从理论上验证加入 XYPEX 材料(0.8%)的混凝土与同一级配 的混凝土进行抗渗试验:28 天龄期的试件,加入 XYPEX 材料的试件比未加入的试件抗渗性 能提高约 35%;56 天龄期的试件,加入 XYPEX 材料的试件比未加入的试件抗渗性能提高约 64%。说明 XYPEX 材料中渗透结晶的活性材料在混凝土中产生的结晶体随龄期的增长,抗渗 能力的效果越显著。

4.3 XYPEX 材料在混凝土中的催化结晶效果不但对裂缝的自愈具有修复效果,同时对 钢筋头、钢支撑位、蜂窝、孔隙都具有良好的修复效果。其在混凝土中的长期、重复作用


效果,对后期混凝土出现渗漏水时能起到及时封闭密实的作用,有效节省运营中地铁渗漏 的治理费用。由于自愈修复及时,有效控制渗漏,不但提高混凝土抵抗有害介质侵蚀的能 力,同时提高混凝土自身结构的耐久性,并有效降低后期运营中地铁混凝土结构病害的治 理难度和治理费用。

4.4 通过试验使用 XYPEX 材料分别对不同级配的混凝土;混凝土中高、低水泥用量; 选用低水胶比混凝土;萘系磺酸盐减水剂和聚羧酸减水剂等一系列试验,说明 XYPEX 材料 与其上述试验均具有一定的相宜性。同时试验结果反映:聚羧酸减水剂混凝土与 XYPEX  凝土的抗压强度高于萘系磺酸盐减水剂混凝土的抗压强度 20%。

4.5 通过应用试验:预先稀释 XYPEX 材料制备成浆体加入搅拌槽车内的方法,更易于 现场质量的控制。本次应用制定 XYPEX 材料的加入操作要求及质量管理,为今后的推广施 工提供可行性操作参考依据。

4.6 从地铁设计、施工、使用、管理、维修等综合要求考虑,以地铁从建设到运行实 施的整体寿命的总经济核算,采用 XYPEX 材料混凝土不但对结构前期混凝土的开裂能实施 有效控制和提高混凝土的抗渗性,同时其具有渗透结晶自愈修复的功效,能极大和有效地 降低运营中地铁混凝土的渗漏治理难度和维修费用。由于 XYPEX 材料的自愈修复功能增强 了混凝土结构的耐久性,对地铁主体结构前期和后期的病害治理及地铁的运营安全考虑, 无论从经济上还是政治上的影响都具有十分重大的意义。本次的室内与室外应用试验可为 业主、设计提供参考性研究依据。