地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法
技术领域
本发明涉及工程建造技术领域，更具体地说，是涉及地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法。
背景技术
地铁工程是现代化城市重要的市政交通工程，承载着大客流的城市居民出行重任，其工程质量是百年大计。
在富水地区，特别是深圳等沿海城市，地下水对混凝土具有腐蚀作用，直接影响结构的安全性和耐久性，产生水平或竖直的有害裂缝，而这些有害裂缝存在进一步地影响到地铁等地下工程的质量。即使在交付使用时能够勉强通过工程验收，但是在运营阶段，特别是水位达到设计水位标高后，仍然重复发生结构渗漏，施工单位需支付巨额堵漏费用，单价是施工阶段的数倍以上，给施工总包单位造成很大的经济负担，降低工程效益，同时造成的社会负面影响，威胁到乘客的安全和便利。
受到年度温差与混凝土干燥收缩产生的温度应力与收缩应力作用，混凝土主体结构易产生横向的水平裂缝与竖直裂缝等有害裂缝，尤其是在混凝土浇筑的早期，温度应力与收缩应力较大，变化较快，对混凝土浇筑体的影响较大。而在现有技术中，混凝土的配合比只考虑强度与渗透性指标，不考虑预拌混凝土的抗裂性能，使得混凝土早期在温度应力与收缩应力的共同作用下开裂，造成地下工程漏水情况严重。
以上不足，有待改进。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法。
本发明技术方案如下所述：
地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法，根据混凝土浇筑体的结构特征，计算、分析所述混凝土浇筑体的温度应力与收缩应力，确定所述混凝土浇筑体温度应力与收缩应力的影响因子，根据所述影响因子改变混凝土配合比。
上述的地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法，根据环境、施工工艺、混凝土配合比及养护条件确定标准混凝土配合比，所述混凝土浇筑体的温度应力影响因子大于收缩应力影响因子时，自所述标准混凝土配合比中减少硅酸盐水泥用量。
上述的地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法，根据环境、施工工艺、混凝土配合比及养护条件确定标准混凝土配合比，所述混凝土浇筑体的收缩应力影响因子大于温度应力影响因子时，自所述标准混凝土配合比中减少矿渣粉掺量。
上述的地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法，底板的温度应力影响因子小于收缩应力影响因子。
进一步的，底板的温度应力影响因子为0.48，收缩应力影响因子为0.52。
再进一步的，所述底板的混凝土胶凝材料中，磨细矿渣粉占比不超过15.00％。
上述的地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法，边墙的温度应力影响因子小于收缩应力影响因子。
进一步的，边墙的温度应力影响因子为0.35，收缩应力的影响因子为0.65。
再进一步的，所述边墙的混凝土胶凝材料中，磨细矿渣粉占比不超过10.00％。
上述的地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法，顶板与中板的温度应力影响因子均大于收缩应力影响因子。
进一步的，顶板与中板的温度应力影响因子为0.51，收缩应力的影响因子为0.49。
再进一步的，所述顶板与所述中板的混凝土胶凝材料中，磨细矿渣粉占比不超过16.00％。
上述的地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法，底板的所述混凝土配合比,：水胶比为0.38-0.40，砂率为43.00％，粉煤灰掺量为20.00-25.00％，矿渣粉掺量为10.00-15.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。
上述的地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法，边墙的所述混凝土配合比：水胶比为0.38-0.40，砂率为43.00％，粉煤灰掺量为25.00-30.00％，矿渣粉掺量为0.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。
上述的地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法，顶板与中板的所述混凝土配合比：水胶比为0.38-0.40，砂率为43.00％，粉煤灰掺量为20.00-25.00％，矿渣粉掺量为10.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。
根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明将地铁等地下工程的主体结构细分成不同结构部位，分析计算每一个结构部位受温度应力与收缩应力影响造成开裂的比重，分别得出温度应力影响因子与收缩应力影响因子，并根据二者的比重对现有混凝土配合比进行差异化修正，平衡混凝土的强度指标、抗渗指标及抗裂指标，以满足不同结构混凝土抗裂的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为地铁常规标准站的底板结构示意图。
图2为地铁常规标准站的边墙结构示意图。
图3为地铁常规标准站的顶板结构示意图。
其中，图中各附图标记：
1.底板；2.边墙；21.施工缝；3.腋角；4.地下围护结构；5.顶板。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
地铁车站结构混凝土差异化配合比确定方法，根据混凝土浇筑体的结构特征，计算、分析混凝土浇筑体的温度应力与收缩应力，得出混凝土浇筑体温度应力与收缩应力的影响因子，根据影响因子改变混凝土配合比。
本发明将地铁等地下工程的主体结构细分成不同结构部位，分析计算每一个结构部位受温度应力与收缩应力影响造成开裂的比重，分别得出温度应力影响因子与收缩应力影响因子，并根据二者的比重对现有混凝土配合比进行差异化修正，平衡混凝土的强度指标、抗渗指标及抗裂指标，以满足不同结构混凝土抗裂的要求。
混凝土浇筑体在浇筑完成后14天内，因混凝土水化热产生温度变化，随着时间变化，因混凝土的性质和结构导致混凝土浇筑体各部分出现结构温差与降温，形成温差应力，该温差应力同时影响着混凝土的收缩应力。同时，由于混凝土因含水量的变化自收缩，产生收缩应力，该收缩应力会根据混凝土浇筑体的龄期的增长而逐步释放，在混凝土浇筑体成长初期，尤其是混凝土浇筑体浇筑后2-7天内，将释放近80％的收缩应力，混凝土浇筑体内所含的水分变化率较大，体积变化速度较快，混凝土的收缩率高，收缩应力大。因此，在混凝土浇筑体早期成形过程中，温度应力与收缩应力是影响混凝土开裂的重要影响因素，在考虑混凝土的抗裂性能时，需要在此基础上建立混凝土抗裂性能指标，这是设计抗裂混凝土配合比的基本原则：
(1)低收缩率：混凝土的收缩率直接表示混凝土的收缩应力大小，在早期混凝土未固化成形时，强度较低，低收缩率的混凝土是减少开裂的基本要求；
(2)低开裂性：开裂性表明混凝土的干缩情况，地铁车站结构混凝土配置要求需具备早期低开裂性能；
(3)低泌水性：泌水率高会引起混凝土浇筑捣固后密实性能差，骨料少，浆液多，含水量多，水分变化率大，收缩应力大，造成收缩开裂，故低泌水性是地铁车站结构混凝土需具备的早期低开裂性能；
(4)高工作性：在低水胶比时，良好的工作性意味着具有良好的施工性能，尤其是泵送性能。
细分地铁车站与区间的主体结构，将其分为不同的结构部位，以常规标准车站的结构特征分析，混凝土主体结构包括底板1、边墙2、顶板5及中板，其厚度比约为1:0.9:0.96:0.96，混凝土结构的不同，从而导致影响混凝土开裂的主要因素不同。
由于混凝土水化热产生温度变化，导致混凝土浇筑体各部分的温度不同，形成结构温差与降温，从而产生温度应力。因此，温度应力受混凝土里表温度与降温速率的影响，在同样环境、施工工艺、混凝土配合比、养护条件等等情况一致时，温度应力与混凝土水化热引起的最高温升有直接关系。同时，混凝土浇筑体的厚度影响着温度传递，是导致里表温差与降温速率的原因之一。综上所述，混凝土浇筑体的绝热温升与板厚影响着温度应力的大小。
混凝土含水量变化导致的自收缩产生了收缩应力，收缩应力造成混凝土浇筑体发生形变，而混凝土浇筑体的形变受到外部约束作用，因此，在同样环境、施工工艺、混凝土配合比、养护条件等等情况一致时，收缩应力与结构受约束条件有直接关系。
根据温度应力与收缩应力的影响因素，对底板1、边墙2、顶板5及中板逐一进行分析。
(1)底板1
从温度应力角度分析，底板1的厚度相对较厚，且只有板面单面散热，混凝土水化热引起的最高温升较大，结构部位温差较大，因此，温度应力对底板1的开裂性能影响较大。
从收缩应力角度分析，因地铁车站与区间埋置较深，地基条件好，意味着底板1的外部约束应力大，如图1所示，底板1在与边墙2的连接处，除了受到基面的平面约束外，还受到地下围护结构4侧墙的竖向约束，尤其是腋角3部位，更容易产生开裂。因此，收缩应力对底板1的混凝土开裂性能影响较大。
综上所述，底板1的混凝土配合比需要综合考虑温度应力与收缩应力的双重因素。
在混凝土生长早期，未受到年度温差的影响，温度应力最大影响因素为水化热放热，而混凝土浇筑体在早期2-7天内会释放结构近80％的收缩应力。因此，在混凝土生长早期，收缩应力对混凝土开裂性能的影响应略大于温度应力。
根据上述分析，底板1的温度应力影响因子约为0.48，收缩应力影响因子约为0.52。
(2)边墙2
从温度应力角度分析，边墙2的厚度相对较小，与底板1相同只有板面单面散热，混凝土水化热引起的最高温升相对不大，结构部位温差不大，因此，温度应力对边墙2的开裂性能影响较小，较容易通过保温或降温等养护手段达到防裂的目的。
从收缩应力角度分析，如图2所示，边墙2侧面受到地下围护结构4的约束，在底部受到先浇筑的底板1和中板的板面约束，外部约束应力较大，尤其是靠近腋角3的底部与边墙2分段中部的施工缝21处易形成开裂，因此收缩应力对边墙2的混凝土开裂性能影响较大。
综上所述，在混凝土生长早期，收缩应力较温度应力对混凝土开裂性能的影响较大。
根据上述分析，边墙2的温度应力影响因子约为0.35，收缩应力的影响因子约为0.65。
(3)顶板5与中板
从温度应力角度分析，顶板5与中板的厚度相对较小，且有板面与模型面双面散热，混凝土水化热引起的最高温升相对较小，部位结构温差较小，因此，温度应力对顶板5与中板的开裂性能影响较小，较容易通过保温或降温等养护手段达到防裂的目的。
从收缩应力角度分析，如图3所示，顶板5与中板都是支模浇筑，模板属于弱约束，但是顶板5、中板与边墙2连接处受到先浇筑的边墙2的约束，以及侧面地下围护结构4的约束，综合两处约束，需适量考虑收缩应力对顶板5与中板的混凝土开裂性能的影响。
综上所述，在顶板5与中板的混凝土配合比需要综合考虑温度应力与收缩应力的双重因素。
在混凝土生长早期，收缩应力较温度应力对混凝土开裂性能的影响大。
根据上述分析，顶板5与中板的温度应力影响因子约为0.51，收缩应力的影响因子约为0.49。
根据影响因子，得出不同部位结构的混凝土开裂性能影响因素，从而调整混凝土配合比，有针对性地减小温度应力或收缩应力的影响性，平衡二者对混凝土开裂性能的影响。
当温度应力为主要影响因素时，需减少混凝土胶凝材料中的硅酸盐水泥的用量，即，减少混凝土水化热现象，降低水化热引起的最高温升，以降低里表温差，减小温度应力。相对应的，增加粉煤灰与矿渣粉的掺量，提高混凝土收缩率，增大收缩应力，令收缩应力与温度应力趋近平衡。
当收缩应力为主要影响因素时，需减少混凝土胶凝材料中的矿渣粉的掺量比例，即，降低混凝土的收缩率，减小收缩应力。相对应的，增加硅酸盐水泥的用量，增加水化热现象，增大温度应力，令收缩应力与温度应力趋近平衡。
因此，在底板1的混凝土胶凝材料中，磨细矿渣粉占比不超过15.00％；边墙2的混凝土胶凝材料中，磨细矿渣粉占比不超过10.00％；顶板5与中板的混凝土胶凝材料中，磨细矿渣粉占比不超过16.00％。
在同样的设计强度等级与抗渗等级相同的要求下，即，对混凝土强度与抗渗性能要求相同时，地铁不同部件结构，不同约束条件，不同工艺，使得影响混凝土早期开裂性能的因素不同，通过上述分析及大量的试验与检测，设计具有差异化的混凝土配合比，平衡温度应力与收缩应力对混凝土开裂性能的影响，使得现场的混凝土结构质量得到改善，进一步防止混凝土开裂，达到防水防渗的目的。
根据现有技术对地下主体结构混凝土材料及配合比具有一致性的要求，如国家标准《大体积混凝土施工标准》中，4.2.1规定水泥的选择及其质量等，混凝土的抗渗性能也有相对应的标准与要求，如在《地下工程防水技术规范》中，4.1.4限定了地铁车站结构混凝土的设计抗渗等级要求，在此不进行赘述。
在此基础上，根据环境、施工工艺、混凝土配合比及养护条件确定标准混凝土配合比，该标准混凝土配合比使用同一个强度和抗渗等级的标准，没有考虑不同结构部位中不同的抗裂要求，即不考虑各部位结构中温度应力与收缩应力的受力情况。
在现有技术与标准要求的基础上，本发明经过实地试验与检测后，优选得出混凝土配合比如下所示。
底板1的混凝土配合比：水胶比为0.38-0.40，砂率为43.00％，粉煤灰掺量为20.00-25.00％，矿渣粉掺量为10.00-15.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。
边墙2的混凝土配合比：水胶比为0.38-0.40，砂率为43.00％，粉煤灰掺量为25.00-30.00％，矿渣粉掺量为0.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。
顶板5与中板的混凝土配合比：水胶比为0.38-0.40，砂率为43.00％，粉煤灰掺量为20.00-25.00％，矿渣粉掺量为10.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。
实施例一：
底板1的混凝土配合比：水胶比为0.38，粉煤灰掺量为25.00％，矿渣粉为10.00％，砂率为43.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。假定容重为2360.00kg/m3，其中，胶凝材料用量为400kg/m3，水泥含量为260.00kg/m3，粉煤灰含量为100.00kg/m3，矿渣粉含量为40.00kg/m3，砂含量为777.00kg/m3，碎石含量为1030kg/m3，拌合水含量为146.00kg/m3。
实施例二：
底板1的混凝土配合比：水胶比为0.38，粉煤灰掺量为25.00％，矿渣粉掺量为10.00％，砂率为43.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。假定容重为2360.00kg/m3，其中，胶凝材料用量为400.00kg/m3，水泥含量为240.00kg/m3，粉煤灰含量为100.00kg/m3，矿渣粉含量为60.00kg/m3，砂含量为777.00kg/m3，碎石含量为1030.00kg/m3，拌合水含量为146.00kg/m3。
实施例三：
底板1的混凝土配合比：水胶比为0.40，粉煤灰掺量为25.00％，矿渣粉掺量为10.00％，砂率为43.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。假定容重为2360.00kg/m3，其中，胶凝材料用量为383.00kg/m3，水泥含量为249.00kg/m3，粉煤灰含量为96.00kg/m3，矿渣粉含量为38.00kg/m3，砂含量为783.00kg/m3，碎石含量为1040.00kg/m3，拌合水含量为147.00kg/m3。
实施例四：
底板1的混凝土配合比：水胶比为0.40，粉煤灰掺量为20.00％，矿渣粉掺量为15.00％，砂率为43.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。假定容重为2360.00kg/m3，其中，胶凝材料用量为383.00kg/m3，水泥含量为249.00kg/m3，粉煤灰含量为77.00kg/m3，矿渣粉含量为57.00kg/m3，砂含量为783.00kg/m3，碎石含量为1040.00kg/m3，拌合水含量为147.00kg/m3。
实施例五：
边墙2的混凝土配合比：水胶比为0.38，粉煤灰掺量为30.00％，矿渣粉掺量为0.00％，砂率为43.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。假定容重为2360.00kg/m3，其中，胶凝材料用量为400.00kg/m3，水泥含量为280.00kg/m3，粉煤灰含量为120.00kg/m3，矿渣粉含量为0.00kg/m3，砂含量为777.00kg/m3，碎石含量为1030.00kg/m3，拌合水含量为146.00kg/m3。
实施例六：
边墙2的混凝土配合比：水胶比为0.40，粉煤灰掺量为28.00％，矿渣粉掺量为0.00％，砂率为43.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。假定容重为2360.00kg/m3，其中，胶凝材料用量为383.00kg/m3，水泥含量为275.00kg/m3，粉煤灰含量为108.00kg/m3，矿渣粉含量为0.00kg/m3，砂含量为783.00kg/m3，碎石含量为1040.00kg/m3，拌合水含量为147.00kg/m3。
实施例七：
边墙2的混凝土配合比：水胶比为0.40，粉煤灰掺量为25.00％，矿渣粉掺量为0.00％，砂率为43.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。假定容重为2360.00kg/m3，其中，胶凝材料用量为383.00kg/m3，水泥含量为287.00kg/m3，粉煤灰含量为96.00kg/m3，矿渣粉含量为0.00kg/m3，砂含量为783.00kg/m3，碎石含量为1040.00kg/m3，拌合水含量为147.00kg/m3。
实施例八：
顶板5与中板的混凝土配合比：水胶比为0.38，粉煤灰掺量为25.00％，矿渣粉掺量为10.00％，砂率为43.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。假定容重为2360.00kg/m3，其中，胶凝材料用量为400.00kg/m3，水泥含量为260.00kg/m3，粉煤灰含量为100.00kg/m3，矿渣粉含量为40.00kg/m3，砂含量为777.00kg/m3，碎石含量为1030.00kg/m3，拌合水含量为146.00kg/m3。
实施例九：
顶板5与中板的混凝土配合比：水胶比为0.40，粉煤灰掺量为20.00％，矿渣粉掺量为10.00％，砂率为43.00％，外加剂掺量为1.50-2.00％。假定容重为2360.00kg/m3，其中，胶凝材料用量为383.00kg/m3，水泥含量为268.00kg/m3，粉煤灰含量为77.00kg/m3，矿渣粉含量为38.00kg/m3，砂含量为783.00kg/m3，碎石含量为1040.00kg/m3，拌合水含量为147.00kg/m3。
底板1的实施例具体如下表所示：
边墙2的实施例具体如下表所示：
顶板5与中板的实施例具体如下表所示：
上述所有实施例中，砂与碎石均含有少量水分，约7kg/m3，其水分计入配合比中，算入假定容重。
其中，外加剂的选择、质量及应用技术，应符合现行国家标准《混凝土外加剂》GB8076和《混凝土外加剂应用技术规范》GB 50119的有关规定。除此之外，应满足如下条件：
(1)外加剂的品种与掺量应进行试验后确定；
(2)明确外加剂对硬化混凝土收缩等性能的影响系数；
(3)耐久性要求较高或寒冷地区的大体积混凝土浇筑体，需采用引气剂或引起减水剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
