地下室超長墻板裂縫成因及控制

1、地下室超長墻板裂縫成因及控制摘要：根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB50010-2010第8.1.1條，現(xiàn)澆式地下室墻板僅30米需設(shè)置伸縮縫，當(dāng)存在可靠的技術(shù)措施時可適當(dāng)放大伸縮縫間距。在一些大型工程條件下，對超長結(jié)構(gòu)混凝土的需求遠(yuǎn)超30米，若處理措施存在缺陷，勢必對建筑工程的耐久造成一定影響。在各類大型場館和生產(chǎn)設(shè)施的需求下，在追求建筑工程力與美的要求下，在保證建筑地下結(jié)構(gòu)功能性前提下，地下室外墻必須嚴(yán)格控制其裂縫產(chǎn)生。 根據(jù)混凝土特征，將裂縫成因共分為兩個大類：應(yīng)力裂縫和構(gòu)造裂縫，從其不同的成因來分析解決地下室超長外墻裂縫，達(dá)到使用功能目標(biāo)。本文結(jié)合無錫某會展場館建設(shè)經(jīng)驗，通過理論分析結(jié)論有效控制

2、缺陷。關(guān)鍵詞：二維熱傳導(dǎo) 應(yīng)力裂縫 構(gòu)造裂縫首先，從其結(jié)構(gòu)方面分析地上結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)存在的本質(zhì)性差別。地上結(jié)構(gòu)由于比較方便地設(shè)置變形縫；框架結(jié)構(gòu)特征存在柔性變形特點等因素，樓面超長混凝土產(chǎn)生裂縫不必通過高代價措施能夠得到控制，產(chǎn)生的影響也較小。如設(shè)置雙柱僅縮小有限空間，結(jié)構(gòu)成型保持良好。但地下結(jié)構(gòu)由于沿海地區(qū)有豐富的地下水資源，三類粘土側(cè)壓力等外界因素共同作用下，地下外墻必須承受外力荷載和水壓滲透多方面因素影響。又因地下外墻為封閉結(jié)構(gòu)，自由伸縮空間幾乎不存在，外墻防水在沒有十足可靠時，勢必會產(chǎn)生漏水現(xiàn)象，水滲透過外墻混凝土，對混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕作用又會大大減少建筑結(jié)構(gòu)耐久年限。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)

3、計規(guī)范，當(dāng)采用下列措施時，伸縮縫間距可適當(dāng)放大：采取減小混凝土收縮或溫度變化措施；采用預(yù)應(yīng)力或改善配筋率措施；采用低收縮混凝土材料，并配合跳倉、后澆帶、控制縫等方法并加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)措施。但上述措施在實踐中并未出現(xiàn)良好的控制效果，且未考慮到如溫度變化、應(yīng)力荷載、構(gòu)施等因素影響。參考其他發(fā)達(dá)國家混凝土設(shè)計相關(guān)規(guī)范，并未對伸縮縫間距作嚴(yán)格要求，因此借鑒國外規(guī)范，說明在分析完善裂縫成因?qū)Σ扇♂槍Υ胧┖螅芽p能夠得到有效控制。故有必要對此展開討論，對裂縫控制有重要意義。1. 裂縫成因1.1應(yīng)力裂縫1.1.1動、靜荷載 地下室外墻土帶來的側(cè)壓力和地下水側(cè)壓力作用是主要的恒荷載，均布壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力持久作用下，墻

4、板混凝土存在緩慢徐變過程，若超過鋼筋混凝土抗拉強(qiáng)度，則短時間內(nèi)能出現(xiàn)裂縫導(dǎo)致質(zhì)量缺陷。另外地下室內(nèi)存放有各類設(shè)備，如水泵、風(fēng)機(jī)或其他大型設(shè)備產(chǎn)生的震動，相對于恒荷載來說破壞力更大，特別是微震?；炷羶?nèi)顆粒間凝固程度不盡相等，震裂顆粒間的膠粘也會形成有規(guī)則裂縫。1.1.2其他荷載 也可以理解成人為設(shè)置荷載或是次內(nèi)力。比較典型的有預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力在超靜定結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的次內(nèi)力。普遍情況下，墻板內(nèi)設(shè)置的預(yù)應(yīng)力為溫度裂縫控制用的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，均勻分布在墻板兩側(cè)。在遇垂直方向其他剪力墻或是柱時，張拉變形量不均勻?qū)е鲁霈F(xiàn)初期人為裂縫，為不可見裂縫，在建筑使用期間逐步顯現(xiàn)。其他荷載還包括上部結(jié)構(gòu)自重帶來的作用，上

5、部結(jié)構(gòu)不斷施加，筏板的不均勻沉降牽引作用下，墻板內(nèi)部產(chǎn)生剪力導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫。此類裂縫普遍為豎向，特殊情況為垂直方向，普遍為約45度斜向裂縫。1.1.3沉降裂縫 此沉降裂縫與上述自重引起的墻面裂縫不同，由于建筑物整體自重沉降時產(chǎn)生，較上述自重沉降裂縫產(chǎn)生時間相對緩慢。在建筑物達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后可自然消除。裂縫顯現(xiàn)狀態(tài)與自重沉降想似。 自重沉降和整體沉降可理解為一次過程和時間過程，以時間作為主要的區(qū)分界限，其作用后果相似，但控制措施不同，必須區(qū)別展開分析。根據(jù)實踐經(jīng)驗來看，前者引起的裂縫約占80%。1.1.4溫度裂縫 溫度不斷的變化產(chǎn)生的應(yīng)力是極大的，甚至超過荷載應(yīng)力，產(chǎn)生的破壞是巨大的。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)

6、設(shè)計規(guī)范第4.1.8條給定的取值可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到10.6kj/m*h*c，有此可見能量是巨大的。從混凝土澆筑到產(chǎn)生1個標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，然后在內(nèi)外側(cè)溫度不同情況下，混凝土收漲不同產(chǎn)生的無規(guī)則裂縫，特殊情況為“回”字形裂縫。此類裂縫因其產(chǎn)生機(jī)理，只能完全通過加大經(jīng)濟(jì)投入解決。1.1.5收漲裂縫 混凝土的硬化過程就是水泥中活性成分作用下的一個凝固過程，在凝固過程中因環(huán)境和養(yǎng)護(hù)措施的變化而產(chǎn)生體積變化。經(jīng)理論結(jié)合實踐實測，混凝土水中養(yǎng)護(hù)體積產(chǎn)生微膨脹，在炎熱干燥環(huán)境下養(yǎng)護(hù)凝固產(chǎn)生肉眼能夠分辨的收縮。1.2構(gòu)造裂縫1.2.1節(jié)點構(gòu)造裂縫 墻柱節(jié)點因其構(gòu)造原因，收漲程度必定不一致，在應(yīng)力作用下墻柱連接節(jié)點

7、極易出現(xiàn)裂縫。墻體拐角位置由于其相互約束，應(yīng)力作用類似于墻柱節(jié)點，裂縫成因相同。1.2.2保護(hù)層裂縫 保護(hù)層表面裂縫隨著厚度的增加而增加，但因保護(hù)層本身作用又不得無限制減薄。當(dāng)出現(xiàn)表面裂縫后，混凝土內(nèi)部裂縫成型并存在薄弱通道，在水壓作用下形成貫通，對結(jié)構(gòu)危害較大。1.2.3配筋率（鋼筋直徑） 鋼筋的配筋率對于結(jié)構(gòu)承載力來說至關(guān)重要，保證結(jié)構(gòu)的使用安全后，利用相同的配筋率來控制直徑，相對較小直徑的鋼筋在相同配筋率的情況下能夠有效達(dá)到控制裂縫的效果。土對墻的側(cè)壓力分為水平方向的均布荷載和垂直方向的遞減荷載，較小的直徑在同一水平面上的手里更為均勻。若表面出現(xiàn)裂縫，較小的直徑也能夠有效化解拉應(yīng)力。綜合

8、上述裂縫成因分析認(rèn)為，應(yīng)力裂縫因不可避免的特征，可以采取施工措施控制減少，暫無有效手段杜絕；構(gòu)造裂縫又可認(rèn)為是設(shè)計中的缺陷，可以采取截面改變或是增加輔助材料手段避免甚至杜絕。成因分析后，可以逐一對其采取“抗”“放”“調(diào)”手段應(yīng)付，以達(dá)到減少甚至杜絕的目的。當(dāng)前主流設(shè)計對混凝土墻板裂縫僅在設(shè)置措施縫和設(shè)置外防水方式解決，在施工恰當(dāng)?shù)那闆r下，可以避免表面滲漏現(xiàn)象，但內(nèi)部裂縫仍然存在。為避免“治標(biāo)不治本”，結(jié)合實踐工程項目經(jīng)驗，分別針對成因制定以下措施方案。2. 抗：對于墻面裂縫有效控制手段之一，目前我們通常使用的措施主要有建立預(yù)應(yīng)力，對溫差和收縮產(chǎn)生的應(yīng)力抵抗起到積極作用；纖維混凝土可以提高表面抗

9、拉力；維持混凝土表面溫差在較小范圍避免裂縫產(chǎn)生。預(yù)應(yīng)力對混凝土應(yīng)力的抵抗作用較為明顯，可以通過結(jié)構(gòu)計算作統(tǒng)一簡單設(shè)置，采取拉力增強(qiáng)膠體粘結(jié)性，屬于簡單可行且較為經(jīng)濟(jì)的措施之一。技術(shù)較為成熟，使用廣泛，結(jié)論明確，不再深入探討。 2.1纖維混凝土 在混凝土中參加纖維是在引進(jìn)國外抗裂技術(shù)的一項措施，纖維混凝土能夠有效抵抗表面裂縫。因其在混凝土中呈現(xiàn)不規(guī)則性，對各種方向的裂縫均有控制作用。在無錫某會展工程中，設(shè)計要求添加1.8kg/m3的聚丙烯纖維后，施工成效與該項目一期工程相比有明顯改善。但其也有被動性的特點，不能主動抵抗裂縫的產(chǎn)生，但可以被動控制已出現(xiàn)的裂縫不再擴(kuò)張。結(jié)合實際工程經(jīng)驗，分析纖維混凝

10、土的工作原理。在裂縫成因分析中提到，混凝土保護(hù)層厚度在墻板中是一個難以平衡的節(jié)點，在需要保證鋼筋不被碳化腐蝕的情況下保證混凝土表面不至于產(chǎn)生透水裂縫。利用鋼纖維混凝土正好可以彌補(bǔ)，在保證水下環(huán)境5cm保護(hù)層厚度時表面保持完整。在鋼筋混凝土中加入纖維，主要荷載的傳遞可以由鋼筋承受，活荷載和雜力由纖維承受，共同作用混凝土的完整性。纖維混凝土雖然在輔助鋼筋受力方面有明顯作用，但不可忽視實際施工操作中由此引發(fā)起的“并發(fā)癥”。由于在混凝土中拌入纖維，其纖維成束添加后，在拌制的過程中和易性會收到一定影響。必須拌制過程注意事項與商品混凝土攪拌站做好充分交底工作，根據(jù)實際拌制經(jīng)驗，添加纖維后的混凝土拌制時間必

11、須比普通混凝土長30s1min，才能得到充分?jǐn)嚢杈鶆?。并且在運(yùn)輸澆筑時必須注意隨時監(jiān)測塌落度，保證和易性在澆筑時不受影響。同時纖維長度也是影響和易性的一個重要因素，不同等級的混凝土由于水泥含量有異，事先因先做實驗性攪拌驗證纖維長度的影響程度。本項目采用50mm長時，C40混凝土塌落度控制在160mm時，施工情況良好。但本項目經(jīng)驗僅有參考性，因根據(jù)環(huán)境氣溫及澆筑部位綜合考慮后，采用實驗方法得出結(jié)論。和易性受到一定影響也會對墻體密實度造成隱患，施工質(zhì)量難以準(zhǔn)確控制。通過實際工程經(jīng)驗，不得依賴鋼纖維混凝土有明顯作用，只能作為一種鋼筋的輔助材料進(jìn)行使用，且含量不宜過大。如60/100規(guī)格的鋼纖維在混凝

12、土中含量達(dá)到10kg時，和易性受到明顯影響，使用前必須編制可靠方案并經(jīng)樣板間驗證。因此，選擇一種合適的鋼纖維規(guī)格同樣重要，對比60/100和50/80兩種不同規(guī)格后發(fā)現(xiàn)。相對比于60/100來說，50/80纖維根數(shù)相對少，但和易性好，但裂縫控制效果不如前者。如何選擇應(yīng)立足于試驗角度出發(fā)，根據(jù)配筋率和板厚限制下，在抗裂性能及和易性方面選擇最適宜的方式進(jìn)行。2.2混凝土保溫 關(guān)于宏觀抗裂方面的混凝土保溫來說，區(qū)別于冬季施工方案，嚴(yán)格意義上說作為永久保溫使用。經(jīng)實際工程驗證，在地下室墻板兩側(cè)同時施加保溫材料，有利于混凝土體積的穩(wěn)定，對抗裂方面有一定的積極作用。普通關(guān)于混凝土控溫理論來說，計算體積變化

13、較多采用平面（截面）的單向性能，在實際的混凝土存在，用二維熱傳導(dǎo)應(yīng)該更為適宜。糾正一個概念就是，混凝土的二維熱傳導(dǎo)區(qū)別于普通平面的X、Y方向，因為混凝土熱傳導(dǎo)不存在線性概念，直接是由面開始至立體變化。又因混凝土中材料的多樣化，各種材料的脹縮系數(shù)不同，胡克定律的采用往往會誤導(dǎo)理論變化值。舉例說明，鋼筋與混凝土中石子脹縮系數(shù)不同，鋼筋的體積變化對混凝土造成附加壓力，如同宏觀凍融環(huán)境變化類似。又如伯努利定律中加入壓力勢能概念，在一定程度上比較接近鋼筋混凝土變化實際情況，但也無法完全作為準(zhǔn)確值進(jìn)行推導(dǎo)。因其計算過程中將鋼筋的固態(tài)轉(zhuǎn)化為無粘稠的液態(tài)進(jìn)行計算，誤差仍存在。但其溫度應(yīng)力與平面變形所保留的應(yīng)變

14、成正比關(guān)系，伯努利定律可作為一個相近的參考值使用。若混凝土墻面在無保溫效果下，試采用傅里葉定律方程式計算熱傳導(dǎo)變化，可以歸納為：qx=-kAT/X；qy=-kAT/Y求出熱傳導(dǎo)率。其中qx、qy分別為X、Y方向熱傳導(dǎo)率，K為介質(zhì)熱傳導(dǎo)系數(shù)（根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，K取值為10.6kj/m*h*c），A是介質(zhì)橫截面面積T/X、T/Y為溫度梯度。當(dāng)凝固后的混凝土作為一個穩(wěn)態(tài)二維熱傳導(dǎo)體，那么利用能量守恒定律可以推導(dǎo)熱擴(kuò)散方程為：kx2T/X2+kY2T/Y2+q=0，由此可以推斷出混凝土內(nèi)部能量聚集程度。然后建立模型推斷混凝土的熱變形量，宏觀得出裂縫擴(kuò)展出現(xiàn)的可能性?；炷聊唐陂g散發(fā)的水化熱導(dǎo)致

15、體積變化同樣適用理論推算。該方程得出的結(jié)論較為精確。由上述結(jié)論可推導(dǎo)，凝固期間水化熱施工措施中無法避免，采用低水化熱水泥能夠得到緩解，另外加上水中養(yǎng)護(hù)可大大緩解混凝土凝固期間體積變化。對于建筑工程使用期間的體積變化必須利用保溫材料敷設(shè)來緩解，混凝土在相對溫度穩(wěn)定狀態(tài)下，變形量大大減少，可維持其體積穩(wěn)定，避免裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。2.3優(yōu)化配筋率 鋼筋作為混凝土中的主要受拉件，承受理論中所有的抗拉力，宏觀拉應(yīng)力裂縫靠配筋可以承受。但在微觀裂縫方面，鋼筋作用有限，比如普通混凝土構(gòu)件允許的帶裂縫工作可以得出結(jié)論。在結(jié)構(gòu)計算中，所有荷載施加后，得出的配筋總面積如何分配對構(gòu)件抗裂有積極作用。舉例說明，將1根

16、20mm的鋼筋分解為4根10mm鋼筋后，分配密度增加可以起到一定的抗裂作用，受力更為均勻，滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)要求依然是前提。另外，荷載內(nèi)力應(yīng)與溫度應(yīng)力想組合方法進(jìn)行優(yōu)化配筋。首先將上式退到的溫度應(yīng)力與荷載內(nèi)力簡單迭加，以一個總內(nèi)力做截面承載能力極限狀態(tài)計算來確定鋼筋總面積；或者分別計算溫度應(yīng)力和荷載內(nèi)力，以鋼筋面積做簡單迭加后得出鋼筋總面積。但須特別注意的是，迭加后的鋼筋總面積仍應(yīng)做“超筋”復(fù)算，防止出現(xiàn)配筋率過高超出規(guī)范上限。3.放：從設(shè)計角度解決了混凝土墻面抗裂措施后，工程最終質(zhì)量關(guān)鍵仍是施工階段，在施工階段實施有效的方案，可提高混凝土表面成型質(zhì)量和抗裂性能。實際施工中綜合可采取下列措施對應(yīng)力進(jìn)

17、行釋放：水中養(yǎng)護(hù)釋放體積收縮應(yīng)力；平行施工保持加載均勻；附加棱角節(jié)點加腋舒緩應(yīng)力集中；借鑒國外裝配式結(jié)構(gòu)。3.1混凝土養(yǎng)護(hù)釋放應(yīng)力 混凝土凝固期間的養(yǎng)護(hù)對成型體積變化有非常重要的影響，外界環(huán)境溫度同樣影響較大，特別是夏季施工期間陽光暴曬導(dǎo)致混凝土失水過快，干縮裂縫立即成型對后期滲漏影響極大。除開北方極低溫環(huán)境不談，以秦嶺淮河以南的中國內(nèi)陸地區(qū)來說，即便是冬季氣溫對混凝土養(yǎng)護(hù)影響依然不是多么明顯，但炎熱的夏季影響極大。在外界環(huán)境影響下，為保持良好的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，模擬甚至超越實驗室環(huán)境難度極高，現(xiàn)場不易實現(xiàn)，那么水中養(yǎng)護(hù)混凝土成為施工現(xiàn)場一個良好的選擇。根據(jù)混凝土特征已知結(jié)論，水中環(huán)境養(yǎng)護(hù)混凝土能夠?qū)?/p>

18、致體積微膨脹，炎熱干燥環(huán)境養(yǎng)護(hù)混凝土體積干縮或立即出現(xiàn)裂縫?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)期間體積微膨脹可以看作是凝固期間應(yīng)力加快釋放的過程，在充分釋放后再對外墻做封閉澆筑，效果的優(yōu)點明顯。最簡單的措施便是營造現(xiàn)場臨時水幕作不間斷澆水養(yǎng)護(hù)，充分水化對混凝土強(qiáng)度提升同樣有利。3.2平行施工 上文分析裂縫成因時提到自重沉降和整體沉降，其中以施工期自重沉降影響較大。減少自重沉降施加給墻面的應(yīng)力荷載，是應(yīng)力釋放的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，又可形容為應(yīng)力的平均加載。以本文實例的無錫市某會展工程，其特點是占地面積大，屋脊高僅30米。特別是主體結(jié)構(gòu)加載過程中，因面積過大無法做到均勻穩(wěn)定。作為一個理想的加載程序，以完成的建筑工程重心為依據(jù)

19、，應(yīng)從建筑物重心點開始施工并向外擴(kuò)展。以平行流水施工為方案主導(dǎo)，對基礎(chǔ)做均勻穩(wěn)定加載，力求保持沉降速率穩(wěn)定。同理，另可以選擇從樁基多的位置開始向樁基數(shù)量少的位置推進(jìn)做到平行施工，大規(guī)模的荷載施加前筏板后澆帶留置成為一個良好的選擇。3.3棱角加腋 墻柱節(jié)點、拐角節(jié)點一般情況下為直角節(jié)點，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力關(guān)系，直角節(jié)點聚集的應(yīng)力相對集中，且以陰角為最。在此情況下，若內(nèi)應(yīng)力能夠均衡釋放，減緩墻面壓力，對裂縫成型有積極作用。由此推斷可知，在直角節(jié)點做加腋， 避免出現(xiàn)直角節(jié)點可以有效避免應(yīng)力集中。同樣在拐角節(jié)點設(shè)置成圓弧也可以有效緩解應(yīng)力集中。3.4借鑒國外裝配結(jié)構(gòu) 由混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范得知，裝配結(jié)構(gòu)的伸

20、縮縫間距可以有效拉長，因其接縫間為柔性節(jié)點。由于混凝土構(gòu)件提前預(yù)制完成，內(nèi)部應(yīng)力已經(jīng)有效釋放，裝配期間殘余應(yīng)力已可以忽略。采用裝配結(jié)構(gòu)中，處理好接縫間滲漏問題便已經(jīng)達(dá)到目的。但在抗震結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件間的抗震連接仍是一個重要因素?？山梃b國外先進(jìn)的抗震拼裝方案作進(jìn)一步研究后實施。 放，作為一個籠統(tǒng)的概念，其核心是混凝土內(nèi)應(yīng)力的釋放過程，我們所要做的工作即將應(yīng)力釋放保持在可控范圍。其方法措施包括但不限于以上內(nèi)容，可在實際操作中總結(jié)有效經(jīng)驗予以應(yīng)用。4. 調(diào)：調(diào)是抗和放的綜合應(yīng)用，因無法單獨使用，必須和上述方法同時使用，雙管齊下共同作用以達(dá)到防裂目的。主要措施有：利用外加劑使混凝土產(chǎn)生補(bǔ)償收縮特性；降低水

21、灰比后自收縮程度明顯減??；合理留置溫度縫等。調(diào)節(jié)混凝土性能作為調(diào)的一類措施，是保持混凝土體積穩(wěn)定的有效措施，普遍采用的如在混凝土中加入膨脹劑，可以有效擠密施工縫間隙，達(dá)到防滲漏目的。4.1混凝土性能改善 混凝土中常用的外加劑有減水劑、膨脹劑、緩凝劑、抗?jié)B劑等，針對地下室墻板防裂外加劑中，上述均為有效止裂作用。比如水灰比降低后，混凝土中水的蒸發(fā)量減少，對維持體積穩(wěn)定有十分重要作用，同時提高混凝土強(qiáng)度。實驗可知，強(qiáng)度與體積成正比關(guān)系，混凝土強(qiáng)度越高，體積越穩(wěn)定。在使用抗裂鋼纖維混凝土中，加入減水劑可有效調(diào)節(jié)混凝土和易性，有利于后期抗裂性能。高標(biāo)號混凝土水泥含量大，直接結(jié)果就是水化熱更大，因此選用低水化熱水泥是混凝土成型抗裂的關(guān)鍵因素。在水泥方面水化熱低的有粉煤灰水泥和礦渣水泥，但還