混凝土構(gòu)件裂縫成因及預(yù)防措施研析

曾念童

(福建省東南建筑設(shè)計(jì)院 福建三明 365001)

0 引言

現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因具有著較好的整體性與耐久性的優(yōu)勢(shì)而被廣泛采用，但由于其材料自身的特性，很難避免其完全不產(chǎn)生裂縫。鋼筋混凝土裂縫的寬度一旦超過(guò)規(guī)定值，不但會(huì)影響建筑的美感，破壞結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體性能，還會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全和使用壽命。鑒于裂縫出現(xiàn)后治理的難度較大，伴隨的滲漏水問(wèn)題也很難根治，如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料控制及建造過(guò)程中規(guī)范、系統(tǒng)的采取各項(xiàng)預(yù)防措施，預(yù)防鋼筋混凝土裂縫的出現(xiàn)就顯得至關(guān)重要了。本文結(jié)合混凝土裂縫的破壞的機(jī)理，裂縫常見(jiàn)類(lèi)型及成因，來(lái)研析三明南站片區(qū)樞紐工程附屬設(shè)施(地下停車(chē)場(chǎng))工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料控制、建造過(guò)程中采取的各項(xiàng)裂縫預(yù)防措施，為同行技術(shù)人員提供參考。

1 工程概況

三明南站片區(qū)樞紐工程附屬設(shè)施包含地下停車(chē)場(chǎng)、酒店、汽車(chē)南站工程，本文就該項(xiàng)目地下停車(chē)場(chǎng)工程展開(kāi)探討。三明南站片區(qū)樞紐工程地下停車(chē)場(chǎng)總建筑面積為79 000m2，為地下一層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)設(shè)防，設(shè)防烈度為7度，框架抗震等級(jí)為三級(jí)。室內(nèi)環(huán)境類(lèi)別為一類(lèi)，室外、頂板及外墻等露天或潮濕環(huán)境為二a類(lèi)。頂板梁板混凝土等級(jí)為C30,外墻混凝土等級(jí)為C35，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂縫控制等級(jí)為三級(jí)。地下室頂板的厚度為210mm，局部汽車(chē)通道頂板厚度為260mm，地下室頂板橫向最大長(zhǎng)度為538m，縱向最大長(zhǎng)度為276m，地下室外墻厚度為350mm。項(xiàng)目鳥(niǎo)瞰圖如圖1所示，項(xiàng)目地下一層平面圖如圖2所示。

圖1 項(xiàng)目鳥(niǎo)瞰圖

圖2 項(xiàng)目地下一層平面圖

2 鋼筋混凝土裂縫破壞的機(jī)理，裂縫常見(jiàn)類(lèi)型及成因

各類(lèi)型鋼筋混凝土裂縫產(chǎn)生，都是受一定因素的影響，某些裂縫的出現(xiàn)，也可能是多種因素共同影響的結(jié)果。故在研析實(shí)施各項(xiàng)預(yù)防措施前，有必要對(duì)鋼筋混凝土裂縫的破壞機(jī)理、裂縫形式及成因加以研究。

2.1 鋼筋混凝土裂縫破壞的機(jī)理

鋼筋混凝土裂縫的寬度一旦超過(guò)規(guī)定值且深度和長(zhǎng)度足夠大時(shí)就會(huì)破壞鋼筋的保護(hù)層，這樣最終會(huì)造成鋼筋銹蝕。鋼筋一旦銹蝕之后體積會(huì)進(jìn)一步膨脹，且會(huì)擴(kuò)大混凝土裂縫，最終形成惡性循環(huán)[1]。鋼筋銹蝕除了會(huì)影響鋼筋與混凝土的粘結(jié)度，還會(huì)削減鋼筋受力面積，對(duì)于那些相對(duì)表面積較大而截面積較小的高強(qiáng)鋼絲而言更是影響巨大?；炷亮芽p如果長(zhǎng)期得不到有效治理，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力就會(huì)逐步喪失。部分侵蝕性介質(zhì)如氯鹽、硫酸鹽等將會(huì)進(jìn)入到鋼筋混凝土當(dāng)中，混凝土的抗凍性能會(huì)因此大大降低，滲漏水問(wèn)題也會(huì)變得非常突出，最終會(huì)對(duì)整個(gè)建筑物使用的耐久性產(chǎn)生重要影響。

2.2 鋼筋混凝土板裂縫的常見(jiàn)形式

混凝土板裂縫從出現(xiàn)位置來(lái)進(jìn)行劃分，通?？梢詣澐譃檫@幾種形式：45°角斜裂縫(多出現(xiàn)于內(nèi)外墻交接處的樓板四角)、穿線管位置裂縫(一般為貫通縫，產(chǎn)生危害的可能性大)、板面裂縫、平行于樓板兩邊的裂縫。除此之還存在不規(guī)則樓板陰陽(yáng)角處裂縫，鋼筋混凝土樓板順筋方向的裂縫等?；炷涟辶芽p常見(jiàn)形式如圖3所示。

(a)45°角斜裂縫 (b)平行于長(zhǎng)邊的裂縫

(c)平等于短邊的裂縫 (d)穿線管位置裂縫圖3 混凝土裂縫常見(jiàn)形式

根據(jù)裂縫產(chǎn)生原因來(lái)分類(lèi)可以分為：結(jié)構(gòu)裂縫、收縮裂縫、溫度裂縫以及構(gòu)造裂縫等4種類(lèi)型。

根據(jù)裂縫出現(xiàn)時(shí)間分類(lèi)可以分為：早期裂縫、中期裂縫與后期裂縫這3種類(lèi)型。收縮裂縫在早期裂縫中最為常見(jiàn)，這類(lèi)型裂縫通常產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)構(gòu)件澆筑后的3～4周內(nèi)；中期裂縫中最為典型的是構(gòu)造裂縫，裂縫通常產(chǎn)生結(jié)構(gòu)構(gòu)件澆筑后的半年以后；溫度裂縫、結(jié)構(gòu)裂縫都是屬于后期裂縫，后期裂縫通常產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)構(gòu)件澆筑后的1～2年之后。

自泵送商品混凝土廣泛使用后，時(shí)常有混凝土初凝階段便出現(xiàn)板貫通裂縫的情形出現(xiàn)，縫寬一般為1mm左右，上下貫通，其完全是在商品混凝土生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)量使用外添加劑、水灰比過(guò)大與及不規(guī)范養(yǎng)護(hù)措施等因素造成的。也有部分收縮裂縫和構(gòu)造裂縫在結(jié)構(gòu)構(gòu)件未加外荷載時(shí)產(chǎn)生，超過(guò)一年之后就不會(huì)再發(fā)展。在實(shí)際工程中，大部分裂縫無(wú)法明確歸類(lèi)，裂縫出現(xiàn)可能是一種或多種影響因素共同影響的結(jié)果[2]。

2.3 鋼筋混凝土板裂縫產(chǎn)生的原因

使混凝土構(gòu)件產(chǎn)生裂縫的原因非常多，但究其根本原因大致可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)為伴隨混凝土硬化及漿體收縮，在內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)力流的轉(zhuǎn)向作用下產(chǎn)生于砂漿中或砂漿和骨料界面上寬度小于0.05mm的微觀裂縫。這些裂縫隨著混凝土的收縮徐變能進(jìn)一步發(fā)展成寬度大于0.05mm的宏觀裂縫。這類(lèi)型的裂縫對(duì)混凝土彈塑性、強(qiáng)度、變形、化學(xué)反應(yīng)、剛度、泊松比等會(huì)產(chǎn)生較大影響。另一類(lèi)是各種荷載(如溫度、沉降、外荷載、變形及收縮等)作用下混凝土內(nèi)部承受的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土自身的抗拉強(qiáng)度f(wàn)tk而產(chǎn)生的裂縫。裂縫之所以會(huì)產(chǎn)生不同的形狀與應(yīng)力分布不規(guī)則性是有密切聯(lián)系的。裂縫方向通常是與主拉應(yīng)力方向垂直或者是與剪應(yīng)力平行。這類(lèi)型的裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，是造成構(gòu)件喪失承載能力的主要原因。

3 鋼筋混凝土裂縫的預(yù)防措施

鑒于使鋼筋混凝土的產(chǎn)生裂縫的各種因素與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料控制和建造過(guò)程有著密切的聯(lián)系，三明南站片區(qū)樞紐工程附屬設(shè)施(地下停車(chē)場(chǎng))工程鋼筋混凝土裂縫的預(yù)防也從這三方面來(lái)采取措施。

3.1 設(shè)計(jì)方面的預(yù)防措施

(1)重視荷載計(jì)算及板厚設(shè)計(jì)，確保梁板構(gòu)件具有足夠的承載能力。

三明南站地下室頂板上空間使用功能復(fù)雜：有廣場(chǎng)、綠地、汽車(chē)停車(chē)場(chǎng)、消防車(chē)道及市區(qū)公共交通道路等設(shè)施。為確保各板塊具有足夠的承載能力，板塊荷載經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的計(jì)算：

頂板的恒載嚴(yán)格按照建筑構(gòu)造分層計(jì)算累加，對(duì)于點(diǎn)荷載超過(guò)超過(guò)1ton的頂板構(gòu)筑物、固定設(shè)備、樹(shù)木等按照荷載規(guī)范附錄C要求換算為均布荷載。考慮廣場(chǎng)的使用功能不確定性較高，荷載取值時(shí)兼顧考慮停車(chē)場(chǎng)荷載及人員密集場(chǎng)所荷載，并按最不利布置確定的組合進(jìn)行截面驗(yàn)算和配筋計(jì)算。板的裂縫嚴(yán)格控制在0.2mm以內(nèi)。各板塊荷載計(jì)算如表1所示。

表1 各板塊荷載計(jì)算表

(2)加強(qiáng)伸縮縫、后澆帶及膨脹帶的設(shè)計(jì)，如圖4所示。

首先，通過(guò)伸縮縫，按照頂板的形狀及地下室的使用功能，把地下室頂板分為3塊較為規(guī)整的板塊，縫寬為150mm。

圖4 伸縮縫后澆帶膨脹帶分布圖

其次，在每個(gè)板塊橫縱方向每隔60m～70m設(shè)置一道后澆帶，后澆帶寬度為0.8m，后澆帶混凝土在整體地下室混凝土澆灌至少60d后進(jìn)行澆灌?；炷敛捎肅35(提高一級(jí)，內(nèi)摻14%UEA微膨脹劑)，板面及板底加強(qiáng)鋼筋按相關(guān)部位受力鋼筋的一半增配。

第三，在每塊后澆帶中部的位置增設(shè)一道膨脹加強(qiáng)帶，寬度為2.0m。膨脹加強(qiáng)帶與頂板其他部位間混凝土采用無(wú)縫不間斷施工，膨脹加強(qiáng)帶外混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)與頂板相同，摻高效能膨脹劑8%～10%(替換等量水泥)，帶內(nèi)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)提高一級(jí)，摻高效能膨脹劑12%～13%(替換等量水泥)。帶的兩側(cè)上下層鋼筋之間設(shè)置Φ6mm 鋼絲網(wǎng),網(wǎng)格尺寸為35×35mm，兩端分別綁扎在上下層鋼筋上，將帶內(nèi)混凝土與帶外的分隔開(kāi)。帶內(nèi)增設(shè)10%～15 %的水平溫度鋼筋，均勻布置在上下層(或內(nèi)外層)鋼筋上，水平溫度鋼筋垂直于膨脹加強(qiáng)帶長(zhǎng)度方向進(jìn)行分布，兩端各伸出膨脹加強(qiáng)帶2.0m ，并固定在上下層(或內(nèi)外層) 鋼筋上。做法如圖5所示。

圖5 膨脹帶加強(qiáng)帶做法

(3)加強(qiáng)板面板底通長(zhǎng)鋼筋及異形板陰陽(yáng)角構(gòu)造配筋設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)輔助軟件計(jì)算確定板塊配筋面積后，再根據(jù)現(xiàn)行混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行優(yōu)化選筋。

裂縫寬度計(jì)算式[3]如下：

該項(xiàng)目地下室頂板采用HRB400級(jí)鋼，混凝土等級(jí)為C30，計(jì)算確定的受拉鋼筋配筋率為0.375%，根據(jù)《混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》式7.1.2可取αcr=1.9，ψ=1.1-0.65×2.01/(0.375%×360)=0.133<0.2 取ψ=0.2。

通過(guò)裂縫計(jì)算可得：

當(dāng)受拉鋼筋配Φ14@200時(shí)，裂縫寬度ωmax=0.157mm;

當(dāng)受拉鋼筋配Φ12@150時(shí)，裂縫寬度ωmax=0.144mm;

當(dāng)受拉鋼筋配Φ10@100時(shí)，裂縫寬度ωmax=0.121mm。

對(duì)比后頂板受力鋼筋取雙層雙向Φ12@150，即考慮受拉鋼筋直徑對(duì)裂縫寬度影響，也充分考慮施工振搗可操作性，保證頂板的施工質(zhì)量。

圖6 陰陽(yáng)角部位設(shè)置放射狀構(gòu)

(4)地下室頂板除雙層雙向配Φ12@150通長(zhǎng)鋼筋，在頂板陰陽(yáng)角部位設(shè)置放射狀構(gòu)造配筋，如圖6所示。對(duì)于預(yù)埋管線厚度大于樓板總厚度20%時(shí)，穿管部位300寬度板帶內(nèi)沿管線上下皮設(shè)置Φ8@100加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)片，對(duì)樓板剛度進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。在樓板開(kāi)洞過(guò)程中如果洞的直徑或者寬度不大于300mm時(shí)應(yīng)把受力鋼筋繞過(guò)洞邊，此時(shí)不需截?cái)嗍芰︿摻钜约霸诙催呍O(shè)置附加鋼筋，而當(dāng)洞的直徑較大時(shí)應(yīng)在洞邊每側(cè)都配置附加鋼筋。

(5)加強(qiáng)隔熱層與保溫層設(shè)計(jì)。整個(gè)地下室頂板的覆土厚度平均達(dá)1.5m，有效降低溫度變化對(duì)混凝土熱脹冷縮的影響。

3.2 材料控制方面的預(yù)防措施

(1)嚴(yán)格控制水灰比，要求水灰比不大于0.45、塌落度不大100mm。降低水灰比應(yīng)減少拌合水量并增加粗骨料用量，最大限度降低開(kāi)裂漿體的收縮率。水灰比低的漿體其本身收縮量較小，利于防止混凝土裂縫出現(xiàn)。

(2)為防止收縮裂縫及溫度裂縫，該項(xiàng)目承臺(tái)、底板、頂板及外墻均采用摻聚丙烯纖維的補(bǔ)償收縮混凝土，混凝土外加劑的摻量以混凝土水中14d限制膨脹率≥0.015%，空氣中28d干縮率≤0.03%來(lái)控制；摻抗裂纖維防水劑的補(bǔ)償收縮混凝土，以混凝土在水中14d限制膨脹率≥0.025%來(lái)控制。

(3)水泥選擇低熱水泥與中熱水泥，選中的水泥其體積安定性必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在正式使用之前對(duì)水泥的安定性進(jìn)行了試驗(yàn)，確保選用的水泥能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 對(duì)施工方面的預(yù)防措施進(jìn)行嚴(yán)格的交底和管控

(1)注重材料運(yùn)輸管理，因項(xiàng)目在秋季施工，施工企業(yè)需就近選擇商品混凝土供應(yīng)商，在合理規(guī)劃運(yùn)輸路線的同時(shí)對(duì)運(yùn)送過(guò)程中面臨的堵車(chē)問(wèn)題提前制定預(yù)案，確保商品混凝土從攪拌出料到澆筑在90min內(nèi)完成。

(2)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件的要求，控制混凝土配合比、水灰比、塌落度不超出設(shè)計(jì)文件允許限值，嚴(yán)格限制在混凝土中添加泵送劑、粉煤灰等外添加劑的使用量，大體積混凝土構(gòu)件全部采用非泵送混凝土澆灌。

(3)加強(qiáng)振搗及養(yǎng)護(hù)，新澆搗混凝土的完成初凝后，在面層鋪設(shè)毛氈24h澆水養(yǎng)護(hù)15d。未設(shè)置伸縮縫、后澆帶的部位，確保一次性澆搗完成，杜絕二次澆搗形成的施工縫。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，大面積的混凝土樓板構(gòu)件通過(guò)在設(shè)計(jì)階段強(qiáng)化結(jié)構(gòu)計(jì)算及構(gòu)造措施設(shè)計(jì)、在實(shí)施階段強(qiáng)化材料管控及施工組織措施，可以有效預(yù)防混凝土構(gòu)件裂縫的開(kāi)展。案例投入使用至今未出現(xiàn)明顯裂縫及滲漏水現(xiàn)象。2018年1月《福建省住宅工程若干技術(shù)規(guī)定》實(shí)施，對(duì)住宅項(xiàng)目板樓板厚及配筋進(jìn)行規(guī)范和強(qiáng)化，切實(shí)保證了住宅項(xiàng)目樓板的剛度和配筋率，對(duì)于有效預(yù)防住宅項(xiàng)目樓板裂縫意義非常重大。