地下室防水混凝土側(cè)墻開裂分析及控制

王丙壘，周友誼，朱國軍，李亞茜，劉拼，紀(jì)憲坤

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430083；2.中鐵大橋局集團第五工程有限公司，江西 九江 332001）

0 引言

裂縫是建筑工程的質(zhì)量通病，特別是地下主體防水工程，一旦出現(xiàn)有害裂縫，不但會影響結(jié)構(gòu)的自防水功能，而且隨著齡期的延長，地下水不斷滲入鋼筋混凝土裂縫斷面，使鋼筋受到有害元素的腐蝕而生銹，逐漸危害到結(jié)構(gòu)安全和壽命[1-5]。研究表明[6-8]，抗浮不足、外荷載等外因引起的結(jié)構(gòu)裂縫約占20%，而混凝土收縮變形引起的裂縫約占80%。

地下室側(cè)墻是地下工程裂縫和滲漏的重災(zāi)區(qū)，其中收縮占主要因素，混凝土在早期水化過程內(nèi)產(chǎn)生自收縮、溫度收縮和干燥收縮等，收縮受到已硬化鑿毛的底部導(dǎo)墻鋼筋混凝土的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力（因地下外墻大多屬于薄壁結(jié)構(gòu)，里表溫差小，暫不考慮自約束應(yīng)力），拉應(yīng)力一旦超過了混凝土當(dāng)齡期的抗拉強度，就存在開裂風(fēng)險[9-12]?，F(xiàn)代混凝土普遍存在的問題是水泥細(xì)度大、水化溫升高、抗裂難度大；其次，地下室側(cè)墻結(jié)構(gòu)尺寸特點是厚度小、長度和高度大，GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》中外約束系數(shù)公式（1）和表1[13]，混凝土澆筑體的約束系數(shù)Ri（t）與地基阻力系數(shù)Cx和澆筑長度成正比，與澆筑體厚度和當(dāng)量彈性模量E（t）成反比，約束系數(shù)越大，開裂風(fēng)險越高。

表1 標(biāo)準(zhǔn)中水平阻力系數(shù)對比

式中：L——混凝土澆筑體的長度，mm；

H——混凝土澆筑體的厚度，mm；

Cx——地基阻力系數(shù)，N/mm3。

收縮裂縫一般通過設(shè)計伸縮縫縮短分段澆筑長度，在混凝土中摻加抗裂纖維提高混凝土極限拉伸性能，或摻加膨脹劑等配制補償收縮混凝土，搭配合理的養(yǎng)護(hù)措施可減少該類裂縫的產(chǎn)生。而混凝土施工階段引起的裂縫更容易被忽視，施工過程中常因澆筑順序不當(dāng)、澆筑時間過長等原因出現(xiàn)大量冷縫，特別是高度高的側(cè)墻，常需要分多層澆筑以防止振搗不密實或漲模等，其不利影響是下層混凝土失去塑性后，上層混凝土在澆筑振搗過程中對整個模板體系造成擾動，使尚無強度的混凝土因機械擾動造成早期缺陷，成為中后期混凝土收縮開裂的誘因。普遍存在的問題是，鋼筋混凝土的模板與鋼筋體系的穩(wěn)固性常常被忽視，認(rèn)為未產(chǎn)生整體傾覆，滿足施工要求即可，然而，恰恰是早期拆模即開裂的因素，開裂后需反復(fù)維修，成本高昂，且影響結(jié)構(gòu)安全。針對該類裂縫的普遍性及廣泛性，迫切需要進(jìn)行深入研究分析，形成一套切實、可靠的措施方法，為該類項目提供參考。

1 工程概況

某建筑地下室工程項目位于濟南市，地下建筑面積約2.6萬m2；地下室一層，抗浮水位標(biāo)高10.08 m。負(fù)一層車庫側(cè)墻高4.3 m，厚0.3 m，負(fù)一層主樓側(cè)墻高6.3 m，厚0.3 m。主樓與車庫側(cè)墻混凝土強度和抗?jié)B等級為C40P8，防水等級二級，為筏板基礎(chǔ)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)。側(cè)墻施工季節(jié)為9～10月份，當(dāng)季環(huán)境溫度平均高溫為31℃，平均低溫為19℃，采用木質(zhì)模板施工。

該項目在5#樓的側(cè)墻拆模后即發(fā)現(xiàn)大量裂縫，裂縫寬度大，普遍超過0.2 mm，隨著齡期增長，新增裂縫越多，項目部立即組織相關(guān)方研討該異常情況，并分析原因提出解決方案。5#樓側(cè)墻平面布置和澆筑順序如圖1所示。

2 施工過程及裂縫統(tǒng)計

2.1 混凝土配合比信息

水泥：P·O42.5；粉煤灰：F類，Ⅱ級；礦渣粉：S95級；碎石：5～25 mm連續(xù)級配，含泥量≤1.0%；機制砂：細(xì)度模數(shù)2.9，含泥量≤3.0%，石粉含量4%～7%；聚羧酸減水劑：減水率≥25%，固含量15%。

施工部位為5#樓主樓及車庫側(cè)墻，強度和抗?jié)B等級為C40P8，所用混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土的配合比 kg/m3

2.2 混凝土施工記錄

5#側(cè)墻澆筑記錄：澆筑日期：2021年9月7日17：20～8日20：00；天氣：晴天，20～29℃，風(fēng)力2～3級；混凝土和易性良好，坍落度（200±20）mm；施工機具與澆筑順序：采用1臺天泵，2根振搗棒，自一端至另一端推進(jìn)。施工過程：主樓側(cè)墻分3層澆筑振搗，車庫側(cè)墻分2層澆筑振搗。

施工過程描述：5#樓主樓及車庫側(cè)墻長112 m，澆筑時長26.4 h，澆筑過程中采用1臺天泵，澆筑順序：后澆帶西側(cè)側(cè)墻→主樓頂板→后澆帶東側(cè)側(cè)墻和頂板。側(cè)墻分3層澆筑振搗，澆筑時從一側(cè)向另一側(cè)推進(jìn)，第1次、第2次高度約為2.2m，最后澆筑至頂板頂面。

2.3 施工后效果排查

裂縫排查統(tǒng)計匯總?cè)绫?所示，裂縫分布情況如圖2所示。

表3 裂縫排查統(tǒng)計匯總

根據(jù)現(xiàn)場采集結(jié)果分析，裂縫存在如下特征：（1）拆模后即出現(xiàn)較多裂縫，如圖3、圖4所示，裂縫走向分為3類，其中順筋豎直裂縫占30%、穿過穿墻螺栓的微斜裂縫占50%、45°斜向裂縫占20%；90%裂縫迎水面與背水面位置不對應(yīng)。（2）部分區(qū)域存在距離較近的連續(xù)裂縫。（3）拆模后出現(xiàn)大量冷縫，側(cè)墻冷縫2層（見圖4），90%以上裂縫處于冷縫位置以下。（4）6.0 m高的主樓側(cè)墻平均裂縫條數(shù)多于車庫側(cè)墻。（5）拆模養(yǎng)護(hù)14 d后，裂縫條數(shù)增加，新增裂縫均為豎向貫穿裂縫。

2.4 混凝土性能抽檢

出現(xiàn)大面積裂縫后，試驗室配合質(zhì)檢部門及時對預(yù)留同條件養(yǎng)護(hù)的側(cè)墻7、28 d抗壓強度試塊進(jìn)行檢測，并對該區(qū)域混凝土采用回彈儀進(jìn)行抗壓強度檢測，同時對澆筑期間混凝土的和易性和終凝時間檢測記錄進(jìn)行查詢，混凝土性能抽檢，見表4。

表4 混凝土性能抽檢結(jié)果

由表4可見，夏季混凝土終凝時間較短，僅9 h，抗壓強度及實體回彈強度均符合設(shè)計要求。

3 裂縫原因分析

3.1 原因推斷

（1）擾動

該墻體單次分段澆筑長度長，單次澆筑墻體高，且為薄壁結(jié)構(gòu)，采用的木質(zhì)模板剛度小、柔性大，穿墻止水螺栓與主筋、拉筋設(shè)置緊密，形成了“傳動體”，澆筑和振搗混凝土過程中很容易造成鋼筋籠、穿墻螺栓和模板擾動。混凝土一旦澆筑不連續(xù)，出現(xiàn)冷縫的概率較大，先澆筑的底層混凝土最先終凝失去塑性且未形成強度時，在澆筑上層混凝土?xí)r鋼筋籠受到擾動，導(dǎo)致底層混凝土最先因鋼筋切割而形成大量缺陷，特別是鋼筋保護(hù)層厚度小的部分最先產(chǎn)生裂縫，同時，傳動至模板受到擾動后引起斜向裂縫。模板和鋼筋擾動開裂模型如圖5所示。

上述裂縫均屬于早期開裂，即混凝土尚未硬化前的非收縮裂縫，裂縫位于鋼筋附近表面，一般不引起混凝土貫穿，且裂縫一般伴隨著冷縫出現(xiàn)，處于冷縫以下。

（2）收縮

墻體越長，地基約束越大。該項目墻體長度超過了結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范≤30 m設(shè)置伸縮縫的要求，混凝土硬化后存在溫度收縮、自生收縮和干燥收縮等，收縮裂縫往往使?jié)仓w形成貫穿有害裂縫。其特征是先從約束最大的中間區(qū)域開裂，開裂后應(yīng)力釋放，再從兩塊新的約束體中間開裂，間隔較大，裂縫數(shù)量隨時間延長而遞增至約束應(yīng)力小于側(cè)墻抗拉強度為止。

3.2 判斷依據(jù)

3.2.1 擾動引起的裂縫判斷依據(jù)

（1）斜支撐、模板和鋼筋籠體系不穩(wěn)，如圖6、圖7所示，其鋼筋較密，鋼筋保護(hù)層厚度分布不均勻，鋼筋與模板之間無墊塊，完全靠穿墻螺栓墊圈支撐，形成柔性體系，箍筋與穿墻螺栓排列錯亂無章，混凝土振搗時容易受到擾動；其次，模板斜支撐僅有1層，且拆模后的冷縫墻體出現(xiàn)了錯位，如圖8和圖9所示，證明澆筑振搗期間模板體系不穩(wěn)定。

（2）拆模后出現(xiàn)澆筑時間延長引起的冷縫（見圖4），出現(xiàn)1～2層冷縫，裂縫均在冷縫以下，部分冷縫處出現(xiàn)模板受到擾動引起的錯位，拆模后迎水面和背水面裂縫不對稱（見圖2）。

（3）局部區(qū)域出現(xiàn)了距離較近集中分布的連續(xù)裂縫，收縮裂縫附近得到應(yīng)力釋放，不存在連續(xù)開裂的可能性。

3.2.2 收縮引起的裂縫判斷依據(jù)

（1）大部分新增裂縫與原有裂縫對稱且貫穿，貫穿裂縫間距較大。

（2）溫度應(yīng)變數(shù)據(jù)分析論證。5#樓混凝土澆筑前，在北側(cè)墻后澆帶以西正中央混凝土、高度1/3處埋置振弦應(yīng)變計，如圖10所示。

采用南京葛南實業(yè)生產(chǎn)的振弦應(yīng)變計，其原理為混凝土的變形反應(yīng)至兩端塊，使兩端塊之間發(fā)生相對移動，并導(dǎo)致鋼弦的張力發(fā)生變化。這種張力的變化使鋼弦的固有諧振頻率亦發(fā)生變化，通過儀器檢測該固有諧振頻率的變化來測量混凝土內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變的變化值。

其綜合應(yīng)變?nèi)缡剑?）、式（3）所示：

式中：ε綜合——混凝土綜合應(yīng)變；

K——修正系數(shù)；

b——應(yīng)變計的線膨脹系數(shù)；

ΔF——混凝土應(yīng)變讀數(shù)差值；

ΔT——混凝土溫差，℃。

混凝土綜合應(yīng)變代表監(jiān)測點的整體變形情況，其代表的值可以由應(yīng)變公式表示[4]，綜合應(yīng)變不但包含應(yīng)力引起的彈性變形，還有收縮和徐變引起的塑性變形，通過綜合應(yīng)變可得監(jiān)測點隨環(huán)境溫濕度整體變化的趨勢和幅度。

式中：εe（t）——混凝土收縮受約束產(chǎn)生應(yīng)力引起的瞬時應(yīng)變，線彈性；

εc（t）——徐變變形，與應(yīng)力加荷齡期及持荷時間有關(guān)；

εs（t）——干縮變形，與水分損失有關(guān)；

εT（t）——溫度變化引起的變形；

εg（t）——自生體積變形，化學(xué)反應(yīng)引起的自收縮。

其溫度修正應(yīng)變?nèi)缡剑?）：

式中：ε溫度修正——溫度修正應(yīng)變；

α——混凝土線膨脹系數(shù)。

溫度修正應(yīng)變代表埋設(shè)點去除溫度收縮因素的自身變形情況，包含了應(yīng)力引起的線彈性變形和自身收縮變形情況，一般設(shè)混凝土的線膨脹系數(shù)為8×10-6～12×10-6，隨齡期變化逐漸減小，修正應(yīng)變包含應(yīng)力引起的彈性變形，還有自身收縮和徐變引起的塑性變形，通過溫度修正應(yīng)變判斷自身收縮情況。

5#樓側(cè)墻綜合應(yīng)變曲線如圖11所示。

從圖11側(cè)墻綜合應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢分析可知：

（1）2021年9月20日～10月20日，環(huán)境溫度在20.2～34.9℃波動。

（2）側(cè)墻中心初始入模溫度為30.3℃，18.5 h后達(dá)到溫峰值49.7℃，溫升值為19.4℃，5.1 h后溫度降至25.5℃，最大降溫速率9.0℃/d。

（3）埋置點綜合應(yīng)變隨溫度變化呈先增大后減小趨勢，隨溫度峰值達(dá)到最大值32.8 με，說明混凝土處于膨脹狀態(tài)，此后隨溫度降低混凝土開始收縮，至-160.9 με，但綜合應(yīng)變反應(yīng)的是埋置點混凝土變形情況，并不能反應(yīng)混凝土的應(yīng)力變化及開裂風(fēng)險。

（4）溫度修正應(yīng)變呈先減小后增大趨勢，說明在溫升階段該點混凝土受壓應(yīng)力，此后混凝土因自身收縮、干縮及溫度收縮引起的變形和拉應(yīng)力引起的彈性變形與徐變疊加效應(yīng)，使監(jiān)測點處于負(fù)應(yīng)變且遞減狀態(tài)，存在開裂風(fēng)險。

綜上論據(jù)所述可知，拆模后即出現(xiàn)的裂縫多為擾動所致，而隨齡期新增的貫穿裂縫為收縮引起。

4 解決方案

通過上述判斷，針對存在的問題，制定如下方案：

（1）增加支撐體系穩(wěn)固性，如增加斜支撐數(shù)量、在模板與鋼筋籠間增加墊塊、合理設(shè)置箍筋與穿墻螺栓排列組合，減少擾動的不利影響，如圖12～圖15所示。

（2）根據(jù)季節(jié)適當(dāng)增加緩凝組分，延長混凝土初凝和終凝時間，合理安排澆筑順序，確保側(cè)墻在終凝前澆筑完畢，減少因擾動引起的開裂風(fēng)險。

（3）合理設(shè)置伸縮縫，降低直墻最大分段澆筑長度，減少約束系數(shù)和開裂風(fēng)險。

（4）混凝土中添加具有延遲膨脹性能的鈣鎂復(fù)合型膨脹材料，配制補償收縮混凝土[14]，減少混凝土因收縮產(chǎn)生的開裂。

（5）預(yù)埋應(yīng)變計，根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)科學(xué)安排拆模時間和養(yǎng)護(hù)，進(jìn)一步減少溫濕度變化引起收縮開裂。

5 方案驗證實施

5.1 驗證段墻信息

2021年10月2日，將2#樓主樓及周邊車庫負(fù)一層側(cè)墻作為驗證段進(jìn)行澆筑施工。負(fù)一層車庫側(cè)墻高4.3 m，厚0.3 m；負(fù)一層主樓側(cè)墻高6.3 m，厚0.3 m。驗證段結(jié)構(gòu)長度、平面布置、澆筑順序和應(yīng)變計監(jiān)測點如圖16所示。

5.2 重點技術(shù)控制項

將2#樓主樓及周邊車庫負(fù)一層側(cè)墻作為既定方案的驗證段，針對其圖紙設(shè)計尺寸，采用如下控制措施：

（1）將主樓61 m直墻中間設(shè)置后澆帶，分為32、29 m，減小約束。

（2）內(nèi)外模板增加斜支撐，由原設(shè)計1層斜支撐增加至3層，并減小斜支撐設(shè)置橫向間距至2 m；模板與主筋之間增加墊塊，按縱橫向平均各1 m間距設(shè)置，以確保鋼筋保護(hù)層厚度和模板體系剛度。

（3）增加泵車數(shù)量，原設(shè)計1臺泵車增加至2臺；增加振搗棒數(shù)量，保證每輛泵車配備2臺振搗棒；澆筑順序自一端至另一端澆筑振搗，6.3 m高側(cè)墻分3層澆筑振搗，盡可能縮短澆筑時間。

（4）采用冷卻至50℃以下的庫存水泥及地下井水，控制入模溫度，混凝土中摻加8%FQY鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑，補償早期溫度收縮的同時，持續(xù)補償長齡期的自收縮和干燥收縮。

（5）拆模時間按結(jié)構(gòu)中心測溫結(jié)果降至與環(huán)境溫差≤10℃確定，拆模后采用噴霧或灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間持續(xù)至14 d。

5.3 施工過程控制

2#樓側(cè)墻澆筑記錄：2021年10月2日11：20～18：00，天氣晴天，20～29℃，風(fēng)力2～3級，混凝土和易性優(yōu)良，坍落度（180±20）mm，主樓側(cè)墻分3層澆筑，車庫側(cè)墻分2層澆筑。

驗證段澆筑混凝土強度和抗?jié)B等級為C40P8，配合比如表5所示。

表5 驗證段澆筑混凝土的配合比 kg/m3

參考Q/WSY 026—2019《鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑》，主要輔助抗裂材料的性能如表6所示。

表6 鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑的性能

5.4 效果統(tǒng)計

對5#樓側(cè)墻進(jìn)行拆模和養(yǎng)護(hù)觀察，從第3 d開始拆模，第4 d完成，養(yǎng)護(hù)方式：人工灑水養(yǎng)護(hù)14 d，拆模時及14 d、28 d后均無裂縫。

5.5 試驗結(jié)果分析

對混凝土現(xiàn)場抽檢及后期強度測試結(jié)果如表7所示。

表7 混凝土現(xiàn)場抽檢及后期強度測試結(jié)果

驗證段側(cè)墻應(yīng)變監(jiān)測點測試結(jié)果如圖17所示。

由圖17可見：

（1）2021年10～11月，環(huán)境溫度在4.3～20.4℃波動，側(cè)墻中心初始入模溫度為24.2℃，19.4 h后達(dá)到溫峰值39.9℃，溫升15.7℃，5.5 h后溫度降至15.7℃，最大降溫速率8.4℃/d。

（2）綜合應(yīng)變隨溫度變化呈先增大后減小趨勢，隨溫度峰值達(dá)到最大值32.8 με，此后隨溫度降低混凝土開始收縮，至-160.9 με，但綜合應(yīng)變反應(yīng)的是混凝土變形情況，并不能反應(yīng)混凝土的應(yīng)力變化及開裂風(fēng)險。

（3）溫度修正應(yīng)變呈先減小后增大趨勢，說明在溫升階段該點混凝土受壓應(yīng)力，后來降溫階段逐漸增大，說明混凝土開始受拉，并逐漸趨于零應(yīng)力，此階段在2 d內(nèi)完成，逐漸處于正應(yīng)變，并有逐漸增大趨勢，說明混凝土因膨脹性能處于微膨脹狀態(tài)，并逐漸增大，說明抗裂劑持續(xù)反應(yīng)補償混凝土自身收縮變形，大大降低了開裂風(fēng)險。

驗證段與空白段修正應(yīng)變對比如圖18所示。

由圖18可知，空白段在溫升階段壓應(yīng)力大于驗證段段，這是因為：一方面，其溫峰高；另一方面，其長度大，約束系數(shù)高，隨著降溫壓應(yīng)力逐漸降低，二者同時在2 d后達(dá)到0應(yīng)力，此后空白段開始收縮，而驗證段補償收縮后持續(xù)處于正應(yīng)變微膨脹狀態(tài)，其最終應(yīng)變差值約為130 με，真實反映了摻鎂質(zhì)高性能抗裂劑混凝土在結(jié)構(gòu)實體中的膨脹性能與幅度，降低了開裂風(fēng)險。

6 結(jié)論

（1）混凝土施工階段引起的裂縫更容易被忽視，施工過程中常因澆筑順序不當(dāng)、混凝土澆筑時間過長等原因出現(xiàn)大量冷縫，混凝土拆模即出現(xiàn)的早期非貫穿裂縫大多為鋼筋和模板擾動所致，需要針對該類裂縫作相應(yīng)澆筑順序優(yōu)化、增強鋼筋模板穩(wěn)固性、調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)時間等方式進(jìn)行調(diào)控，可以有效避免該類裂縫的產(chǎn)生。

（2）混凝土中后期出現(xiàn)新增的貫穿裂縫大多為收縮引起，針對該類裂縫通過合理設(shè)計分段澆筑長度、降低入模溫度、采用鎂質(zhì)抗裂劑配制補償收縮混凝土等措施，可以有效減少該類裂縫的產(chǎn)生。

（3）預(yù)埋溫度應(yīng)變計等輔助儀器可以直觀有效地分析高性能混凝土抗裂劑在實體結(jié)構(gòu)中的膨脹性能，對科學(xué)管控裂縫具有顯著效果。