高層建筑混凝土構(gòu)件開裂位置精準識別研究

呂建偉

（湖北交投紫云鐵路有限公司，宜昌 443000）

1 前言

混凝土構(gòu)件受到水化熱、收縮、溫度差和應變影響產(chǎn)生的開裂是非常復雜和很關鍵的現(xiàn)象。施工實踐中，從設計與施工兩個方面共同努力來合理控制建筑結(jié)構(gòu)的溫度收縮裂縫。某高樓主體建筑物采取框柱構(gòu)造，建筑地下室為一樓，主體28樓，總高98.9m，主樓內(nèi)部為2.2m厚的筏形構(gòu)造。本文分析了該項目在現(xiàn)場實施中，出現(xiàn)的兩例有關建筑物構(gòu)件開裂的重大事故——混凝土長墻及核心筒周圍板裂縫，并提出了其防治措施[1]。

2 裂縫描述

本項目N型混凝土結(jié)構(gòu)高56m，在澆筑中使用了SP170系列的鋼框與膠木組合鋼筋，于2020年3月24日前水力泵送鋼筋一次澆筑，2日后拆模，但不久出現(xiàn)了開裂。裂紋有8個成垂直形，在墻體外面對應地方同時出現(xiàn)，屬貫穿式裂紋。

產(chǎn)生裂紋的主要因素有：（1）水泥級別（C45）大，混凝土用量大，鋼筋混凝土水化熱大；（2）未留置垂直后澆縫，每次施工鋼筋混凝土56m、水平施工間距過長；（3）鋼筋在施工后僅用二日時限就拆模，鋼筋表面外露日期過早，加之拆模后遇寒潮影響，溫度變化過大，導致的鋼筋溫度應力很大，且鋼筋早期抗拉強度并不高，因而導致的鋼筋在長墻出現(xiàn)了貫穿性收縮裂紋。所以，雖然開裂主要是由于氣溫驟降而造成的收縮開裂，但拆模過早和低水平施工時間間隔過長也是造成混凝土厚墻裂縫的重要因素。

預防措施如下：（1）適時觀察氣候變化，正常環(huán)境溫差下保持最少三日的養(yǎng)護時間方可拆模。墻模板使用的SP170系列鋼框膠木組合模板的防火性能特別好，遇溫度驟降時能顯著提高外墻表面溫度。（2）在與正常工作條件溫度下，后澆縫留置距離在20m以內(nèi)，3～4天后拆模；后澆縫試塊距離地面30m以下，5～6天拆模。如出現(xiàn)溫度驟降后又持續(xù)降溫現(xiàn)象，則要推遲拆模日期。（3）在拆模施工后對建筑進行壁面保護，通過抹面、防水工程、護磚等外部路徑安裝，并竣工后及時覆土，以避免建筑因刮風干縮和遭遇寒流而破壞。施工單位也采取了這些措施，而后期施工的類似于混凝土長墻也就沒有了開裂問題。水平施工間距的過長，和施工單位盲目地提前拆除都是導致這一起混凝土長墻斷裂事件的主要因素。所以，按照工期安排和模板周轉(zhuǎn)要求，合理預留后澆縫間隙、同時管理好拆模日期，是保證鋼筋砼長墻澆筑工程質(zhì)量的關鍵[2]。

3 裂縫原因

混凝土的裂紋是一種復雜且常見的問題，工程設計中裂紋的驗算是指根據(jù)所在工程類型和構(gòu)件種類設定適當?shù)牧鸭y限制程度，達到最高裂紋寬限值（0.2mm～0.4mm），使得建筑物帶裂紋運行。從建筑物水化的基本原理來看，殘余應力也是必然產(chǎn)生的。近代科學研究對于建筑物的亞顯微觀分析和豐富的施工經(jīng)驗所得到的經(jīng)驗都表明構(gòu)成物的裂紋是普遍存在的。由表觀察，裂紋分為宏觀裂縫和微觀裂紋二類。微觀裂紋，因為對承重、保溫、耐腐蝕等方面沒有產(chǎn)生影響，故微觀裂紋一般推定為無裂紋。

首先考察是否由外荷載的應力所造成的地基承載力斷裂，以便判斷是不是存在重大結(jié)構(gòu)設計安全問題。當出現(xiàn)斷裂后，由于施工地基已澆筑達12級，外壓力也僅在設計壓力的三分之一以下，且尚未受強風和地震影響，基本的沉降變化也極小，所以后澆帶構(gòu)造尚未施工。從出現(xiàn)斷裂的部位分析，主要集中在于2～5個受框柱（1250mm×1250mm）制約的長墻和短框支墻中，而不是在承載力大和應力位變形嚴重的樓層、地下室樓層和上部框架與地基的嵌固部位，建筑主體邊緣、角處還有施工裂縫、角窗、短墻肢等的軟弱地方。從部位、形態(tài)和斷裂特點上分析，與一般基本構(gòu)造上經(jīng)常出現(xiàn)的受扭、受剪等斷裂現(xiàn)象也不一致。因而最終應該消除受力斷裂，而是應變斷裂[3]。

3.1 自生收縮

自生收縮常出現(xiàn)于水泥開始凝固前及凝結(jié)硬化后的數(shù)周內(nèi)，特別是在凝固后的首數(shù)日。由于裂縫首先受水灰比的影響，且水灰比低，故早期發(fā)現(xiàn)裂縫較容易。對低于水灰比的高強度水泥，自生收縮在整體收縮中擁有很大比重，而水灰比愈低，則自生萎縮也愈大。因此盡管高強度水泥小試塊，在早期的加水保護下可明顯減少自生萎縮，但對于體積較大的建筑構(gòu)件，因為高強度水泥的密實性伴隨年齡增長而快速提高，外界水份也無法有效滲入內(nèi)部水泥組織，因而無法明顯減少自生萎縮。在常規(guī)壓縮試驗的計算值中，由于未包含鋼筋的原始自生壓縮值，所以加上自生壓縮后，高強鋼筋的實際壓縮略大于普通鋼筋，并且在實際操作中高強鋼筋結(jié)構(gòu)上的早期壓縮量要大的多。又因為高強砼結(jié)構(gòu)不易透水的特點，在施工階段的外表相對濕度大于內(nèi)部，但拆模后置于室內(nèi)處的外表相對濕度卻要小于內(nèi)部，從而產(chǎn)生了內(nèi)、外部不同的壓縮，因此這時的砼結(jié)構(gòu)即便不遭受外界限制，但仍能由于本身收縮差而在內(nèi)部約束下，形成長期斷裂應力。

3.2 溫度收縮

大體積混凝土結(jié)構(gòu)是指在最小直徑任意一個方向超過1m以上的混凝土構(gòu)件中，其尺度已大到需要采取適當?shù)募夹g(shù)措施減小溫差，以合理緩解內(nèi)部溫度應力和限制裂紋發(fā)展的混凝土結(jié)構(gòu)。當混凝土構(gòu)件體積越大，表面系數(shù)也越小，分散開來的熱能比值也越小，而對應的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)在的高溫值也越高。大體積高強混凝土的普通水泥原料用量較多，水化放出熱能也較大，在非絕氣條件下砂漿材料所能獲得的最高升與水化熱的放出速率有重要關聯(lián)，但后者也與砂漿材料的本身高溫相關，升溫增加使砂漿材料迅速膨脹，而高溫階段的砂漿材料仍處在高塑性和較少彈性模量的狀況，在其他制約下可能產(chǎn)生的壓應力也甚為受限，而在溫降時的砂漿材料則已非常堅固，在外力影響和內(nèi)在制約下將產(chǎn)生很大的溫降收縮應力，當收縮應力超出了砂漿材料的拉應力時，便會形成高溫裂紋。

3.3 塑性收縮

塑性收縮裂縫是指硬化前新拌混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于表層水分揮發(fā)速度所產(chǎn)生的緊縮，因而可形成塑性裂縫。當新拌水泥的表層水分揮發(fā)速度超過了水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)向表層泌水的速度時，表層就會失水而干涸。由于高強度水泥的用水量一般很少，因此大體上都不泌水，尤其內(nèi)摻較多礦物質(zhì)的填充料時也是這樣，使得高強度水泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)易于產(chǎn)生塑性裂縫。而泵送的高強度商品混凝土由生產(chǎn)、運送至施工結(jié)束，持續(xù)時間通常較長，會后因加入了緩凝劑而延遲凝固的持續(xù)時間且坍落度很大，由于流動度較大，因此水泥用量較高時均會導致塑性緊縮而破裂。對塑性裂紋如不及時處理，其數(shù)量在水泥完全硬化后，會由自生收縮和隨溫度收縮逐漸向縱深處進一步發(fā)展而增加，隨年齡增加，也會由逐漸的干燥性縮短而增加。

4 裂縫防治

檢查比較后發(fā)現(xiàn)，二層混凝土樓板的裂紋分布也具有相似的規(guī)律；核心筒的角部板生成對角斜裂紋、核心柱的縱向中心板生成近乎直角的裂紋，斷裂的形狀與數(shù)量也相對類似。在二層樓板發(fā)生開裂情況時，工程工作人員也曾質(zhì)疑過樓板構(gòu)件配筋情況，但由于不出現(xiàn)不平衡的沉降現(xiàn)象，且夏季澆筑時日夜溫差也并不大。于是請施工單位再次試驗了該區(qū)域的梁板構(gòu)造，計算結(jié)果證實，該建筑核柱（16m×8m）擁有相當大的抗彎剛度，大大高于近鄰的框梁，所以核柱對樓板的約束程度遠遠超過框梁。筒體板受到高溫與混凝土收縮力的聯(lián)合影響而形成筒體墻約束，當溫度變形超出水泥極限應力值或溫度收縮應力超出水泥的極限拉伸值時，筒體板將斷裂。因為受筒體板的縱貫和橫向的聯(lián)合影響，轉(zhuǎn)角部邊緣處的筒體板內(nèi)的高溫壓縮應力特別大，是最易引起混凝土裂縫的地方。縱向的筒體板由于筒體墻的連續(xù)性限制，在中心區(qū)的溫度收縮應力到達了最大值；再結(jié)合上在轉(zhuǎn)角部區(qū)的縱貫和橫向相互作用的邊界約束拉應力，使得在縱向上的極容易發(fā)生近乎直角狀的斷裂。因為簡體板受筒壁的連續(xù)約束特別強，因此在筒體板的轉(zhuǎn)角部和縱向中最易斷裂。所以，應該采用附加的應力分布筋的構(gòu)造方法來減少裂紋。

4.1 改善邊界約束和構(gòu)造設計

據(jù)本地區(qū)建筑裂紋的分布狀況分析，多數(shù)為剛性較大的砼結(jié)構(gòu)材料和有較強的限制柱的建筑材料，由于裂紋較多，因此應當嚴格控制建筑材料的強度和斷面長度。較長的墻肢和有較強限制的建筑，宜設有必要的構(gòu)造孔洞，對這種建筑的配筋也應予強化。剪力墻的尺寸配筋率宜不低于0.3%～0.35%之間，且宜選擇管徑比較小、空隙比較密的配筋形式。樓面梁宜設置縱向結(jié)構(gòu)鋼筋，其間隔距離不宜超過200mm，每側(cè)縱向結(jié)構(gòu)鋼筋的截面尺寸宜不低于扣除樓板厚后梁截面尺寸的0.10%。此外，在孔洞與角處等殘余應力較集中的區(qū)域，也宜設置增強構(gòu)造鋼筋直徑或設置暗柱與暗梁等增強構(gòu)造。

4.2 原材料控制

高強混凝土的配比方面減少普通混凝土數(shù)量，并選擇降低水化熱和含堿量較少的混凝土類型，以降低自生收縮、高溫收縮、塑性收縮等。選擇膨脹系數(shù)較小的粗骨材如石灰?guī)r骨材質(zhì)量，同時增加對優(yōu)質(zhì)水泥綜合利用的摻量，以避免因粗骨材的層配不足而引起漿體含量過多、收縮速度加劇等，而產(chǎn)生的各種不利效果。同時對骨材的泥率也要進行更嚴格的控制，并選用合理的水膠比。緩凝劑雖然可以推遲水化速度，從而減少了水化熱釋化速率，也有助于硬化普通混凝土的抗開裂能力，但同時也增大了施工初期出現(xiàn)塑性開裂的風險。纖維砼的開裂研究特別對防治早期塑性裂縫能起到較好的效果。摻用造價比較便宜的聚丙烯纖維用作高強砼抗裂的一項有效方法，并在國內(nèi)外多項項目上成功運用。

4.3 溫度控制

降低砂漿的施工環(huán)境溫度對于對抗裂非常有益，如同一般砂漿一樣，由于高強度建筑混凝土的水化溫升比較高，溫度升高速率也很大。所以高強度砂漿的設計與施工都需要考慮溫度控制。即便構(gòu)件的長度不大，也要像一般大體面積砂漿施工時那樣，根據(jù)施工特點制定專門的措施，規(guī)定砂漿施工環(huán)境溫度、養(yǎng)護期間最高環(huán)境溫度、內(nèi)表最高溫差、溫降最大速度等限制值。施工環(huán)境溫度愈高，不但砂漿的水化熱產(chǎn)生愈快，所產(chǎn)生的體溫上升也更大，同時還會使拌制物的流動性下降，從而危害28d強度。因此一般采取冷凍骨材，或用碎冰作為部分鋼筋混凝土均勻水的措施，以減少拌制物在澆注時的工作溫度。一般來說，將混凝土溫度在較低層次上對抗裂有著非常關鍵的因素。高強混凝土的施工高溫不得高于30℃，在酷暑氣候下則不宜高于35℃，在嚴寒天氣下也不宜高于25℃。在養(yǎng)護期內(nèi)混凝土基礎施工的最高工作溫度不得高于75℃～80℃，內(nèi)表氣溫相差不得高于20℃，以及較多的25℃。早期混凝土表面氣溫如垂直觸及大氣，則二者氣溫相差不得高于20℃。

4.4 加強混凝土養(yǎng)護

砼的保養(yǎng)主要涉及保持濕潤和高溫兩個方面。按照保養(yǎng)時的溫度條件決定了保溫施工復地臺蓋層的厚薄，及其適當?shù)母采w和全面退出的深度。而過高或過低的溫度條件和嚴重的氣候變動（溫度變動，包括在熱水泥面上澆灑過冷的保養(yǎng)水等）也可能導致表面裂縫。而防止塑性萎縮最有效的辦法就是在終砼時維持熱混凝土表層的濕潤，因此必須在砼進模時即進行潮濕保護，并采用噴霧、灑水、刷子覆蓋等的方法，而不是像一般水泥澆筑一樣，待進模幾小時后再進行保養(yǎng)。而一般的砼模板既不耐雨也易傳溫，也易導致側(cè)面裂縫，應在砼外掛覆吸水的隔溫層，并及時松開對模板注水保護。盡量選擇有防水內(nèi)襯的鋼筋。拆模后的鋼筋仍應覆蓋較長時間，防止在暴露后干燥太快（尤其在有風的環(huán)境下）而導致裂縫。地下部分也應盡快覆土回填。澆灑施工液時，水中的溫度和鋼筋表面溫度差值不應超過15℃。

4.5 裂縫的處理

該項目的最大裂縫長度為0.3mm，適用于生長式水泥基滲透結(jié)晶防水材料使用；裂紋長度超過或等于0.3mm時，應用聚砜樹脂砂漿灌注；裂紋長度超過1.0mm時，應用微膨脹水泥砂漿修復。維修時，在裂紋上噴涂一次水泥漿界面劑，以達到效果。

5 結(jié)論

產(chǎn)生變形開裂的因素眾多，主要有水泥構(gòu)造型式、拌制水泥的原料、外加劑質(zhì)量、施工工藝、氣溫與相對濕度的改變、養(yǎng)護質(zhì)量等原因，當然還有許多原因是交織在一起的。分析本系統(tǒng)建筑特性：因為是大底盤雙塔框支式抗震加強的高層建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，而且使用了大體量、高強度、泵送商品砼結(jié)構(gòu)，故對其裂紋的形成因素及定位分析應當較早進行。