地鐵車站大體積混凝土裂縫產(chǎn)生原因及解決措施分析

任利國 張海波 曾子羽

（1 中交四航局第五工程有限公司；2 廣州航海學(xué)院）

近年來，隨著中國的快速發(fā)展，土地稀缺等問題越來越多，越來越迫切的要求對地下進行更大的開發(fā)和挖掘。地下室可以很好的處理停車場和噪聲問題，不少高樓的底層都會有地下室或車庫，為解決地面交通擁堵建設(shè)的地鐵車站等地下建筑設(shè)施層出不窮。但由大體積混凝土建設(shè)的這些設(shè)施的墻體裂縫也越來越嚴(yán)重。裂縫會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生滲漏，墻體內(nèi)部的鋼筋也會被侵蝕，這是一種很大的安全風(fēng)險。不但會破壞建筑物的美感，還會使建筑物的使用壽命下降，在施工過程中如果不重視、不采取相應(yīng)措施避免產(chǎn)生的后果將十分嚴(yán)重。

1 大體積混凝土墻體裂縫相關(guān)理論概述

1.1 外墻裂縫

混凝土產(chǎn)生裂縫的原因可分為兩大類：結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性裂縫。前者是外荷載導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)次應(yīng)力所引起的裂縫，而后者則是由變形變化等因素所引起的，如溫度、收縮、不均勻沉降等產(chǎn)生的裂縫。在固態(tài)物質(zhì)中存在不連續(xù)性，如物質(zhì)內(nèi)部的瑕疵或隨時間擴大的裂縫，會導(dǎo)致墻體漏水、鋼筋破損、生銹和裂縫擴大，對建筑物壽命造成影響。因此，應(yīng)采取預(yù)防墻體裂縫的措施。裂縫的殺傷力會隨著時間的推移不斷增強，而在墻面開裂或陰雨天氣下，雨水會滲入墻體表面，導(dǎo)致剝落和霉菌滋生，對人體身體和心理造成很大的危害。

1.2 裂縫的主要特征

墻體的破壞有三種表現(xiàn)形式，一種是墻體的兩側(cè)壓潰，主要的破壞集中在墻體的端部，裂縫多為貫穿墻體上下的豎向裂縫；一種是墻體的整體破壞，破壞表現(xiàn)為墻體的整體開裂和混凝土剝落，除了豎向裂縫外，還有較多斜向裂縫；還有少數(shù)墻體破壞為墻體的部分整體破壞，破壞集中在墻體的一半?yún)^(qū)域，半面墻體開裂，伴有斜向裂縫向墻體中部延伸[1]。

裂縫主要為豎向裂縫，縫長接近墻高，兩端逐漸變細(xì)而消失；數(shù)量較多，寬度一般不大，絕大多數(shù)縫寬度≤0.2mm；沿地下室墻長兩端附近裂縫較少，墻長中部附近較多；裂縫出現(xiàn)時間多在拆模后不久，有的與氣溫驟降有關(guān)；隨著時間裂縫數(shù)量增多，但縫寬加大不多，發(fā)展情況與混凝土是否暴露在大氣中和暴露時間長短有關(guān)。雖然裂縫無法完全防止，但在建筑業(yè)中，控制裂縫寬度在一定限度內(nèi)即可，通常不會對墻體產(chǎn)生重大影響。

2 大體積混凝土墻體裂縫產(chǎn)生原因

2.1 混凝土自身原因

混凝土是由石子、水泥、砂漿和水等材料組成的一種復(fù)合物?；炷僚渲茣r需要考慮石材的粒度、類型、灰漿的水分含量、水質(zhì)和水溫等多種因素。一些廠商未嚴(yán)格把控原材料的品質(zhì)，將劣質(zhì)材料與優(yōu)質(zhì)材料混合使用，導(dǎo)致混凝土品質(zhì)下降和裂縫問題的加劇?；炷恋膹姸燃墑e與混凝土用量、水化熱量之間存在比例關(guān)系，高溫條件下混凝土在拌和過程中流量會產(chǎn)生較大的變化，難以保障品質(zhì)。在裂縫形成方面，混凝土的原材料選擇和配合比設(shè)計不當(dāng)，沙子中粘土含量過高、混凝土用量太多、加入過多沙子或只添加膨脹材料都可能引起混凝土收縮和裂縫形成。此外，混凝土在澆注后需要實施適時維護以避免塑性變形和裂縫產(chǎn)生。

2.2 不均勻沉降及溫度應(yīng)力

2.2.1不均勻沉降

在澆注混凝土后，建筑會逐漸下沉，不同位置承受不同的壓力，其自然沉降也不同，產(chǎn)生的沉降差也很大；當(dāng)結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力有一定偏差時，就會產(chǎn)生裂縫。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)承受的載荷不均時，會對承載層土壤造成不利的作用，進而引起局部土體的不均勻下沉。同時，在基坑底部還會產(chǎn)生一定的變形，從而引起整個土體的受力不均勻。地基的受力不夠，一旦出現(xiàn)位移，就會導(dǎo)致墻體的裂縫。在建造房屋時，最重要的是基礎(chǔ)，一旦地基發(fā)生變化，引起不均衡的沉陷；如果超過該極限張緊力，就會造成輕微的開裂，甚至是嚴(yán)重的翻轉(zhuǎn)。

2.2.2溫度應(yīng)力

混凝土受溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力稱為溫度應(yīng)力，在地下室墻的設(shè)計中常未充分考慮其影響，但裂縫的大小、性質(zhì)等會影響結(jié)構(gòu)的耐久性和工程品質(zhì)?；炷猎谑┕み^程中由于內(nèi)部高溫而膨脹，容易導(dǎo)致墻體開裂而品質(zhì)下降?；炷劣昧颗c強度、水化熱量等相關(guān)，高水化熱一般發(fā)生在固化階段，導(dǎo)致混凝土發(fā)熱和收縮，外表面受到拉伸應(yīng)力而內(nèi)表面則受到壓縮應(yīng)力，若超過混凝土的拉伸強度則出現(xiàn)裂縫，溫度變化引起的裂縫可歸結(jié)為混凝土應(yīng)力和水化熱量。

2.3 施工養(yǎng)護及設(shè)計原因

2.3.1混凝土養(yǎng)護不足

隨著混凝土使用年限的延長，其抗壓能力會降低，故加固期間需進行有效維護。膨潤劑噴射養(yǎng)護應(yīng)在一定溫度范圍內(nèi)、含水量充足的條件下進行。膨脹劑用量大，故需進行強化保養(yǎng)，噴灑過程中需保持地面潮濕。墻作豎向構(gòu)造，維修極具挑戰(zhàn)性，澆注完之墻壁未經(jīng)過灌溉及保養(yǎng)，不出兩日即可拆除。在鋼筋綁扎過程中，大多未留意連接部位及鋼筋傾角，導(dǎo)致加固防護層未符合規(guī)范，表層出現(xiàn)裂縫?；炷翝仓^程中使用振動棒振動，但由于長周期不能充分混合，模板拆除后仍會出現(xiàn)裂縫。

2.3.2設(shè)計方面不合理

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，在室外20m 以內(nèi)時，現(xiàn)澆鋼筋混凝土墻的伸縮縫不超過30m，而在工程中，許多墻的長度超過20～30m。墻壁過長并不是國家的法律法規(guī)，而是用普通的混凝土加固。標(biāo)準(zhǔn)中要求大尺寸建筑物的后澆段間距不得大于60m，另外，墻體橫向鋼筋設(shè)置于縱向鋼筋內(nèi)部，橫向混凝土未受到較好的約束。若墻體的橫向筋設(shè)置于垂直筋的外部，可以有效地減輕墻體的裂縫?？刂茐Π妪g期在28d 以上，并在墻板頂部設(shè)置彈性縫，避免斜裂縫的產(chǎn)生[1]。安裝時的接縫處未按要求進行施工縫處的處理是影響裂縫的其他原因。

隨著光纖體積摻雜比的增大，砌塊抗壓強度先增加后減小，抗裂性和透光性增加，抗侵蝕、抗?jié)B性以及脆性系數(shù)下降[2]。

3 大體積混凝土墻體裂縫解決措施

3.1 選用合適的混凝土

混凝土原料應(yīng)滿足以下技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)要求：粉煤灰質(zhì)量等級不低于2級，摻入率不超過20%；混凝土強度等級不低于32.5，不得與其他物料混合；中沙的泥含量應(yīng)低于3%，泥量不超過1%；砂礫或鵝卵石的直徑應(yīng)在5～40mm 之間；攪拌用的水必須為清潔的水；添加劑必須符合國家1 類標(biāo)準(zhǔn)。在選擇混凝土?xí)r，優(yōu)先采用低水化溫度的礦渣硅酸鹽混凝土；在大體積混凝土中適量添加粉煤灰和減凝劑，可有效減少其水化熱量；對混凝土配比進行嚴(yán)格控制，盡可能降低混凝土比例，但不影響混凝土品質(zhì)。通過嚴(yán)格控制細(xì)砂集料摻入量，確保其品質(zhì)穩(wěn)定可靠。

混凝土的水化熱是導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高的主要因素。選用低熱混凝土可有效降低水化熱率，使其內(nèi)部溫度下降。研究表明，325 和425 型礦渣混凝土具有低水化熱量，其熱量比常規(guī)混凝土低28%。具體材料包括：選擇適當(dāng)?shù)哪z凝材料，如礦渣硅酸鈣、粉煤灰、細(xì)度較小的中溫型混凝土，以及在可能的情況下使用低溫型混凝土；選擇適當(dāng)粗細(xì)度尺寸的集料，如低于2%的含泥中等粗砂粒，砂礫或鵝卵巖含量不超過1%的合適顆粒大小；加入適當(dāng)?shù)脑龀韯┖蜏p水劑可改善混凝土流變性，通過分散和減水作用有效地減少耗水量，提高抗壓能力，還可減少水化熱、延緩混凝土最大溫度、降低因氣溫變化引起的裂縫；摻入硫酸鈉可加速混凝土凝固，但注意用量；將適當(dāng)?shù)呐蛎洸牧蠐饺牖炷林?，可獲得一種具有補償收縮作用的混凝土。膨脹劑可分為硫酸鋁酸鈣型和氧化鈣型，國內(nèi)常用的是AEA 型，其添加量為10%或UEA 型的15%。

3.2 控制不均勻沉降與溫度應(yīng)力

3.2.1控制不均勻沉降

在土木工程中，為了降低整體沉降常采用樁基或其它樁基。采用CFG 加固基礎(chǔ)并采用合理建設(shè)對策，可保證基礎(chǔ)承載能力和壓縮模量處于最優(yōu)值。后澆帶在工程中是必要的，有沉淀和溫?zé)醿煞N，需要在主體工程完工后或兩個多月內(nèi)進行組裝，與鄰近房屋地基之間的間隔應(yīng)合理。為了避免結(jié)構(gòu)沉陷引起的裂縫，可合理選取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造方式，配以適當(dāng)?shù)娜α褐詼p少基礎(chǔ)及房屋本身的自重，先行建設(shè)超大型建筑物，再對小型、輕型建筑物進行后期建設(shè)。在建設(shè)工程前必須對基礎(chǔ)進行預(yù)處理，考慮開挖對基坑底部土壤的保護以及降雨和樁邊鉆孔對相鄰建筑物的影響。

另外，裂縫的修補可采用以下常見方式：表面涂布法，使用硫化物固化劑、聚氨酯、環(huán)氧基等涂料，需滿足混凝土表面必須牢固、清潔，涂層大約1mm 即可。涂覆和玻璃網(wǎng)工藝法，用環(huán)氧復(fù)合材料與玻璃網(wǎng)或聚氨酯涂層。灌裝法切開裂縫后注入甲基丙烯酸酯、水溶性聚氨酯、環(huán)氧等材料，適用于裂縫修復(fù)。對于裂縫的修補，注漿法分為高壓注注機注入環(huán)氧膠泥漿和0.2～0.4 百萬帕斯壓強的注漿量兩種。

3.2.2控制溫度應(yīng)力

預(yù)制墻體的傳熱系數(shù)隨保溫層厚度的增加而減小[4]。在施工現(xiàn)場，常用的混凝土強度等級普遍為C30或更高。但是，隨著強度級別的提高，其摻入量和標(biāo)號也隨之增大，從而導(dǎo)致更高的水化熱量和溫度壓力，進而引起墻壁的裂縫。在進行混凝土泵送時，由于泵浦的混凝土強度高于常規(guī)混凝土，其摻入的混凝土成分明顯大于一般的混凝土，從而使其水化熱量增加并提高混凝土中的溫度壓縮裂縫風(fēng)險。此外，在相同的摻入量下，為了確?；炷恋乃涑潭?，應(yīng)增加用水或摻入添加劑。因此，在泵送混凝土?xí)r，混凝土比例要大于普通混凝土的5～10 倍，并注意水分含量的減少以降低干燥收縮開裂的幾率。國內(nèi)對泵送混凝土的最低使用限制是300kg/m3，以確保泵送混凝土的平順度并減小泵壓的阻力。此外，集料粒度對泵送混凝土質(zhì)量有很大影響，應(yīng)注意砂礫和卵石顆粒直徑與管內(nèi)徑之比的控制。在降低溫度應(yīng)力方面，可以通過骨料級配的提高、添加塑化劑外加劑、利用水冷卻碎石等方式來降低混凝土的溫度。同時，在熱天澆筑混凝土?xí)r可以減少澆筑厚度并利用澆筑層面散熱，或者將水管埋在混凝土中并通入冷水以降低溫度。在拆模時，需要制定好拆模時間，并在溫度突然降低時對墻體表面進行保溫，防止混凝土表面產(chǎn)生較大溫差。對于長期暴露在外的澆筑塊表面或較薄的結(jié)構(gòu)，需要在冬季進行保溫措施。

3.3 加強施工養(yǎng)護和相關(guān)設(shè)計

3.3.1加強對混凝土的養(yǎng)護

為了減少裂縫的產(chǎn)生，需要嚴(yán)格掌握施工方法和施工時機。在混凝土澆注后的前12 個小時內(nèi)，應(yīng)進行定量的灌水，采用優(yōu)質(zhì)保水劑，并確保均勻噴灑。在透明膠片養(yǎng)護過程中，必須嚴(yán)格覆蓋以防止外露，以保持內(nèi)部濕度。噴灑養(yǎng)護水需由專人負(fù)責(zé)，以保持混凝土的濕潤狀態(tài)。在冬季低溫條件下，應(yīng)采取防凍措施，對豎向構(gòu)件進行養(yǎng)護液噴灑。電渣壓力焊時，應(yīng)注意鋼筋的搭接狀態(tài)和傾角，一般應(yīng)在焊縫上保留4mm 的電渣量，坡度不應(yīng)超過15°。

在混凝土澆筑過程中，工人應(yīng)注意以下事項：

⑴快速插入振動器，并緩慢拔出，以避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。

⑵嚴(yán)格控制振動時間，過短會導(dǎo)致漏振，過長會導(dǎo)致混凝土與砂子分離并產(chǎn)生沉降，從而使混凝土表層發(fā)生砂化，嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量。

⑶在大約25 秒內(nèi)，每次振動應(yīng)持續(xù)到混凝土不再產(chǎn)生泡沫或明顯沉降，并使灰漿流出。

⑷振動器的插入間距應(yīng)在30～50cm 之間，以避免漏振。

⑸為增強上部和下部混凝土的粘結(jié)強度，振動器的插入深度應(yīng)小于10cm。

⑹在振搗過程中，不得接觸模板、鋼筋和預(yù)制構(gòu)件，僅在靠近模板的位置進行振動。可以用木槌輕輕敲擊模板，并在模板邊緣和鋼筋密布區(qū)域使用鐵釬進行振動，以確?；炷恋臐仓|(zhì)量得到充分保證。

3.3.2完善設(shè)計

⑴為避免氣溫變化引起混凝土建筑裂縫，合理的伸縮縫應(yīng)按照設(shè)計要求設(shè)置，間距不低于實際尺寸。施工實踐和使用年限可以根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》縮短伸縮縫間距。為提升智能建筑混凝土墻體安全，研究基于極點特征聚類的智能建筑混凝土墻體裂縫識別方法，精準(zhǔn)識別墻體裂縫，及時修補裂縫，確保墻體安全[3]。

⑵對邊壁橫向鋼筋要進行嚴(yán)密監(jiān)控。采用抗裂筋間距較短、直徑小、間隔小的加固方法，強化構(gòu)件的受力特性和變形，并在薄弱區(qū)域加固，設(shè)置隱蔽梁板以增加混凝土的配筋比和極限拉伸強度。此外，還應(yīng)在垂直筋的外部布置橫向筋。

⑶減少邊壁高度，并按要求設(shè)置永久可擴展裂縫，范圍為30～40m?？梢蕴峁?m寬的后澆條，間隔為20～30m，以減小熱收縮壓力。在后期施工中，將各部分墻體拼接成一體澆筑。為減少后澆區(qū)數(shù)量，可采用UEA 膨脹劑。

⑷充分發(fā)揮混凝土后期性能，將56 日混凝土的抗壓強度值置換為28 日以后的混凝土，有效減少水化熱量和用量。

⑸確定混凝土的摻入量和水灰比，同時確保混凝土的品質(zhì)。提高鋼筋混凝土抗拉能力，通過合理的配筋布置控制混凝土的溫度裂縫和收縮裂縫。在依托工程原配合比的基礎(chǔ)上，從材料角度考慮摻加抗裂劑來降低混凝土外約束應(yīng)力。在滿足工作性能與力學(xué)性能的前提下，降低水泥用量降低混凝土絕熱溫升；粉煤灰早期水化較慢，替代水泥可降低結(jié)構(gòu)溫升，減小溫降收縮和自收縮，礦渣粉會增加自干燥收縮，且降低溫升效果不及粉煤灰，適當(dāng)多摻粉煤灰和少摻礦渣粉；同時摻入具有微膨脹功能的抗裂劑，補償混凝土收縮變形。本工程混凝土采用泵送工藝，若水膠比偏小會導(dǎo)致泵送壓力大，不便于施工，因此適當(dāng)提高水膠比[2]。

此外，在設(shè)計中要征求科研單位、施工單位、材料研究人員和質(zhì)檢人員的意見，確保工程安全和施工便利。設(shè)計單位應(yīng)對地下室重要構(gòu)件的承載能力和地基沉降情況進行驗算，以發(fā)現(xiàn)設(shè)計不足，并采取相應(yīng)對策。

4 結(jié)論

針對混凝土建筑常見的開裂問題，我們進行了全面的研究，從原材料、性能和施工等方面進行了分析。我們總結(jié)了混凝土墻開裂的成因，并提出了相應(yīng)的防治對策。通過對混凝土墻開裂成因的分析，我們確定了一系列問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。然而，在現(xiàn)場勘察、原材料選擇和施工技術(shù)等問題上仍需進一步研究，以進一步完善混凝土結(jié)構(gòu)墻體的開裂問題。

主要結(jié)論如下：

⑴對于大體積混凝土墻體，我們采取了預(yù)防開裂的措施，并進行了詳細(xì)的論證，以確保其抗裂性能。在施工前期，需要改善混凝土的原材料和性能，以從根源上提高混凝土墻體的抗裂能力。

⑵混凝土墻體的開裂與內(nèi)部變形和熱因素密切相關(guān)。收縮是混凝土變形的重要原因，增加了開裂的可能性。溫度變化是導(dǎo)致混凝土開裂的主要因素，早期水化熱不能充分釋放，導(dǎo)致溫度應(yīng)力增大。因此，在建筑工程中，需要合理調(diào)配原材料，并有效控制氣溫變化。

⑶我們強調(diào)建筑設(shè)計師對設(shè)計規(guī)范的意識，仔細(xì)研究相關(guān)部門和項目承包方的新規(guī)定，將施工項目的各個方面納入考慮，然后進行混凝土墻體的防開裂工作。

盡管本研究對混凝土結(jié)構(gòu)墻體開裂問題進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了一系列問題并提出了解決方案，但混凝土施工是一個復(fù)雜的過程，涉及各個方面。在建筑場地勘察、原材料選擇和施工工藝等方面，我們需要進一步探討。在實際工作和生活中，我們必須總結(jié)和完善新的方案，以進一步解決混凝土結(jié)構(gòu)墻體開裂問題。