混凝土構件裂縫成因及預防措施研析

曾念童

(福建省東南建筑設計院 福建三明 365001)

0 引言

現澆鋼筋混凝土結構因具有著較好的整體性與耐久性的優勢而被廣泛采用，但由于其材料自身的特性，很難避免其完全不產生裂縫。鋼筋混凝土裂縫的寬度一旦超過規定值，不但會影響建筑的美感，破壞結構構件的整體性能，還會影響結構安全和使用壽命。鑒于裂縫出現后治理的難度較大，伴隨的滲漏水問題也很難根治，如何在結構設計、材料控制及建造過程中規范、系統的采取各項預防措施，預防鋼筋混凝土裂縫的出現就顯得至關重要了。本文結合混凝土裂縫的破壞的機理，裂縫常見類型及成因，來研析三明南站片區樞紐工程附屬設施(地下停車場)工程在結構設計、材料控制、建造過程中采取的各項裂縫預防措施，為同行技術人員提供參考。

1 工程概況

三明南站片區樞紐工程附屬設施包含地下停車場、酒店、汽車南站工程，本文就該項目地下停車場工程展開探討。三明南站片區樞紐工程地下停車場總建筑面積為79 000m2，為地下一層鋼筋混凝土框架結構，重點設防，設防烈度為7度，框架抗震等級為三級。室內環境類別為一類，室外、頂板及外墻等露天或潮濕環境為二a類。頂板梁板混凝土等級為C30,外墻混凝土等級為C35，混凝土結構構件裂縫控制等級為三級。地下室頂板的厚度為210mm，局部汽車通道頂板厚度為260mm，地下室頂板橫向最大長度為538m，縱向最大長度為276m，地下室外墻厚度為350mm。項目鳥瞰圖如圖1所示，項目地下一層平面圖如圖2所示。

圖1 項目鳥瞰圖

圖2 項目地下一層平面圖

2 鋼筋混凝土裂縫破壞的機理，裂縫常見類型及成因

各類型鋼筋混凝土裂縫產生，都是受一定因素的影響，某些裂縫的出現，也可能是多種因素共同影響的結果。故在研析實施各項預防措施前，有必要對鋼筋混凝土裂縫的破壞機理、裂縫形式及成因加以研究。

2.1 鋼筋混凝土裂縫破壞的機理

鋼筋混凝土裂縫的寬度一旦超過規定值且深度和長度足夠大時就會破壞鋼筋的保護層，這樣最終會造成鋼筋銹蝕。鋼筋一旦銹蝕之后體積會進一步膨脹，且會擴大混凝土裂縫，最終形成惡性循環[1]。鋼筋銹蝕除了會影響鋼筋與混凝土的粘結度，還會削減鋼筋受力面積，對于那些相對表面積較大而截面積較小的高強鋼絲而言更是影響巨大。混凝土裂縫如果長期得不到有效治理，鋼筋混凝土結構構件的承載能力就會逐步喪失。部分侵蝕性介質如氯鹽、硫酸鹽等將會進入到鋼筋混凝土當中，混凝土的抗凍性能會因此大大降低，滲漏水問題也會變得非常突出，最終會對整個建筑物使用的耐久性產生重要影響。

2.2 鋼筋混凝土板裂縫的常見形式

混凝土板裂縫從出現位置來進行劃分，通常可以劃分為這幾種形式：45°角斜裂縫(多出現于內外墻交接處的樓板四角)、穿線管位置裂縫(一般為貫通縫，產生危害的可能性大)、板面裂縫、平行于樓板兩邊的裂縫。除此之還存在不規則樓板陰陽角處裂縫，鋼筋混凝土樓板順筋方向的裂縫等。混凝土板裂縫常見形式如圖3所示。

(a)45°角斜裂縫 (b)平行于長邊的裂縫

(c)平等于短邊的裂縫 (d)穿線管位置裂縫圖3 混凝土裂縫常見形式

根據裂縫產生原因來分類可以分為：結構裂縫、收縮裂縫、溫度裂縫以及構造裂縫等4種類型。

根據裂縫出現時間分類可以分為：早期裂縫、中期裂縫與后期裂縫這3種類型。收縮裂縫在早期裂縫中最為常見，這類型裂縫通常產生于結構構件澆筑后的3～4周內；中期裂縫中最為典型的是構造裂縫，裂縫通常產生結構構件澆筑后的半年以后；溫度裂縫、結構裂縫都是屬于后期裂縫，后期裂縫通常產生于結構構件澆筑后的1～2年之后。

自泵送商品混凝土廣泛使用后，時常有混凝土初凝階段便出現板貫通裂縫的情形出現，縫寬一般為1mm左右，上下貫通，其完全是在商品混凝土生產過程中過量使用外添加劑、水灰比過大與及不規范養護措施等因素造成的。也有部分收縮裂縫和構造裂縫在結構構件未加外荷載時產生，超過一年之后就不會再發展。在實際工程中，大部分裂縫無法明確歸類，裂縫出現可能是一種或多種影響因素共同影響的結果[2]。

2.3 鋼筋混凝土板裂縫產生的原因

使混凝土構件產生裂縫的原因非常多，但究其根本原因大致可以分為兩類，一類為伴隨混凝土硬化及漿體收縮，在內應力與應力流的轉向作用下產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一步發展成寬度大于0.05mm的宏觀裂縫。這類型的裂縫對混凝土彈塑性、強度、變形、化學反應、剛度、泊松比等會產生較大影響。另一類是各種荷載(如溫度、沉降、外荷載、變形及收縮等)作用下混凝土內部承受的拉應力超過混凝土自身的抗拉強度ftk而產生的裂縫。裂縫之所以會產生不同的形狀與應力分布不規則性是有密切聯系的。裂縫方向通常是與主拉應力方向垂直或者是與剪應力平行。這類型的裂縫的進一步發展，是造成構件喪失承載能力的主要原因。

3 鋼筋混凝土裂縫的預防措施

鑒于使鋼筋混凝土的產生裂縫的各種因素與結構設計、材料控制和建造過程有著密切的聯系，三明南站片區樞紐工程附屬設施(地下停車場)工程鋼筋混凝土裂縫的預防也從這三方面來采取措施。

3.1 設計方面的預防措施

(1)重視荷載計算及板厚設計，確保梁板構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雜：有廣場、綠地、汽車停車場、消防車道及市區公共交通道路等設施。為確保各板塊具有足夠的承載能力，板塊荷載經過嚴格的計算：

頂板的恒載嚴格按照建筑構造分層計算累加，對于點荷載超過超過1ton的頂板構筑物、固定設備、樹木等按照荷載規范附錄C要求換算為均布荷載。考慮廣場的使用功能不確定性較高，荷載取值時兼顧考慮停車場荷載及人員密集場所荷載，并按最不利布置確定的組合進行截面驗算和配筋計算。板的裂縫嚴格控制在0.2mm以內。各板塊荷載計算如表1所示。

表1 各板塊荷載計算表

(2)加強伸縮縫、后澆帶及膨脹帶的設計，如圖4所示。

首先，通過伸縮縫，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，在每個板塊橫縱方向每隔60m～70m設置一道后澆帶，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后進行澆灌。混凝土采用C35(提高一級，內摻14%UEA微膨脹劑)，板面及板底加強鋼筋按相關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一道膨脹加強帶，寬度為2.0m。膨脹加強帶與頂板其他部位間混凝土采用無縫不間斷施工，膨脹加強帶外混凝土設計強度等級與頂板相同，摻高效能膨脹劑8%～10%(替換等量水泥)，帶內混凝土設計強度等級提高一級，摻高效能膨脹劑12%～13%(替換等量水泥)。帶的兩側上下層鋼筋之間設置Φ6mm 鋼絲網,網格尺寸為35×35mm，兩端分別綁扎在上下層鋼筋上，將帶內混凝土與帶外的分隔開。帶內增設10%～15 %的水平溫度鋼筋，均勻布置在上下層(或內外層)鋼筋上，水平溫度鋼筋垂直于膨脹加強帶長度方向進行分布，兩端各伸出膨脹加強帶2.0m ，并固定在上下層(或內外層) 鋼筋上。做法如圖5所示。

圖5 膨脹帶加強帶做法

(3)加強板面板底通長鋼筋及異形板陰陽角構造配筋設計。經過計算機輔助軟件計算確定板塊配筋面積后，再根據現行混凝土設計規范進行優化選筋。

裂縫寬度計算式[3]如下：

該項目地下室頂板采用HRB400級鋼，混凝土等級為C30，計算確定的受拉鋼筋配筋率為0.375%，根據《混凝土設計規范》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。

通過裂縫計算可得：

當受拉鋼筋配Φ14@200時，裂縫寬度ωmax=0.157mm;

當受拉鋼筋配Φ12@150時，裂縫寬度ωmax=0.144mm;

當受拉鋼筋配Φ10@100時，裂縫寬度ωmax=0.121mm。

對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，保證頂板的施工質量。

圖6 陰陽角部位設置放射狀構

(4)地下室頂板除雙層雙向配Φ12@150通長鋼筋，在頂板陰陽角部位設置放射狀構造配筋，如圖6所示。對于預埋管線厚度大于樓板總厚度20%時，穿管部位300寬度板帶內沿管線上下皮設置Φ8@100加強鋼筋網片，對樓板剛度進行局部補強。在樓板開洞過程中如果洞的直徑或者寬度不大于300mm時應把受力鋼筋繞過洞邊，此時不需截斷受力鋼筋以及在洞邊設置附加鋼筋，而當洞的直徑較大時應在洞邊每側都配置附加鋼筋。

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

3.2 材料控制方面的預防措施

(1)嚴格控制水灰比，要求水灰比不大于0.45、塌落度不大100mm。降低水灰比應減少拌合水量并增加粗骨料用量，最大限度降低開裂漿體的收縮率。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。

(2)為防止收縮裂縫及溫度裂縫，該項目承臺、底板、頂板及外墻均采用摻聚丙烯纖維的補償收縮混凝土，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%來控制；摻抗裂纖維防水劑的補償收縮混凝土，以混凝土在水中14d限制膨脹率≥0.025%來控制。

(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家標準。在正式使用之前對水泥的安定性進行了試驗，確保選用的水泥能夠滿足設計要求。

3.3 對施工方面的預防措施進行嚴格的交底和管控

(1)注重材料運輸管理，因項目在秋季施工，施工企業需就近選擇商品混凝土供應商，在合理規劃運輸路線的同時對運送過程中面臨的堵車問題提前制定預案，確保商品混凝土從攪拌出料到澆筑在90min內完成。

(2)嚴格按照設計文件的要求，控制混凝土配合比、水灰比、塌落度不超出設計文件允許限值，嚴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，大體積混凝土構件全部采用非泵送混凝土澆灌。

(3)加強振搗及養護，新澆搗混凝土的完成初凝后，在面層鋪設毛氈24h澆水養護15d。未設置伸縮縫、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 結語

實踐證明，大面積的混凝土樓板構件通過在設計階段強化結構計算及構造措施設計、在實施階段強化材料管控及施工組織措施，可以有效預防混凝土構件裂縫的開展。案例投入使用至今未出現明顯裂縫及滲漏水現象。2018年1月《福建省住宅工程若干技術規定》實施，對住宅項目板樓板厚及配筋進行規范和強化，切實保證了住宅項目樓板的剛度和配筋率，對于有效預防住宅項目樓板裂縫意義非常重大。