房屋主體結(jié)構(gòu)混凝土裂縫的成因及控制分析

秦云雷，胡華宏，辛梓粼，周雙，張明凱

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

房屋主體結(jié)構(gòu)裂縫是建筑領(lǐng)域長期存在的技術(shù)難題，微小裂縫變形不會過多影響結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能，但如果變形嚴(yán)重，勢必導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，甚至引發(fā)安全事故。近些年，混凝土裂縫研究成果較多，為強化對混凝土裂縫的理解，預(yù)防巨大病害，結(jié)合實際項目進行分析十分必要。

2 項目概況

周口開元萬達廣場住宅項目位于周口市開元大道南側(cè)、春暉路東側(cè)、南六路北側(cè)。用地面積7.7 萬m2，總建筑面積29.4 萬m2，其中地上建筑面積約23.86 萬m2，地下建筑面積5.54 萬m2。其中包含34 層高層住宅11 棟（11 號～13 號、16 號東單元、17 號～23 號），25 層高層住宅1 棟（16 號西單元），27 層高層住宅1 棟（15 號），1 棟幼兒園及1～2 層商業(yè)若干，1 層地下車庫。主樓結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

3 房屋主體結(jié)構(gòu)混凝土裂縫成因

在混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫能分成微觀與宏觀兩種，前者指無法通過肉眼觀察的病害：骨料和水泥石黏合處縫隙；水泥石內(nèi)部裂縫；骨料中的裂縫，其分布缺乏規(guī)則性及連續(xù)性。后者是能直接觀察到的縫隙，尺寸通常能達到0.05 mm，且后者應(yīng)由前者發(fā)展形成。由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)裂縫幾乎必然出現(xiàn)，只有盡將其控制在允許區(qū)間內(nèi)，才能避免變成真正的病害。混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因通常表現(xiàn)在：首先，外部荷載，屬于普遍狀況，由結(jié)構(gòu)主要應(yīng)力造成的；其次，結(jié)構(gòu)次應(yīng)力，一般是因為主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)實工況和設(shè)計階段的假設(shè)模型存在差異導(dǎo)致；最后，變形應(yīng)力，包括沉降、溫度與收縮等變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，繼而出現(xiàn)應(yīng)力，在應(yīng)力高于結(jié)構(gòu)抗拉強度后便會形成裂縫。

3.1 溫度裂縫

混凝土結(jié)構(gòu)變形后，相連部分以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部均受其影響。如果混凝土結(jié)構(gòu)截面尺寸偏大，內(nèi)部溫濕度易出現(xiàn)不均勻分布情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)各部分相互制約。項目施工中，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸大、材料使用量多，水化熱過大結(jié)構(gòu)會面臨大幅溫度起伏及收縮應(yīng)力，可見，溫度收縮應(yīng)力就是造成主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的關(guān)鍵因素。由此形成的結(jié)構(gòu)縫隙，包括表面與貫通兩類。前者是因為結(jié)構(gòu)內(nèi)外散熱效果存在差異，產(chǎn)生溫度差，結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受壓應(yīng)力，外表則要抵抗拉應(yīng)力，在超出混凝土抗壓強度后即出現(xiàn)裂縫。而貫通裂縫則是因混凝土結(jié)構(gòu)強度達到一定水平后，溫度慢慢下降，降溫差異導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，加之混凝土失水引發(fā)收縮變形，由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)抵抗強度，易形成貫通裂縫[1]。

3.2 收縮裂縫

高強度的混凝土結(jié)構(gòu)，初期收縮比較明顯，原因是此類混凝土材料內(nèi)30%～60%左右的礦物細摻合料取代了傳統(tǒng)水泥，而減水劑使用量達到膠凝原料整體的1%～2%，總體水膠比處于0.25～0.4 能夠優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)。而該類混凝土材料也存在負面影響，易提高收縮裂縫的形成概率。高強度混凝土結(jié)構(gòu)收縮裂縫有不同形式，根據(jù)裂紋產(chǎn)生時間，大致判斷出實際成因。如塑性裂縫通常是在混凝土澆筑完工后的數(shù)小時至十余小時形成；溫度裂縫一般在澆筑后的2～10 d；自收縮裂縫則需待混凝土硬化之后的數(shù)日至幾十日產(chǎn)生；干燥裂縫通常在1年左右產(chǎn)生。

1）塑性收縮。高強度混凝土水膠比小，自由水分不足，其他摻合料對于水分具有較大的敏感度，所以此類結(jié)構(gòu)一般不泌水，結(jié)構(gòu)表面的失水速度較高，因此，高強度混凝土結(jié)構(gòu)更易發(fā)生收縮裂縫。

2）溫度收縮。在混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)偏高的主體結(jié)構(gòu)中，水泥添加量相對偏多，水化熱更加明顯，升溫速度快，總體變化幅度為35～40 ℃，再加上材料初始溫度，最終溫度可達70～80 ℃。而混凝土熱膨脹系數(shù)大約是10×10-6/℃，在溫度下調(diào)2～25 ℃后，混凝土結(jié)構(gòu)會因為承受巨大應(yīng)力出現(xiàn)冷縮，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

3）干燥收縮。結(jié)構(gòu)吸附水損失后易引發(fā)干縮。

4）自收縮?；炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)的相對濕度會在水化熱產(chǎn)生過程中不斷下降，也就是“自干燥”，導(dǎo)致水分不飽和，形成負壓，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)自收縮。

4 控制主體結(jié)構(gòu)混凝土裂縫措施

4.1 合理挑選混凝土原料

1）選擇水化熱程度處于較低水平的水泥材料制作混凝土，如粉煤灰、礦渣硅酸鹽等水泥。混凝土由水化熱反應(yīng)導(dǎo)致熱量積聚，形成溫差應(yīng)力。對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，一般選擇礦渣硅酸鹽水泥，結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)說明，此類水泥3 d 水化熱為180 kJ/kg，而普通硅酸鹽水泥則達250 kJ/kg，故改用礦渣硅酸鹽能使水化熱大幅下降。

2）減水劑選擇木質(zhì)素磺酸鈣，其擁有極高的分散性與黏結(jié)性等優(yōu)勢。在拌制混凝土中，可當(dāng)成一種外加劑，其使用量在水泥量的0.25%～0.3%倍，借此能少添加10%～14%的水，達到控制水化熱的目的，降低釋放熱量的速度。

3）粉煤灰外摻料。拌制混凝土中加入適量粉煤灰，具有潤滑效果，優(yōu)化混凝土材料輸送與黏塑等特性。另外，粉煤灰可取代部分水泥，實現(xiàn)控制水化熱的程度[2]。添加粉煤灰的混凝土結(jié)構(gòu)，后期強度明顯提升，但也要注意粉煤灰的實際用量，以免結(jié)構(gòu)表面形成細紋。

4）骨料挑選。混凝土材料通常是連續(xù)級配，以此保證其和易性，實現(xiàn)用較少的水與水泥就能達到抗壓需要。在該工程中，粗骨料粒徑標(biāo)準(zhǔn)是20～40 mm，而細骨料以中砂為主，且注意骨料含泥量，不能超過1%。

4.2 把控混凝土入模的溫度

建筑主體結(jié)構(gòu)混凝土施工一般是在春秋兩季，或溫度相對偏低的時段，以此降低混凝土澆筑期間的溫度。如果是高溫季節(jié)，需采取必要舉措調(diào)節(jié)澆筑施工溫度，現(xiàn)場要搭建相關(guān)設(shè)施。對于入模溫度的調(diào)控可嘗試借助以下方式實現(xiàn)。

1）混凝土材料中粗骨料用量能達到50%左右，所以控制粗骨料溫度，可有效降低拌制出料的實際溫度。按照有關(guān)數(shù)據(jù)說明，粗骨料溫度下降5 ℃左右，混凝土出料溫度大約能下調(diào)1 ℃。因此在拌制施工中，施工人員可適當(dāng)噴灑冷水，控制骨料溫度。而在實際操作中，必須對灑水量進行有效控制，以免由于含水量“失控”，提升混凝土坍落度，甚至引發(fā)離析的問題。為防止發(fā)生該類情況，通過混凝土配合比試驗，靈活調(diào)整拌制原料投入量。

2）水泥原料保存空間要有良好的通風(fēng)，水泥溫度應(yīng)在60 ℃以內(nèi)。

3）拌制混凝土中的水體也應(yīng)進行冷卻處理，控制在5 ℃左右。

4.3 實施全過程測溫

在設(shè)置測溫點時要遵循以下原則。

1）保證測溫點可以體現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)溫度場與變化情況。

2）在主體結(jié)構(gòu)的各個部分與中心位置、厚度差異過渡區(qū)與結(jié)構(gòu)邊緣等位置，容易出現(xiàn)明顯約束應(yīng)力的位置，應(yīng)適當(dāng)提高測溫點的布置密度。

3）測溫點要避開陽光直射的位置，以免影響溫度參數(shù)收集結(jié)果的準(zhǔn)確度。根據(jù)相關(guān)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，混凝土表面溫度和自然環(huán)境溫差應(yīng)在20 ℃以內(nèi)，所以在測量混凝土內(nèi)部溫度中，也要記錄大氣溫度變化。

4）保溫層部分的測點，需設(shè)置在混凝土結(jié)構(gòu)與保溫層之間，收集層內(nèi)的數(shù)據(jù)變化。按照混凝土結(jié)構(gòu)項目的施工規(guī)范，結(jié)構(gòu)表面40～80 mm 處，內(nèi)部溫差要控制在25 ℃以內(nèi)。相應(yīng)測溫布置點如圖1 所示。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)測溫點布置方法

測溫操作從混凝土澆筑到后期拆掉保溫層，至少需20 d。本項目中，測溫頻率可參見表1。

表1 混凝土結(jié)構(gòu)測溫頻率

4.4 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

在房屋主體結(jié)構(gòu)設(shè)計中需考慮方案本身的完整性與實效性，以此實現(xiàn)從根本上加大對裂縫病害的控制力度。為此，設(shè)計師需根據(jù)不同施工節(jié)點可能形成的應(yīng)力情況調(diào)整房屋結(jié)構(gòu)，并對因應(yīng)力變化形成裂縫的部分實行精準(zhǔn)預(yù)測，利用加強對應(yīng)力的制約，控制裂縫威脅范圍。具體的設(shè)計處理中，除了考慮結(jié)構(gòu)裂縫本身外，還需全面提升主體結(jié)構(gòu)剛度，保證混凝土結(jié)構(gòu)具有足夠的荷載能力，防止因為載荷以及結(jié)構(gòu)承重能力的設(shè)計誤差，埋下形成裂縫的隱患。同時，在利用荷載強度加強對主體結(jié)構(gòu)裂縫控制的同時，設(shè)計師還要關(guān)注地基沉降的問題，對此可專門制訂沉降縫處理方案。如結(jié)合項目區(qū)的各類環(huán)境條件，在易發(fā)生裂縫的位置使用完整的鋼筋混凝土體系，并提升地基穩(wěn)定性，抑制裂縫發(fā)育[3]。

5 結(jié)語

為有效提升對混凝土裂縫的管控，應(yīng)注重結(jié)構(gòu)本身的設(shè)計，且要結(jié)合具體試驗進行分析，挑選合適材料。在施工過程中重點控制溫度條件。通過提前降低拌制混凝土的原料溫度、用其他物料代替水泥等方式，降低混凝土澆筑期間的溫度水平，同時，為提高現(xiàn)場控制的精準(zhǔn)度，施工人員要在適當(dāng)?shù)奈恢貌荚O(shè)測溫點，及時采集主體結(jié)構(gòu)各部分的溫度數(shù)據(jù)，以便調(diào)整施工方案與管理計劃?？傮w來看，雖然混凝土裂縫在所難免，但在保障各項施工條件穩(wěn)定的情況下，裂縫能處于可控狀態(tài)，利用防范舉措抑制裂縫發(fā)展。