地下室超长墙板裂缝成因及控制

1、地下室超长墙板裂缝成因及控制摘要：根据混凝土结构设计规范GB50010-2010第8.1.1条，现浇式地下室墙板仅30米需设置伸缩缝，当存在可靠的技术措施时可适当放大伸缩缝间距。在一些大型工程条件下，对超长结构混凝土的需求远超30米，若处理措施存在缺陷，势必对建筑工程的耐久造成一定影响。在各类大型场馆和生产设施的需求下，在追求建筑工程力与美的要求下，在保证建筑地下结构功能性前提下，地下室外墙必须严格控制其裂缝产生。 根据混凝土特征，将裂缝成因共分为两个大类：应力裂缝和构造裂缝，从其不同的成因来分析解决地下室超长外墙裂缝，达到使用功能目标。本文结合无锡某会展场馆建设经验，通过理论分析结论有效控制

2、缺陷。关键词：二维热传导 应力裂缝 构造裂缝首先，从其结构方面分析地上结构和地下结构存在的本质性差别。地上结构由于比较方便地设置变形缝；框架结构特征存在柔性变形特点等因素，楼面超长混凝土产生裂缝不必通过高代价措施能够得到控制，产生的影响也较小。如设置双柱仅缩小有限空间，结构成型保持良好。但地下结构由于沿海地区有丰富的地下水资源，三类粘土侧压力等外界因素共同作用下，地下外墙必须承受外力荷载和水压渗透多方面因素影响。又因地下外墙为封闭结构，自由伸缩空间几乎不存在，外墙防水在没有十足可靠时，势必会产生漏水现象，水渗透过外墙混凝土，对混凝土内钢筋的腐蚀作用又会大大减少建筑结构耐久年限。根据混凝土结构设

3、计规范，当采用下列措施时，伸缩缝间距可适当放大：采取减小混凝土收缩或温度变化措施；采用预应力或改善配筋率措施；采用低收缩混凝土材料，并配合跳仓、后浇带、控制缝等方法并加强养护措施。但上述措施在实践中并未出现良好的控制效果，且未考虑到如温度变化、应力荷载、构施等因素影响。参考其他发达国家混凝土设计相关规范，并未对伸缩缝间距作严格要求，因此借鉴国外规范，说明在分析完善裂缝成因对采取针对措施后，裂缝能够得到有效控制。故有必要对此展开讨论，对裂缝控制有重要意义。1. 裂缝成因1.1应力裂缝1.1.1动、静荷载 地下室外墙土带来的侧压力和地下水侧压力作用是主要的恒荷载，均布压力产生的拉应力持久作用下，墙

4、板混凝土存在缓慢徐变过程，若超过钢筋混凝土抗拉强度，则短时间内能出现裂缝导致质量缺陷。另外地下室内存放有各类设备，如水泵、风机或其他大型设备产生的震动，相对于恒荷载来说破坏力更大，特别是微震。混凝土内颗粒间凝固程度不尽相等，震裂颗粒间的胶粘也会形成有规则裂缝。1.1.2其他荷载 也可以理解成人为设置荷载或是次内力。比较典型的有预应力，预应力在超静定结构中产生的次内力。普遍情况下，墙板内设置的预应力为温度裂缝控制用的无粘结预应力，均匀分布在墙板两侧。在遇垂直方向其他剪力墙或是柱时，张拉变形量不均匀导致出现初期人为裂缝，为不可见裂缝，在建筑使用期间逐步显现。其他荷载还包括上部结构自重带来的作用，上

5、部结构不断施加，筏板的不均匀沉降牵引作用下，墙板内部产生剪力导致出现裂缝。此类裂缝普遍为竖向，特殊情况为垂直方向，普遍为约45度斜向裂缝。1.1.3沉降裂缝 此沉降裂缝与上述自重引起的墙面裂缝不同，由于建筑物整体自重沉降时产生，较上述自重沉降裂缝产生时间相对缓慢。在建筑物达到稳定状态后可自然消除。裂缝显现状态与自重沉降想似。 自重沉降和整体沉降可理解为一次过程和时间过程，以时间作为主要的区分界限，其作用后果相似，但控制措施不同，必须区别展开分析。根据实践经验来看，前者引起的裂缝约占80%。1.1.4温度裂缝 温度不断的变化产生的应力是极大的，甚至超过荷载应力，产生的破坏是巨大的。根据混凝土结构

6、设计规范第4.1.8条给定的取值可以看出，导热系数达到10.6kj/m*h*c，有此可见能量是巨大的。从混凝土浇筑到产生1个标准强度，然后在内外侧温度不同情况下，混凝土收涨不同产生的无规则裂缝，特殊情况为“回”字形裂缝。此类裂缝因其产生机理，只能完全通过加大经济投入解决。1.1.5收涨裂缝 混凝土的硬化过程就是水泥中活性成分作用下的一个凝固过程，在凝固过程中因环境和养护措施的变化而产生体积变化。经理论结合实践实测，混凝土水中养护体积产生微膨胀，在炎热干燥环境下养护凝固产生肉眼能够分辨的收缩。1.2构造裂缝1.2.1节点构造裂缝 墙柱节点因其构造原因，收涨程度必定不一致，在应力作用下墙柱连接节点

7、极易出现裂缝。墙体拐角位置由于其相互约束，应力作用类似于墙柱节点，裂缝成因相同。1.2.2保护层裂缝 保护层表面裂缝随着厚度的增加而增加，但因保护层本身作用又不得无限制减薄。当出现表面裂缝后，混凝土内部裂缝成型并存在薄弱通道，在水压作用下形成贯通，对结构危害较大。1.2.3配筋率（钢筋直径） 钢筋的配筋率对于结构承载力来说至关重要，保证结构的使用安全后，利用相同的配筋率来控制直径，相对较小直径的钢筋在相同配筋率的情况下能够有效达到控制裂缝的效果。土对墙的侧压力分为水平方向的均布荷载和垂直方向的递减荷载，较小的直径在同一水平面上的手里更为均匀。若表面出现裂缝，较小的直径也能够有效化解拉应力。综合

8、上述裂缝成因分析认为，应力裂缝因不可避免的特征，可以采取施工措施控制减少，暂无有效手段杜绝；构造裂缝又可认为是设计中的缺陷，可以采取截面改变或是增加辅助材料手段避免甚至杜绝。成因分析后，可以逐一对其采取“抗”“放”“调”手段应付，以达到减少甚至杜绝的目的。当前主流设计对混凝土墙板裂缝仅在设置措施缝和设置外防水方式解决，在施工恰当的情况下，可以避免表面渗漏现象，但内部裂缝仍然存在。为避免“治标不治本”，结合实践工程项目经验，分别针对成因制定以下措施方案。2. 抗：对于墙面裂缝有效控制手段之一，目前我们通常使用的措施主要有建立预应力，对温差和收缩产生的应力抵抗起到积极作用；纤维混凝土可以提高表面抗

9、拉力；维持混凝土表面温差在较小范围避免裂缝产生。预应力对混凝土应力的抵抗作用较为明显，可以通过结构计算作统一简单设置，采取拉力增强胶体粘结性，属于简单可行且较为经济的措施之一。技术较为成熟，使用广泛，结论明确，不再深入探讨。 2.1纤维混凝土 在混凝土中参加纤维是在引进国外抗裂技术的一项措施，纤维混凝土能够有效抵抗表面裂缝。因其在混凝土中呈现不规则性，对各种方向的裂缝均有控制作用。在无锡某会展工程中，设计要求添加1.8kg/m3的聚丙烯纤维后，施工成效与该项目一期工程相比有明显改善。但其也有被动性的特点，不能主动抵抗裂缝的产生，但可以被动控制已出现的裂缝不再扩张。结合实际工程经验，分析纤维混凝

10、土的工作原理。在裂缝成因分析中提到，混凝土保护层厚度在墙板中是一个难以平衡的节点，在需要保证钢筋不被碳化腐蚀的情况下保证混凝土表面不至于产生透水裂缝。利用钢纤维混凝土正好可以弥补，在保证水下环境5cm保护层厚度时表面保持完整。在钢筋混凝土中加入纤维，主要荷载的传递可以由钢筋承受，活荷载和杂力由纤维承受，共同作用混凝土的完整性。纤维混凝土虽然在辅助钢筋受力方面有明显作用，但不可忽视实际施工操作中由此引发起的“并发症”。由于在混凝土中拌入纤维，其纤维成束添加后，在拌制的过程中和易性会收到一定影响。必须拌制过程注意事项与商品混凝土搅拌站做好充分交底工作，根据实际拌制经验，添加纤维后的混凝土拌制时间必

11、须比普通混凝土长30s1min，才能得到充分搅拌均匀。并且在运输浇筑时必须注意随时监测塌落度，保证和易性在浇筑时不受影响。同时纤维长度也是影响和易性的一个重要因素，不同等级的混凝土由于水泥含量有异，事先因先做实验性搅拌验证纤维长度的影响程度。本项目采用50mm长时，C40混凝土塌落度控制在160mm时，施工情况良好。但本项目经验仅有参考性，因根据环境气温及浇筑部位综合考虑后，采用实验方法得出结论。和易性受到一定影响也会对墙体密实度造成隐患，施工质量难以准确控制。通过实际工程经验，不得依赖钢纤维混凝土有明显作用，只能作为一种钢筋的辅助材料进行使用，且含量不宜过大。如60/100规格的钢纤维在混凝

12、土中含量达到10kg时，和易性受到明显影响，使用前必须编制可靠方案并经样板间验证。因此，选择一种合适的钢纤维规格同样重要，对比60/100和50/80两种不同规格后发现。相对比于60/100来说，50/80纤维根数相对少，但和易性好，但裂缝控制效果不如前者。如何选择应立足于试验角度出发，根据配筋率和板厚限制下，在抗裂性能及和易性方面选择最适宜的方式进行。2.2混凝土保温 关于宏观抗裂方面的混凝土保温来说，区别于冬季施工方案，严格意义上说作为永久保温使用。经实际工程验证，在地下室墙板两侧同时施加保温材料，有利于混凝土体积的稳定，对抗裂方面有一定的积极作用。普通关于混凝土控温理论来说，计算体积变化

13、较多采用平面（截面）的单向性能，在实际的混凝土存在，用二维热传导应该更为适宜。纠正一个概念就是，混凝土的二维热传导区别于普通平面的X、Y方向，因为混凝土热传导不存在线性概念，直接是由面开始至立体变化。又因混凝土中材料的多样化，各种材料的胀缩系数不同，胡克定律的采用往往会误导理论变化值。举例说明，钢筋与混凝土中石子胀缩系数不同，钢筋的体积变化对混凝土造成附加压力，如同宏观冻融环境变化类似。又如伯努利定律中加入压力势能概念，在一定程度上比较接近钢筋混凝土变化实际情况，但也无法完全作为准确值进行推导。因其计算过程中将钢筋的固态转化为无粘稠的液态进行计算，误差仍存在。但其温度应力与平面变形所保留的应变

14、成正比关系，伯努利定律可作为一个相近的参考值使用。若混凝土墙面在无保温效果下，试采用傅里叶定律方程式计算热传导变化，可以归纳为：qx=-kAT/X；qy=-kAT/Y求出热传导率。其中qx、qy分别为X、Y方向热传导率，K为介质热传导系数（根据混凝土结构设计规范，K取值为10.6kj/m*h*c），A是介质横截面面积T/X、T/Y为温度梯度。当凝固后的混凝土作为一个稳态二维热传导体，那么利用能量守恒定律可以推导热扩散方程为：kx2T/X2+kY2T/Y2+q=0，由此可以推断出混凝土内部能量聚集程度。然后建立模型推断混凝土的热变形量，宏观得出裂缝扩展出现的可能性。混凝土凝固期间散发的水化热导致

15、体积变化同样适用理论推算。该方程得出的结论较为精确。由上述结论可推导，凝固期间水化热施工措施中无法避免，采用低水化热水泥能够得到缓解，另外加上水中养护可大大缓解混凝土凝固期间体积变化。对于建筑工程使用期间的体积变化必须利用保温材料敷设来缓解，混凝土在相对温度稳定状态下，变形量大大减少，可维持其体积稳定，避免裂缝的进一步扩展。2.3优化配筋率 钢筋作为混凝土中的主要受拉件，承受理论中所有的抗拉力，宏观拉应力裂缝靠配筋可以承受。但在微观裂缝方面，钢筋作用有限，比如普通混凝土构件允许的带裂缝工作可以得出结论。在结构计算中，所有荷载施加后，得出的配筋总面积如何分配对构件抗裂有积极作用。举例说明，将1根

16、20mm的钢筋分解为4根10mm钢筋后，分配密度增加可以起到一定的抗裂作用，受力更为均匀，满足结构力学要求依然是前提。另外，荷载内力应与温度应力想组合方法进行优化配筋。首先将上式退到的温度应力与荷载内力简单迭加，以一个总内力做截面承载能力极限状态计算来确定钢筋总面积；或者分别计算温度应力和荷载内力，以钢筋面积做简单迭加后得出钢筋总面积。但须特别注意的是，迭加后的钢筋总面积仍应做“超筋”复算，防止出现配筋率过高超出规范上限。3.放：从设计角度解决了混凝土墙面抗裂措施后，工程最终质量关键仍是施工阶段，在施工阶段实施有效的方案，可提高混凝土表面成型质量和抗裂性能。实际施工中综合可采取下列措施对应力进

17、行释放：水中养护释放体积收缩应力；平行施工保持加载均匀；附加棱角节点加腋舒缓应力集中；借鉴国外装配式结构。3.1混凝土养护释放应力 混凝土凝固期间的养护对成型体积变化有非常重要的影响，外界环境温度同样影响较大，特别是夏季施工期间阳光暴晒导致混凝土失水过快，干缩裂缝立即成型对后期渗漏影响极大。除开北方极低温环境不谈，以秦岭淮河以南的中国内陆地区来说，即便是冬季气温对混凝土养护影响依然不是多么明显，但炎热的夏季影响极大。在外界环境影响下，为保持良好的养护环境，模拟甚至超越实验室环境难度极高，现场不易实现，那么水中养护混凝土成为施工现场一个良好的选择。根据混凝土特征已知结论，水中环境养护混凝土能够导

18、致体积微膨胀，炎热干燥环境养护混凝土体积干缩或立即出现裂缝。混凝土的养护期间体积微膨胀可以看作是凝固期间应力加快释放的过程，在充分释放后再对外墙做封闭浇筑，效果的优点明显。最简单的措施便是营造现场临时水幕作不间断浇水养护，充分水化对混凝土强度提升同样有利。3.2平行施工 上文分析裂缝成因时提到自重沉降和整体沉降，其中以施工期自重沉降影响较大。减少自重沉降施加给墙面的应力荷载，是应力释放的一个关键环节，又可形容为应力的平均加载。以本文实例的无锡市某会展工程，其特点是占地面积大，屋脊高仅30米。特别是主体结构加载过程中，因面积过大无法做到均匀稳定。作为一个理想的加载程序，以完成的建筑工程重心为依据

19、，应从建筑物重心点开始施工并向外扩展。以平行流水施工为方案主导，对基础做均匀稳定加载，力求保持沉降速率稳定。同理，另可以选择从桩基多的位置开始向桩基数量少的位置推进做到平行施工，大规模的荷载施加前筏板后浇带留置成为一个良好的选择。3.3棱角加腋 墙柱节点、拐角节点一般情况下为直角节点，由于结构内应力关系，直角节点聚集的应力相对集中，且以阴角为最。在此情况下，若内应力能够均衡释放，减缓墙面压力，对裂缝成型有积极作用。由此推断可知，在直角节点做加腋， 避免出现直角节点可以有效避免应力集中。同样在拐角节点设置成圆弧也可以有效缓解应力集中。3.4借鉴国外装配结构 由混凝土结构设计规范得知，装配结构的伸

20、缩缝间距可以有效拉长，因其接缝间为柔性节点。由于混凝土构件提前预制完成，内部应力已经有效释放，装配期间残余应力已可以忽略。采用装配结构中，处理好接缝间渗漏问题便已经达到目的。但在抗震结构中，构件间的抗震连接仍是一个重要因素。可借鉴国外先进的抗震拼装方案作进一步研究后实施。 放，作为一个笼统的概念，其核心是混凝土内应力的释放过程，我们所要做的工作即将应力释放保持在可控范围。其方法措施包括但不限于以上内容，可在实际操作中总结有效经验予以应用。4. 调：调是抗和放的综合应用，因无法单独使用，必须和上述方法同时使用，双管齐下共同作用以达到防裂目的。主要措施有：利用外加剂使混凝土产生补偿收缩特性；降低水

21、灰比后自收缩程度明显减小；合理留置温度缝等。调节混凝土性能作为调的一类措施，是保持混凝土体积稳定的有效措施，普遍采用的如在混凝土中加入膨胀剂，可以有效挤密施工缝间隙，达到防渗漏目的。4.1混凝土性能改善 混凝土中常用的外加剂有减水剂、膨胀剂、缓凝剂、抗渗剂等，针对地下室墙板防裂外加剂中，上述均为有效止裂作用。比如水灰比降低后，混凝土中水的蒸发量减少，对维持体积稳定有十分重要作用，同时提高混凝土强度。实验可知，强度与体积成正比关系，混凝土强度越高，体积越稳定。在使用抗裂钢纤维混凝土中，加入减水剂可有效调节混凝土和易性，有利于后期抗裂性能。高标号混凝土水泥含量大，直接结果就是水化热更大，因此选用低水化热水泥是混凝土成型抗裂的关键因素。在水泥方面水化热低的有粉煤灰水泥和矿渣水泥，但还