高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因與控制措施的探討
林斌

摘要：本文就高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的幾個部位容易產(chǎn)生裂縫的原因進行分析，并從技術(shù)與管理方面探討裂縫的控制措施。
關(guān)鍵詞：高層建筑 混凝土結(jié)構(gòu) 裂縫 控制措施
1.前言
近年來高層建筑占新建房屋建筑工程中的比例逐年遞增，其中大部分是混凝土結(jié)構(gòu)商品房。歷年來建筑物裂縫問題屢見不鮮，而且均反映強烈，由此引起的質(zhì)量糾紛不斷發(fā)生，甚至出現(xiàn)集體性上訪現(xiàn)象。一般用戶并不具備混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)專業(yè)知識，對混凝土結(jié)構(gòu)中肉眼可見的裂縫（寬度一般不小于0.05mm）往往先懷疑到地基基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全問題，從而造成住戶的不安全感。另外方面從居住感觀追求及房屋維護保值等角度考慮，處理裂縫問題并不僅是單純考慮技術(shù)問題，筆者在接訪及協(xié)調(diào)處理混凝土結(jié)構(gòu)裂縫質(zhì)量問題總感覺付出過多的工作量。
混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)可見裂縫，影響觀感質(zhì)量，可能產(chǎn)生滲漏影響使用功能或造成二次裝飾裝修損壞，裂縫的存在和發(fā)展會影響到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和安全，還會對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性造成不利影響�；炷�土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因復雜�；炷�土工程中材料的特性決定了結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生裂縫。結(jié)構(gòu)設計、混凝土配制、澆筑、養(yǎng)戶等環(huán)節(jié)中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能導致裂縫產(chǎn)生。盡管從技術(shù)角度講，完全避免裂縫幾乎是不可能的，或者需要付出更多的代價，但鑒于裂縫的復雜性和不利影響，建材、設計及施工各方面都要引起重視，努力消除或控制混凝土結(jié)構(gòu)中的可見裂縫。
2.高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的常見部位
福建省建筑科學研究院的張?zhí)煊钕壬�在《混凝土結(jié)構(gòu)裂縫現(xiàn)狀調(diào)查與統(tǒng)計分析》一文中對104個出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)工程項目常見裂縫的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果之一：按梁、板構(gòu)件劃分，裂縫出現(xiàn)的部位更多是在樓板中，占工程項目總數(shù)的71.15%，梁中出現(xiàn)裂縫的工程占24.04%，且基本上是屋面梁中出現(xiàn)的裂縫。
結(jié)合筆者工程經(jīng)驗，高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生裂縫的部位主要在于地下室混凝土板和上部結(jié)構(gòu)樓屋面板，裂縫出現(xiàn)常是數(shù)量多且分布廣，這樣影響面也廣，應是工程建設者和管理者防治裂縫的控制重點。
3.地下室混凝土板的裂縫分析
3.1工程實例
3.1.1工程概況
某公寓樓工程地下室底板用C30P8混凝土，共計約18000m3，設計設后澆帶分六塊澆筑。最多一次連續(xù)澆筑混凝土量約4000m3，混凝土底板厚度1.2m，承臺最深厚度3m�；炷�土坍落度140-160mm。澆筑時間為4-5月份，平均氣溫23℃。
3.1.2混凝土配合比設計及選材
鑒于工程所在地鄰近有工程出現(xiàn)過地下室混凝土板裂縫問題，質(zhì)量監(jiān)督機構(gòu)在施工前的工作交底時有過交流，施工也注意并重視混凝土配制。通過試驗，選用如下混凝土配合比：
水泥：水：砂子：石子：粉煤灰：膨脹劑：減水劑=270：170：777：1073： 80：30：7.7
水泥選用普通硅酸鹽42.5水泥，減水劑采用LS-400高效緩凝減水劑，減水率18%，緩凝時間8-10h。粗骨料級配為5—31.5mm，細骨料采用中砂，粗細骨料含泥量低于規(guī)范要求。膨脹劑采用UEA。鑒于工程所在地混凝土用砂供應來源質(zhì)量穩(wěn)定性差，施工加強了混凝土用砂進場驗收。

3.1.3混凝土溫度計算
(1)混凝土最高絕熱溫升（忽略粉煤灰水化熱量）
Tmax=WQ / Cρ
=(270×334)/(0.97×2400)
=38.7℃
式中：Tmax——混凝土最高絕熱溫升（℃）；
W——混凝土中水泥用量（kg/m3）；
Q——水泥水化熱量（kJ/kg）；
C——混凝土的比熱，取0.97kJ/（kg·℃）;
ρ——混凝土的重力密度，取2400（kg/m3）；
(2)混凝土拌合物溫度
Tc=∑(T×W×C)/ ∑( W×C) （式中各符號見表2）
=23.6℃
 

 

(3)混凝土出機溫度
Tm=Tc—0.16（Tc-Td）
=23.6-0.16×(23.6-23)
=23.5℃
式中Td——攪拌樓溫度，取23.0℃；
(4)混凝土澆筑溫度
Tj= Tm +（Tq-Tm）（A1+A2+A3）
=23.5+(23-23.5)×(0.032×3+25×0.0042+0.003×20)
=23.4℃
式中Tq——室外溫度，取23.0℃；
A1——混凝土裝卸溫度損失系數(shù)。一次取0.032，混凝土出機到澆筑計3次；
A2——混凝土運輸時溫度損失系數(shù)。攪拌車運輸混凝土時的溫度損失系數(shù)取0.0042，運輸時間計25min；
A3——混凝土澆筑溫度損失系數(shù)，A3=0.003t，t為澆筑時間，取20min；
(5)混凝土澆筑物內(nèi)部最高溫度
Tmax’=Tj+ Tmaxξ
=23.4+38.7×0.68
=49.7℃
式中ξ——不同結(jié)構(gòu)厚度，非絕熱溫升狀態(tài)下混凝土水化熱的溫升與絕熱溫升的比值，承臺最深厚度為3米，取0.68；

(6)混凝土澆筑物表面溫度
Tb（τ）=Tq+4h´（H-h′）δT（τ）/H2
式中Tb（τ）——齡期為τ時，混凝土結(jié)構(gòu)物的表面溫度（℃）；
Tq——齡期為τ時，大氣的平均溫度（℃）；
H——混凝土結(jié)構(gòu)物的計算厚度（m），H=h+2 h′；
h——混凝土結(jié)構(gòu)物的實際厚度（m）；
h′——混凝土結(jié)構(gòu)物的虛厚度（m），h′=kλ/β；
δT（τ）——齡期為τ時，混凝土結(jié)構(gòu)物中心溫度與外界氣溫之差（℃）；
k——計算折減系數(shù)，取0.666；
λ——混凝土的導熱系數(shù)，取2.33w/（m·k）；
β——混凝土模板及保溫層的傳熱系數(shù)，w/（m2·K）；
β=1/（∑δi/λi+1/βq）
式中δi——各種保溫材料的厚度（m）；
λi——各種保溫材料的導熱系數(shù)（w/m·k）；
βq——空氣的傳熱系數(shù)，取23w/（m2·K）；
本工程混凝土采用麻袋覆蓋養(yǎng)護，
取λi=0.14
δi=0.03m
β=1/（0.03/0.14+1/23）=3.88
h′=kλ/β=(0.666×2.33)/3.88
=0.4
H=h+2 h′=3.0+2×0.4=3.8
δT（τ）=49.7-23=26.7℃
Tb（τ）=23+〔4×0.4×(3.8-0.4) ×26.7〕/3.82=33.1℃
由此可計算出混凝土結(jié)構(gòu)物的內(nèi)外溫差：
49.7-33.1=16.6℃
混凝土結(jié)構(gòu)物的內(nèi)外溫差小于25℃，能滿足施工要求。
3.1.4混凝土強度
按規(guī)定取樣送檢的混凝土試塊，28天強度均符合設計要求，平均值為37.1Mpa，最大值41.2 Mpa，抗?jié)B等級均達到P8要求。
本工程在施工過程對混凝土配制、澆筑、養(yǎng)護各個環(huán)節(jié)加強管理，質(zhì)量控制措施能落實到位。在混凝土澆筑完成之后，約10000m2的地下室底板，未發(fā)現(xiàn)可見混凝土裂縫。地下室使用至今已兩年多，也未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。
3.2大體積基礎(chǔ)混凝土板的裂縫分析
　　現(xiàn)行《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB50496-2009）對大體積混凝土的定義：混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。高層建筑中基礎(chǔ)底板為主要的受力結(jié)構(gòu)，整體性要求高，一般一次性整體澆筑。國內(nèi)外大量實踐證明，各種大體積混凝土裂縫主要是溫度變化引起。大體積混凝土澆筑后在升溫階段由于體積大，集聚在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高，這樣內(nèi)外形成溫度梯度，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力，在外表面產(chǎn)生拉應力，由于此時混凝土的強度低，當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。在降溫階段新澆筑混凝土收縮因存在較強的地基或基礎(chǔ)的約束而不能自由變形，導致產(chǎn)生溫度應力，當該溫度應力超過混凝土的抗拉強度時，則從約束面開始向上形成溫度裂縫。如果該溫度應力足夠大，嚴重時可能產(chǎn)生貫穿裂縫，破壞結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性和防水性，影響正常使用，應盡一切可能堅決杜絕貫穿裂縫。為解決上述二類裂縫問題，必須進行合理的溫度控制。
混凝土溫度控制的主要目的是使因溫差產(chǎn)生的拉應力小于同期混凝土抗拉強度的標準值，并有一定的安全系數(shù)，這樣可避免有害裂縫的產(chǎn)生。目前的工程經(jīng)驗，要求溫度控制指標宜符合下列規(guī)定：
（1）混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于50℃；
（2）混凝土澆筑塊體的里表溫差不宜大于25℃；
（3）混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2.0℃/d；
（4）混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃。
分析可知，為避免裂縫出現(xiàn)，主要是減少溫差，可采用合理選用材料、降低水泥水化熱、優(yōu)化混凝土集料的配合比、控制混凝土的出機溫度和澆筑溫度、延緩混凝土降溫速率、控制水灰比、減少混凝土的干縮等控制措施。如有可能，利用混凝土后期強度，減少澆筑長度，對控制貫穿裂縫也有一定的意義。
筆者所在地已建工程地下室基礎(chǔ)混凝土板，結(jié)構(gòu)尺寸均小于此例者，混凝土現(xiàn)場拌制，混凝土施工出現(xiàn)可見裂縫，主要原因應當是施工控制不到位。
3.3地下室混凝土墻板及頂板的裂縫分析
地下室墻板的裂縫產(chǎn)生與基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因有相同之處，即混凝土在硬化過程中由于失水會產(chǎn)生收縮應變，在水泥水化熱產(chǎn)生的升溫達到最高點以后的降溫過程會產(chǎn)生溫度應變。但又有其特點：一是墻板受到基礎(chǔ)、外圍樓板受到地下室外墻的極大約束，這種約束遠大于樁基對基礎(chǔ)的約束，產(chǎn)生貫穿裂縫的機率大；二是內(nèi)墻板及頂板受環(huán)境溫度影響較大；三是內(nèi)外溫差小，產(chǎn)生表面裂縫的機率��；四是養(yǎng)護困難，散熱快、降溫速率大，混凝土的松馳徐變優(yōu)勢難以利用，在氣溫驟變季節(jié)尤應注意。
曾有地下室混凝土墻板28d后才拆除模板，結(jié)果墻板上卻發(fā)現(xiàn)多處豎向裂縫。排查掉施工質(zhì)量缺陷因素后，主要原因是混凝土中水泥水化熱得不到及時散發(fā)，溫升膨脹受到底板約束不能自由變形從而導致產(chǎn)生收縮裂縫。
高層建筑地下室多是附建的人防地下室，考慮“平戰(zhàn)結(jié)合”利用�；炷�土墻板及頂板裂縫的出現(xiàn)，會對圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力強度和防護單元的密閉性產(chǎn)生不利影響，有必要引起足夠重視。
4.樓屋面混凝土板的裂縫分析
4.1裂縫的常見類型
（1）斜裂縫
與板邊呈45度斜向裂縫，常出現(xiàn)在兩側(cè)山墻端跨板角，多數(shù)是沿樓板厚度貫穿性裂縫，占樓板所出現(xiàn)裂縫的比例最高。筆者經(jīng)驗，高層建筑此類裂縫比多層建筑更易出現(xiàn)，尤以房屋陽角雙向剪力墻的端跨板為甚。
（2）縱、橫向裂縫
沿樓板縱、橫向出現(xiàn)，一般于長向中部大跨度開間板跨中。
（3）沿預埋管線走向的裂縫
出現(xiàn)在板的上面或下面，一般未貫穿樓板。
4.2裂縫產(chǎn)生的主要原因分析
筆者接觸到的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫鑒定結(jié)論，很少出現(xiàn)混凝土強度、構(gòu)件截面及配筋不滿足設計要求的情況。但是接觸到的設計圖紙文件，盡管有通過圖紙審查，各個設計單位出圖對混凝土變形控制的設計深度體現(xiàn)或多或少存在差異。更有甚者，個別開發(fā)商對設計單位有每平米建筑面積鋼筋量的限值要求，設計文件對防治裂縫的設計說明就更含糊。相對來說，現(xiàn)在施工主觀故意偷工減料的較少，設計部門防治裂縫的控制措施到位，對于施工來講設計依據(jù)明確是有利前提。
現(xiàn)在建筑市場的欠規(guī)范及建筑工的流動性大，施工現(xiàn)場質(zhì)量控制體系相對薄弱，商品混凝土可通過合同明確質(zhì)量要求，對于現(xiàn)場拌制混凝土的，從設計和施工方面加強防治裂縫的控制措施應是比較容易實現(xiàn)和易于操作的。
（1）溫度應力及混凝土收縮引起
混凝土有自生收縮的特性，一般混凝土澆筑后其六個月至一年后收縮率量值約為4X10-4~6X10-4，收縮一直持續(xù)，收縮應力在混凝土中無處不在，因而其他主導因素觸發(fā)的結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)總少不了自生收縮的影響。一般情況下混凝土中配筋足以抵抗收縮應力。因此我們不能無視自生收縮的危害，但是分析裂縫問題時最好首先排除混凝土自生收縮的影響。
混凝土澆筑后隨季節(jié)更替周期變化，建筑物室內(nèi)外溫差使混凝土樓板變形，變形受到周邊剛度較大的梁或剪力墻的約束作用，混凝土板內(nèi)產(chǎn)生溫度應力，當此應力超出混凝土的抗拉強度時，就產(chǎn)生貫穿樓板中部的裂縫，而端跨轉(zhuǎn)角處45度斜向裂縫則是由于在雙向約束共同作用下，主應力合力方向近似45度而造成的切角裂縫。
現(xiàn)澆混凝土板內(nèi)沿預埋管線走向的裂縫產(chǎn)生，則是由于管線或多層管線交錯處削弱了混凝土構(gòu)件截面，造成抗拉強度減弱或混凝土保護層超薄引起。
（2）施工不當引起
施工不當引起混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的具體原因種類繁多，其實質(zhì)只是混凝土中原始缺陷遭受外力、收縮、溫差等作用在施工過程中以裂縫形式出現(xiàn)而已，應根據(jù)具體工程的實際情況加以分析。其中主要的有板面負筋踩踏、混凝土振搗不當、盲目趕工期等因素。
4.3工程實例
某住宅小區(qū)一期工程，多幢18層以下住宅樓，竣工交房后很多業(yè)主反映樓板混凝土出現(xiàn)裂縫問題，之后保修、投訴、上訪、訴訟等事情不斷，工程參建各方和有關(guān)部門為處理問題投入了大量精力。二期工程開工后，施工方不再想當然地認為樓板混凝土裂縫屬于質(zhì)量通病問題不大緊要，認真分析總結(jié)一期工程經(jīng)驗教訓，在二期工程施工過程中嚴格落實控制裂縫措施。采取的裂縫控制措施主要有：
（1）健全施工現(xiàn)場質(zhì)量保證體系，加強了工程施工交底和鋼筋安裝工程隱蔽驗收等；
（2）與板邊呈45度斜向裂縫是控制重點。
在端跨開間樓板采用雙層雙向配筋；跨度大于3.9m的樓板，加設板角放射鋼筋，在未配筋板面設雙向鋼筋網(wǎng)片；轉(zhuǎn)角為剪力墻的端跨板，板角加設放射筋一道，伸入板內(nèi)長度L/3，并嚴格控制板筋在剪力墻內(nèi)的錨固長度符合設計要求；在樓板面負彎矩鋼筋處設置撐腳和馬凳并嚴格控制到位；嚴禁在混凝土澆搗過程中踩蹋負筋。
（3）混凝土樓板中預埋管線，在管線交錯處采用接線盒方式，樓板厚度較薄的在管線外側(cè)設鋼絲網(wǎng)加強。
現(xiàn)今該小區(qū)二期工程也已竣工交付兩年多，基本未出現(xiàn)樓板裂縫問題。
5.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制措施
5.1 設計措施
（1）混凝土結(jié)構(gòu)應按《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB50010-2002）的規(guī)定，根據(jù)荷載效應驗算構(gòu)件的抗裂性能及裂縫寬度，并符合有關(guān)裂縫控制的要求。
（2）混凝土結(jié)構(gòu)設計時應充分考慮偶然作用和非設計工況所引起的效應，并在相關(guān)部位采取合理的防裂構(gòu)造措施。
（3）對平面不規(guī)則或平面有凹凸的混凝土板，應有加強措施。
（4）對房屋陽角雙向剪力墻開間樓板這樣構(gòu)件剛度差異大的部位，應考慮外墻保溫構(gòu)造的不利影響采取加強措施。
（5）設計文件中控制混凝土裂縫措施，宜說明和詳圖明確，設計深度應有利于施工。
5.2 施工措施
（1）施工現(xiàn)場應建立健全工程質(zhì)量保證體系，編制施工方案應有控制混凝土裂縫的具體技術(shù)措施。
（2）《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB50496-2009）施行后，對大體積混凝土的施工有了明確的要求，施工應符合規(guī)范要求。
（3）施工現(xiàn)場對混凝土原材料應加強進場驗收，及時取樣送檢，確保進場材料質(zhì)量符合要求；有條件應對混凝土配合比進行抗裂性能的優(yōu)化設計，選用抗裂性能良好的混凝土。
（4）現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的模板體系應保證具有足夠的承載力、剛度和穩(wěn)定性。
（5）采取有效控制鋼筋位置的措施，防止?jié)矒v混凝土時結(jié)構(gòu)中受力鋼筋移位。
（6）混凝土板、墻中的預埋管線應置于受力鋼筋內(nèi)側(cè)，當板厚較薄時，應在其外側(cè)加置防裂鋼筋網(wǎng)片�；炷�土板、墻中的預留孔、預留洞周邊應配有足夠的加強鋼筋并保證足夠的錨固長度。
（7）混凝土拌制應有詳細的技術(shù)要求，應嚴格按配合比進行各種原材料的計量，并根據(jù)原材料的含水率等對設計配合比進行調(diào)整。施工現(xiàn)場應對混凝土的坍落度進行檢查。
（8）施工應根據(jù)工程結(jié)構(gòu)形式和有關(guān)規(guī)定合理確定混凝土澆筑方案，確�；炷�土密實，施工縫的留置和施工應符合要求。
（9）混凝土澆筑后應采取有效的養(yǎng)護措施�；炷�土強度未達到1.2MPa前，不得上人踩蹋、安裝模板及支架或施加其他荷載。
（10）對混凝土結(jié)構(gòu)中容易產(chǎn)生裂縫的部位，宜采用摻入合成纖維的方法控制混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，合成纖維的摻入量應通過試驗及工程經(jīng)驗確定。
6.結(jié)束語
雖然現(xiàn)在混凝土裂縫控制措施越來越多，效果也越來越好，但與其事后補過還不如事前做好預防控制工作。通過實踐，總結(jié)出幾點預防混凝土裂縫的體會：
（1）所有控制措施只有落實到位才能有效果，施工現(xiàn)場質(zhì)量保證體系的健全是關(guān)鍵。
（2）工程前期質(zhì)量監(jiān)管到位，可有效提高相關(guān)責任方的質(zhì)量意識，促進措施的落實。
（3）混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復雜，控制措施落實涉及混凝土施工各個工序，工作面大且量多要求詳細，現(xiàn)有的環(huán)境下施工和管理還很難杜絕裂縫的產(chǎn)生，只有抓住產(chǎn)生裂縫的主導因素堅決落實相應措施才能起到基本控制可見裂縫出現(xiàn)的效果。
參考文獻
[1]《建筑施工手冊》（第四版）
[2]何星華、高小旺.《建筑工程防治裂縫指南》.中國建筑工業(yè)出版社.2005
[3]張?zhí)煊?混凝土結(jié)構(gòu)裂縫現(xiàn)狀調(diào)查與統(tǒng)計分析.福建建設科技.2005
 

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