高层建筑地下室钢筋混凝土材料裂缝成因特征及诊断步骤

2014-08-15安徽师范大学安徽芜湖241003

安徽建筑 2014年2期

孟梅（安徽师范大学，安徽芜湖 241003）

0 前言

节约土地资源，优化土地利用，成为人类可持续发展需要迫切解决的难题。高层建筑作为节约土地资源、凝聚现代科技的产物，大大满足了社会生产的需要和人类生活的需求。伴随社会经济的高速发展，人们对高层建筑的需求越来越多。但高层建筑的建设还有很多技术难题，作为高层建筑的地基承担至关重要的主体作用，而高层建筑地下室钢筋混凝土裂缝的现象近年来变得越来越普遍，作为建筑质量共性问题，该问题必须得到足够的重视[1]。本文着重综述了高层建筑地下室裂缝的开裂特征与成因，探讨了开展裂缝诊断的科学步骤。

1 成因与特征

1.1 混凝土结构设计与施工因素

混凝土结构设计未严格按照规范设计和施工，如钢筋设计的过粗、分布较稀，或者是施工时振捣不利、钢筋错位，混凝土沿钢筋下方下沉，钢筋上面的混凝土被钢筋支顶，使混凝土沿钢筋表面产生顺筋裂缝，顺筋裂缝是塑性沉降裂缝的一种[2]。塑性沉降裂缝典型特征：水平方向，中部较宽，两端较窄，呈梭型状态，经常发生在底板结构上表面、池壁上表面、结构变截面的位置。对于大流动性混凝土或水灰比较大的混凝土塑性沉降裂缝尤为严重。使用泵送混凝土时未进行抗裂预算，后浇带设计与施工不合理。混凝土拌合和施工时未严格控制水灰比，配筋不合规范或配筋率不够，施工振捣不密实，发生泌水现象，混凝土养护不充分，拆模时间过早，浇筑速度过快，施工时过早承受荷载，施工天气过于恶劣。

1.2 混凝土原材料和配合比

采用了高放热量、高细度和高掺量的水泥，矿物掺合料类型和用量不合理，采用了早强外加剂，外加剂与水泥和矿物掺合料不相容，粗细骨料级配不合理，原料含泥量大。

1.3 温降、塑性收缩

与地基接触的混凝土不易散热和失水。相对而言，地面易散热和失水，受地基约束的钢筋混凝土层在湿度梯度和温度梯度作用下会造成混凝土温降收缩和塑性收缩，致使混凝土开裂。

温降裂缝特征[3]：浇筑3d~5d后，开始很细，表现为内部裂缝和表面裂缝，随着时间发展继续扩大，甚至发展到贯穿程度，裂缝宽度可达1mm~3mm。

塑性裂缝特征[4]：一般发生在混凝土初、终凝前后，产生于混凝土表面，裂缝无规则，互不连贯，类似干燥的泥浆面，即所谓的龟裂；这种裂缝较浅，长短不一，短的20cm~30cm，长的2m~3m，宽1mm~5mm。

1.4 干燥收缩

地下室剪力墙和顶板混凝土中水泥在水化硬化过程中，失水干燥，毛细管压力促使毛细孔径变小，当变形受到约束时造成干缩裂缝。

干燥收缩裂缝特征[5]：裂缝出现在混凝土表层很浅的位置，裂缝细微，有时呈平行线状、网状或放射状，随着混凝土龄期的推移，裂缝可能会继续出现和发展，对于薄壁结构，该裂缝可能会贯穿。

1.5 地基不均匀沉降

当地基处理不满足规范要求时，特别是在严重湿陷性黄土、冻胀土、膨胀土、盐渍土、软弱土等不良场地，时常产生地基沉陷(膨胀)裂缝。

地基不均匀沉降裂缝特征[6]：裂缝向沉降较大的方向倾斜，沿着门窗洞口约成45°，呈正八字形；在房屋高差较大或荷载差异较大的情况下，裂缝位于层数低的、荷载轻的部分，并向上朝着层数高的、荷载重的部分倾斜；当房屋的沉降分布曲线呈凸形时，往往除了在纵墙两端出现倒八字形倾斜裂缝外，也常在纵墙顶部出现竖向裂缝；在多层建筑中，多数出现在房屋的下部，少数可发展到2～3层；当地基性质突变时，也可能在房屋顶部出现裂缝并向下延伸，严重时可能贯穿房屋全高。

2 诊断步骤

2.1 现场调查

开展现场调查是获得混凝土开裂成因第一手资料的必要手段，同时为采取有效预防措施提供依据。

2.1.1 调查内容

①工程地质、水文条件，包括地下水位、地下水压与水质情况等；

②混凝土结构设计情况，包括混凝土结构设计及抗裂预算、地基基础处理与施工和后浇带的设计与施工等；

③混凝土原材料及配合比，包括混凝土原材料（水泥品种、矿物掺合料种类、早强外加剂种类及相容性、粗细骨料种类和级配及含泥量）和混凝土配合比等；

④混凝土浇筑施工情况，包括浇筑时天气情况、混凝土施工队资质及施工时水灰比控制、混凝土养护、拆模时间、混凝土浇筑速度、钢筋混凝土层与素混凝土层浇筑间隔时间和混凝土实际配筋率等；

⑤混凝土表观检查，包括混凝土外观（是否存在宏观缺陷如蜂窝麻面和浮浆现象）、裂缝分布、裂缝形态、裂缝长度、裂缝深度、裂缝宽度、裂缝方向、裂缝处水渗流特征（水是由裂缝处渗出还是由裂缝和周围孔隙一起渗出）、裂缝处钢筋混凝土结构构造与平整度及所处的环境和裂缝的演变发展趋势等；

⑥素混凝土层裂缝与钢筋混凝土层裂缝的相关性。

2.1.2 调查方法及手段

采用普查与典型调查相结合的方法：对于裂缝比较集中的地方进行普查，对重点裂缝进行发展跟踪典型调查。此外，询问当事人和翻看原始存档纪录也是必不可少的技术方法。最后，使用现场无损检测获取有关性能与现状的参数。使用高倍裂缝显微镜现场检查观测混凝土面板的表面。记录裂缝扩展情况、裂缝形状、裂缝位置以及裂缝的长度和宽度。为进一步研究混凝土板开裂及裂缝扩展的原因、机理以及方式提供基础参数。采用回弹仪与超声波混凝土测试仪检测硬化混凝土强度、均匀性及密实性，评估混凝土质量。此外，超声测试仪还可以检测裂缝的深度。通过测试混凝土空气渗透性及Cl-离子渗透性来评估硬化混凝土的抗渗性能。采用先进的扫描仪器，对混凝土内置钢筋网、传力杆及拉杆位置进行扫描检测，确认施工过程中钢筋网是否产生了移位或者弯曲等。采用钢筋锈蚀仪检测钢筋混凝土的锈蚀情况。钻取混凝土芯样，以检测混凝土强度及微观结构。在裂缝处沿裂缝方向和垂直裂缝方向钻取混凝土芯样，钻取未裂处混凝土芯样，对比分析与地基接触点及地面点混凝土结构，分析与地基接触点及地面点混凝土结构。

2.1.3 调查工具

摄像器材、钻芯设备、米尺、千分尺、细钢丝、记录本、笔、裂缝显微镜、回弹仪、超声波混凝土测试仪、钢筋扫描仪器、钢筋锈蚀仪器和渗透性测试仪等。

2.2 仪器测试

主要测试仪器有裂缝显微镜、回弹仪、超声波混凝土测试仪、钢筋扫描仪、钢筋锈蚀仪、渗透性测试仪、孔结构测试仪、力学性能测试仪、岩相分析、元素组成分析、XRD、DTA-TG、SEM-EDS等。

测试水泥水化热及原配合比混凝土水化热温升；通过混凝土芯样分析施工浇筑时配合比；测试混凝土芯样力学性能；采用体视显微镜、偏光显微镜及扫描电镜观察混凝土微观结构及裂缝情况；测试混凝土热膨胀系数。采用原配合比混凝土成型浇筑试件，测试试件自收缩、干燥收缩。同时可成型水泥净浆试件测试浆体自收缩及干燥收缩。根据沉降检测结果，计算分析地基不均匀沉降情况，并综合考虑地基—结构的沉降量有限元数值模拟。根据检测结果，计算子楼地下水浮力，根据沉降检测结果，计算分析地基不均匀沉降。并综合考虑地基—结构的沉降量有限元数值模拟。