地下室混凝土墙体施工期间裂缝控制措施

2019-01-15常生福

天津建设科技 2018年6期

□文 /常生福

地下室混凝土墙体拆模后常出现裂缝，特别是地下室的通长外墙，开裂现象十分普遍；不仅影响外观，引起渗漏，还影响结构的耐久性甚至安全。为防止施工期间地下室混凝土墙体出现裂缝，本文在总结地下室墙体在施工期的应力分析和防止墙体裂缝的各种实践基础上，进一步提出了防止裂缝的技术措施，以保证混凝土的施工质量，提高结构的耐久性和可靠性。

1 既往研究综述

1.1 现场原位试验研究

文献[1]以一个地下室混凝土底板和长墙浇筑时的温度控制措施为例，介绍了底板蓄水养护和长墙体带模养护的效果。指出，混凝土长墙带模养护、合理设置后浇带间距（30～50 m）是预防墙体开裂的关键。建议混凝土墙体带模保温养护时间不少于3 d，遇到气温骤降还要推迟拆模时间。

文献[2]以某地下室工程为例，研究了影响超长墙体温度应力的因素，提出了以预应力（补偿收缩混凝土）技术、增设温度筋来“抗”、以后浇带设置工艺来“放”、利用矿物掺合料降低水泥用量和水化热，利用缓凝高效减水剂降低水化热峰值，从而减少冷缩温度应力值，以减小约束和混凝土温度变形的措施来“防”的综合温度裂缝控制措施；在混凝土浇筑完成后的升温阶段加强散热，降温阶段采取措施保温（推迟拆模时间）来减小温度应力，见图1。采取上述措施可以将混凝土的温度变化由曲线1调整为曲线2，从而减小温度峰值，预防和避免冷缩应力引起的开裂。

图1 混凝土墙体内部的时间-温度曲线

文献[3]在地下室混凝土墙体厚度中心处布置了应变计和温度计。结果表明，混凝土浇筑后内部温度约在24 h左右达到峰值,其后逐渐降低,约在7 d前后降低到与环境温度相同；随着厚度的增大,温度峰值的出现时间逐渐后延。建议提早进行混凝土养护，可利用模板来实现保温保湿,适当延迟拆模时间；同时应掌握好拆模的时间,避开墙体降温最陡峭段对应的时间点拆模；采用喷雾保湿的方式养护。

文献[4]指出，墙板在浇筑后约12 h达到温度峰值，其后混凝土温度开始迅速下降；在0.5～2.0 d内降幅较大，2.5 d后与环境温度接近；3.5 d后，墙体内部温度与环境温度变化趋于一致。浇筑完成后的早期，混凝土为压应变，混凝土应变峰值基本对应于温度峰值时点；其后压应变逐渐变小，最终由压应变转为拉应变。拉应变在0.5～2 d上升较快，在2.5 d即达到最大值；浇筑后2.5 d内，整体应变水平较高，开裂风险较高。文中指出，一次充分的养护即便是在高温干燥的条件下，也会使混凝土拉应变降低的效果持续9～12 h，说明洒水养护对混凝土抵抗开裂的作用非常显著。

文献[5]指出，混凝土浇筑后内部温度上升较快,24 h左右达到峰值；峰值后混凝土内部温度逐渐降低,7 d前后与环境温度相同。为防止温升阶段的内外温差以及温降阶段的温降速率太大，应加强保温和保湿养护；可考虑延缓墙体拆模，采用小水慢淋的方式加湿养护；本质上看,控制水化热仍是关键问题。建议应提早进行混凝土养护，可利用模板来实现保温保湿,适当延迟拆模时间；同时应掌握好拆模的时间,避开墙体降温最陡峭段对应的时间点拆模；采用喷雾保湿的方式。

1.2 现场原位试验+数值分析研究

文献[6]通过在地下室顶板和墙体中埋设应变装置的现场检测和有限元的理论分析，对墙体内的应力分布情况作了研究，揭示了地下室顶板、侧墙在温度作用下的应力分布规律以及混凝土温度变化规律。

文献[7]对某大厦地下室外墙施工进行了现场的试验观察和理论分析。该项目施工采用钢框胶木组合模板，浇筑3 d拆模,拆模后不久发现裂缝；裂缝在内外墙面对应部位同时存在,属于贯穿性裂缝，用读数显微镜测读的裂缝宽度在0.3～0.6 mm之间，裂缝的平均间距约6.22 m，从裂缝形态看,宽度上下基本一致。该项研究指出，混凝土墙体芯部的温度梯度不大(温差仅6℃),而墙表面处温差则有突变(温差达18℃多)；因此,降低边界处的温度突变是防止裂缝的重点。由此该文提出，结合留设后浇缝,推迟模板拆除时间的建议并要求拆模后立即作外墙面维护(抹面、防水、护砖),完工后及时覆土,以免风吹干缩和遇寒流袭击。

文献[8]结合试验研究结果，从数值分析入手，比较全面的研究了不同尺寸的墙体自生应力（自热）和约束应力（底板老混凝土对新浇筑墙体自由变形的约束）以及热应力与收缩应力的情况。该研究指出，混凝土养护期温度变化有两个阶段：温度增长（自热）阶段和冷却到环境温度阶段。在第一阶段墙体伸长受到基础的阻止，导致墙体中产生压应力，通常发生在混凝土浇筑后的1～3 d。自热温度达到最大值后墙体开始冷却（降温），但是受到已经完成硬化的基础的约束，于是墙体里产生了拉应力；而在整个养护期湿度一直在减小，也导致拉应力，但是它的值相对较小。因此，热收缩应力以热应力为主导，冷却期的拉应力可能很大，超过了混凝土的抗拉能力就会开裂。

图2是20 m长、700 mm厚的墙体中部，在3、7 d拆模后墙内应力随时间变化的情况。

图2 不同的拆模时间对应力的影响

由图2可以看出，3 d拆模比7 d拆模增加墙体中的应力，特别是墙体表面的应力。

1.3 工程经验应用

文献[9]指出，为减少混凝土早期收缩造成的开裂现象，在混凝土浇筑后4～6 h（初凝前）用湿麻袋或草袋全面带模覆盖养护，达到保持表面温度和湿度，减小内外温差的目的；模板拆除时间不早于3 d(气温不高时可延长)，常温养护至少14 d。

文献[10]指出，超长墙体模板拆除时间应控制在7 d以上。环境温度在0℃以上时，混凝土浇筑1 d后可松动穿墙螺杆，用湿麻袋紧贴墙体，继续保持混凝土湿润养护14 d以上；当环境温度低于0℃时，不拆除模板，采取措施保温保湿。采用这种方法不仅简单易行、而且节约用水、用工少、温度梯度变缓，防止混凝土施工期开裂的效果较好。

1.4 有限元分析

文献[11]结合有限元分析结果指出，混凝土墙体模板拆除后如果遇到气温骤降时，可能出现表面裂缝；拆模后采取养护措施时（如湿草席），墙体内外部温差降低变缓，温度应力较小，可大大提高其抗裂性。

文献[12]对一超长墙体的温度应力及裂缝分布产生机理进行了有限元计算分析，通过和实际检测结果对比，提出了简便易行和实用经济的裂缝控制新措施：给混凝土墙内施加预应力；人为设置分隔缝。该文指出，这些措施取得明显效果。

2 墙体开裂的原因分析

混凝土中的水泥与水拌和后，化学反应产生的热量随时间的变化见图3。热量在养护初期是随时间逐渐增加的，达最大值（通常是0～3 d）后下降。

与水化反应放热相对应，混凝土内部的温度在养护初期是上升的（升温），后期下降（冷却），见图4。

图3 胶凝材料的水化放热曲线

图4 混凝土墙中的温度随时间的变化[9]

混凝土墙体的体积改变如果不是自由的而是受到约束（比如老基础对新混凝土墙体的变形约束），就会在墙体里形成应力；因为底板或基础凝结硬化基本完成，可以认为是刚性的；而混凝土墙体在温度作用下会伸长（升温）或缩短（降温）。升温阶段，新墙体的伸长受到基础约束，就像在墙体与老基础的接触面上对墙体施加了压力，从而使墙体受压；降温阶段则相反，基础的约束使墙体受拉，见图5。

图5 混凝土墙中的应力随时间的变化[8]

混凝土抗压能力强而抗拉能力弱，因此降温阶段开裂的风险更大。

特别需要注意，即使没有基础约束，由于墙体和周围边界的热交换，温度的分布在墙体内部并不均匀。在升温阶段，靠近模板的表面处一般温度较低，而墙体核心处温度较高，这种温差造成混凝土内部产生不均匀的应力分布。内部协调变形的结果造成心部受压，外墙面部受拉；在冷却阶段，心部降温速率如果快于表面，造成心部受拉而面部受压；相反如果心部降温速率慢于表面（外部环境温度剧烈变动时），造成心部受压面部受拉。无论哪种情况，内外温差太大，可能会导致混凝土开裂，这是大体积混凝土开裂的原因。

如果模板拆除过早，由于墙体表面迅速的冷却，产生较大拉应力，可能导致墙体表面产生裂缝；同时，模板拆除加速了混凝土表面的湿度损失，会形成干缩裂缝,这就是墙体顶面没有防护它的应力会大为增加的原因。因此，保温同时保湿对防止裂缝有重要意义。

综上所述，引起地下室混凝土墙体开裂的原因有：

1）墙体内外过大的温差形成的应力；

2）已完成硬化的底板混凝土对墙体的约束应力；

3）拆模时间太早会造成内应力增加。

3 防止裂缝的措施

为防止施工期间墙体开裂，施工中要优先选用水化热低的水泥；优化混凝土配合比设计；振捣密实等；除了这些常用的施工措施外，特别强调如下措施。

1）通过限制内外温差的措施来减少墙体内部不均匀应力。墙体采用复合木模板；带模养护至少7 d再拆模。在混凝土完成终凝后立即指派专人进行细水慢浇养护，保持模板湿润状态。冬季要采取专门的保温措施养护，控制内外温差不超过25℃[13]。

2）通过墙板中设置分隔缝来减小基础底板对墙体的约束应力。混凝土墙体出现裂缝是它自身性质决定的，难以避免；所以要顺应它的特点，采用“放”的措施。即使对地下室这样的墙体，虽然在回填土完成后，环境温差比起外露的主体结构来相对较小，但是在拆除模板后，通常还需要进行基层清理、防水层施工、防水保护层施工、验收等多个环节的工作，时间持续通常不会短于1月，因为这段时间持续的确切季节不能确定，因此，可以认为它暴露的环境和主体结构一样；同时，底板的约束对墙体也形成应力，这个应力的大小与自由变形的长度有关。为此，相隔一定间距，预先人为设置断缝，减少约束的墙体长度，从而减少约束应力，避免产生裂缝；同时使出现裂缝的位置形成规律，方便处理，减少裂缝出现部位的随机性。

这种人为断缝可以采用暗设的方式，在墙体内部加十字分隔片。见图6。

图6 墙板中设置分隔缝

分隔片由止水钢板和分隔钢板焊接在一起形成。平行于墙体的止水钢板厚2 mm、宽300 mm，开口朝向迎水面；分隔钢板厚2 mm，宽度为内外两排钢筋的净距，分两片对称焊接在止水钢板两侧，放置在内外两排钢筋之间；分隔片的间距不超过文献[14]的规定，这个间距也是文献[2]建议设置后浇带间距的下限值。

分隔片也可以采用定购加工、现场组装的方式，在止水钢板上对应分隔片的位置做插槽，现场把分隔片插入。在墙体较高的情况下，组装方式更便于施工。

特别需要提及，分隔片的设置可以代替后浇带，减少了后浇带施工的环节。分隔片部位的防水需要加强。

3）模板涂刷隔离剂(兼保湿剂)。隔离剂就像一层塑料薄膜覆盖在混凝土表面,既便于拆除模板，防止模板受损，又起到保湿保温的双重效果。

4 工程应用

某项目地下建筑面积24 000 m2，外墙混凝土设计强度等级C30，抗渗等级P6。观测的西侧墙长180 m，柱截面尺寸600 mm×600 mm,柱网尺寸7.2～8.5 m,外墙厚 400 mm,局部 300 mm，净高 3.6 m；底板厚 400 mm，采用C40混凝土。

该项目2017年5月15日上午8：20开始浇筑混凝土墙体，26日21：10结束。混凝土入模温度22℃。采用十字板分隔装置并按间距30 m设置一道（实际采用时结合柱、墙角、后浇带的设置可适当调整）；采用18 mm厚复合木模板。为防止养护时间长造成的拆模困难，接触混凝土的模板面满涂隔离剂(兼保湿剂)，脱模剂采用WAX-1型，每千克稀释液涂刷8～10 m2模板；涂刷20 min后即可在模板表面形成膜，起到隔离和保湿保温的效果。安装完成后的模板外侧挂双层麻袋覆盖。墙体浇筑完成6 h后，专人开始洒水养护，每隔4 h养护一次，养护洒水以确保模板保持湿润为限，持续7 d。7 d后开始拆模，检查未发现裂缝，效果良好。