高层建筑混凝土构件开裂位置精准识别研究

吕建伟

（湖北交投紫云铁路有限公司，宜昌 443000）

1 前言

混凝土构件受到水化热、收缩、温度差和应变影响产生的开裂是非常复杂和很关键的现象。施工实践中，从设计与施工两个方面共同努力来合理控制建筑结构的温度收缩裂缝。某高楼主体建筑物采取框柱构造，建筑地下室为一楼，主体28楼，总高98.9m，主楼内部为2.2m厚的筏形构造。本文分析了该项目在现场实施中，出现的两例有关建筑物构件开裂的重大事故——混凝土长墙及核心筒周围板裂缝，并提出了其防治措施[1]。

2 裂缝描述

本项目N型混凝土结构高56m，在浇筑中使用了SP170系列的钢框与胶木组合钢筋，于2020年3月24日前水力泵送钢筋一次浇筑，2日后拆模，但不久出现了开裂。裂纹有8个成垂直形，在墙体外面对应地方同时出现，属贯穿式裂纹。

产生裂纹的主要因素有：（1）水泥级别（C45）大，混凝土用量大，钢筋混凝土水化热大；（2）未留置垂直后浇缝，每次施工钢筋混凝土56m、水平施工间距过长；（3）钢筋在施工后仅用二日时限就拆模，钢筋表面外露日期过早，加之拆模后遇寒潮影响，温度变化过大，导致的钢筋温度应力很大，且钢筋早期抗拉强度并不高，因而导致的钢筋在长墙出现了贯穿性收缩裂纹。所以，虽然开裂主要是由于气温骤降而造成的收缩开裂，但拆模过早和低水平施工时间间隔过长也是造成混凝土厚墙裂缝的重要因素。

预防措施如下：（1）适时观察气候变化，正常环境温差下保持最少三日的养护时间方可拆模。墙模板使用的SP170系列钢框胶木组合模板的防火性能特别好，遇温度骤降时能显著提高外墙表面温度。（2）在与正常工作条件温度下，后浇缝留置距离在20m以内，3～4天后拆模；后浇缝试块距离地面30m以下，5～6天拆模。如出现温度骤降后又持续降温现象，则要推迟拆模日期。（3）在拆模施工后对建筑进行壁面保护，通过抹面、防水工程、护砖等外部路径安装，并竣工后及时覆土，以避免建筑因刮风干缩和遭遇寒流而破坏。施工单位也采取了这些措施，而后期施工的类似于混凝土长墙也就没有了开裂问题。水平施工间距的过长，和施工单位盲目地提前拆除都是导致这一起混凝土长墙断裂事件的主要因素。所以，按照工期安排和模板周转要求，合理预留后浇缝间隙、同时管理好拆模日期，是保证钢筋砼长墙浇筑工程质量的关键[2]。

3 裂缝原因

混凝土的裂纹是一种复杂且常见的问题，工程设计中裂纹的验算是指根据所在工程类型和构件种类设定适当的裂纹限制程度，达到最高裂纹宽限值（0.2mm～0.4mm），使得建筑物带裂纹运行。从建筑物水化的基本原理来看，残余应力也是必然产生的。近代科学研究对于建筑物的亚显微观分析和丰富的施工经验所得到的经验都表明构成物的裂纹是普遍存在的。由表观察，裂纹分为宏观裂缝和微观裂纹二类。微观裂纹，因为对承重、保温、耐腐蚀等方面没有产生影响，故微观裂纹一般推定为无裂纹。

首先考察是否由外荷载的应力所造成的地基承载力断裂，以便判断是不是存在重大结构设计安全问题。当出现断裂后，由于施工地基已浇筑达12级，外压力也仅在设计压力的三分之一以下，且尚未受强风和地震影响，基本的沉降变化也极小，所以后浇带构造尚未施工。从出现断裂的部位分析，主要集中在于2～5个受框柱（1250mm×1250mm）制约的长墙和短框支墙中，而不是在承载力大和应力位变形严重的楼层、地下室楼层和上部框架与地基的嵌固部位，建筑主体边缘、角处还有施工裂缝、角窗、短墙肢等的软弱地方。从部位、形态和断裂特点上分析，与一般基本构造上经常出现的受扭、受剪等断裂现象也不一致。因而最终应该消除受力断裂，而是应变断裂[3]。

3.1 自生收缩

自生收缩常出现于水泥开始凝固前及凝结硬化后的数周内，特别是在凝固后的首数日。由于裂缝首先受水灰比的影响，且水灰比低，故早期发现裂缝较容易。对低于水灰比的高强度水泥，自生收缩在整体收缩中拥有很大比重，而水灰比愈低，则自生萎缩也愈大。因此尽管高强度水泥小试块，在早期的加水保护下可明显减少自生萎缩，但对于体积较大的建筑构件，因为高强度水泥的密实性伴随年龄增长而快速提高，外界水份也无法有效渗入内部水泥组织，因而无法明显减少自生萎缩。在常规压缩试验的计算值中，由于未包含钢筋的原始自生压缩值，所以加上自生压缩后，高强钢筋的实际压缩略大于普通钢筋，并且在实际操作中高强钢筋结构上的早期压缩量要大的多。又因为高强砼结构不易透水的特点，在施工阶段的外表相对湿度大于内部，但拆模后置于室内处的外表相对湿度却要小于内部，从而产生了内、外部不同的压缩，因此这时的砼结构即便不遭受外界限制，但仍能由于本身收缩差而在内部约束下，形成长期断裂应力。

3.2 温度收缩

大体积混凝土结构是指在最小直径任意一个方向超过1m以上的混凝土构件中，其尺度已大到需要采取适当的技术措施减小温差，以合理缓解内部温度应力和限制裂纹发展的混凝土结构。当混凝土构件体积越大，表面系数也越小，分散开来的热能比值也越小，而对应的混凝土结构内在的高温值也越高。大体积高强混凝土的普通水泥原料用量较多，水化放出热能也较大，在非绝气条件下砂浆材料所能获得的最高升与水化热的放出速率有重要关联，但后者也与砂浆材料的本身高温相关，升温增加使砂浆材料迅速膨胀，而高温阶段的砂浆材料仍处在高塑性和较少弹性模量的状况，在其他制约下可能产生的压应力也甚为受限，而在温降时的砂浆材料则已非常坚固，在外力影响和内在制约下将产生很大的温降收缩应力，当收缩应力超出了砂浆材料的拉应力时，便会形成高温裂纹。

3.3 塑性收缩

塑性收缩裂缝是指硬化前新拌混凝土内部结构由于表层水分挥发速度所产生的紧缩，因而可形成塑性裂缝。当新拌水泥的表层水分挥发速度超过了水泥内部结构向表层泌水的速度时，表层就会失水而干涸。由于高强度水泥的用水量一般很少，因此大体上都不泌水，尤其内掺较多矿物质的填充料时也是这样，使得高强度水泥内部结构易于产生塑性裂缝。而泵送的高强度商品混凝土由生产、运送至施工结束，持续时间通常较长，会后因加入了缓凝剂而延迟凝固的持续时间且坍落度很大，由于流动度较大，因此水泥用量较高时均会导致塑性紧缩而破裂。对塑性裂纹如不及时处理，其数量在水泥完全硬化后，会由自生收缩和随温度收缩逐渐向纵深处进一步发展而增加，随年龄增加，也会由逐渐的干燥性缩短而增加。

4 裂缝防治

检查比较后发现，二层混凝土楼板的裂纹分布也具有相似的规律；核心筒的角部板生成对角斜裂纹、核心柱的纵向中心板生成近乎直角的裂纹，断裂的形状与数量也相对类似。在二层楼板发生开裂情况时，工程工作人员也曾质疑过楼板构件配筋情况，但由于不出现不平衡的沉降现象，且夏季浇筑时日夜温差也并不大。于是请施工单位再次试验了该区域的梁板构造，计算结果证实，该建筑核柱（16m×8m）拥有相当大的抗弯刚度，大大高于近邻的框梁，所以核柱对楼板的约束程度远远超过框梁。筒体板受到高温与混凝土收缩力的联合影响而形成筒体墙约束，当温度变形超出水泥极限应力值或温度收缩应力超出水泥的极限拉伸值时，筒体板将断裂。因为受筒体板的纵贯和横向的联合影响，转角部边缘处的筒体板内的高温压缩应力特别大，是最易引起混凝土裂缝的地方。纵向的筒体板由于筒体墙的连续性限制，在中心区的温度收缩应力到达了最大值；再结合上在转角部区的纵贯和横向相互作用的边界约束拉应力，使得在纵向上的极容易发生近乎直角状的断裂。因为简体板受筒壁的连续约束特别强，因此在筒体板的转角部和纵向中最易断裂。所以，应该采用附加的应力分布筋的构造方法来减少裂纹。

4.1 改善边界约束和构造设计

据本地区建筑裂纹的分布状况分析，多数为刚性较大的砼结构材料和有较强的限制柱的建筑材料，由于裂纹较多，因此应当严格控制建筑材料的强度和断面长度。较长的墙肢和有较强限制的建筑，宜设有必要的构造孔洞，对这种建筑的配筋也应予强化。剪力墙的尺寸配筋率宜不低于0.3%～0.35%之间，且宜选择管径比较小、空隙比较密的配筋形式。楼面梁宜设置纵向结构钢筋，其间隔距离不宜超过200mm，每侧纵向结构钢筋的截面尺寸宜不低于扣除楼板厚后梁截面尺寸的0.10%。此外，在孔洞与角处等残余应力较集中的区域，也宜设置增强构造钢筋直径或设置暗柱与暗梁等增强构造。

4.2 原材料控制

高强混凝土的配比方面减少普通混凝土数量，并选择降低水化热和含碱量较少的混凝土类型，以降低自生收缩、高温收缩、塑性收缩等。选择膨胀系数较小的粗骨材如石灰岩骨材质量，同时增加对优质水泥综合利用的掺量，以避免因粗骨材的层配不足而引起浆体含量过多、收缩速度加剧等，而产生的各种不利效果。同时对骨材的泥率也要进行更严格的控制，并选用合理的水胶比。缓凝剂虽然可以推迟水化速度，从而减少了水化热释化速率，也有助于硬化普通混凝土的抗开裂能力，但同时也增大了施工初期出现塑性开裂的风险。纤维砼的开裂研究特别对防治早期塑性裂缝能起到较好的效果。掺用造价比较便宜的聚丙烯纤维用作高强砼抗裂的一项有效方法，并在国内外多项项目上成功运用。

4.3 温度控制

降低砂浆的施工环境温度对于对抗裂非常有益，如同一般砂浆一样，由于高强度建筑混凝土的水化温升比较高，温度升高速率也很大。所以高强度砂浆的设计与施工都需要考虑温度控制。即便构件的长度不大，也要像一般大体面积砂浆施工时那样，根据施工特点制定专门的措施，规定砂浆施工环境温度、养护期间最高环境温度、内表最高温差、温降最大速度等限制值。施工环境温度愈高，不但砂浆的水化热产生愈快，所产生的体温上升也更大，同时还会使拌制物的流动性下降，从而危害28d强度。因此一般采取冷冻骨材，或用碎冰作为部分钢筋混凝土均匀水的措施，以减少拌制物在浇注时的工作温度。一般来说，将混凝土温度在较低层次上对抗裂有着非常关键的因素。高强混凝土的施工高温不得高于30℃，在酷暑气候下则不宜高于35℃，在严寒天气下也不宜高于25℃。在养护期内混凝土基础施工的最高工作温度不得高于75℃～80℃，内表气温相差不得高于20℃，以及较多的25℃。早期混凝土表面气温如垂直触及大气，则二者气温相差不得高于20℃。

4.4 加强混凝土养护

砼的保养主要涉及保持湿润和高温两个方面。按照保养时的温度条件决定了保温施工复地台盖层的厚薄，及其适当的覆盖和全面退出的深度。而过高或过低的温度条件和严重的气候变动（温度变动，包括在热水泥面上浇洒过冷的保养水等）也可能导致表面裂缝。而防止塑性萎缩最有效的办法就是在终砼时维持热混凝土表层的湿润，因此必须在砼进模时即进行潮湿保护，并采用喷雾、洒水、刷子覆盖等的方法，而不是像一般水泥浇筑一样，待进模几小时后再进行保养。而一般的砼模板既不耐雨也易传温，也易导致侧面裂缝，应在砼外挂覆吸水的隔温层，并及时松开对模板注水保护。尽量选择有防水内衬的钢筋。拆模后的钢筋仍应覆盖较长时间，防止在暴露后干燥太快（尤其在有风的环境下）而导致裂缝。地下部分也应尽快覆土回填。浇洒施工液时，水中的温度和钢筋表面温度差值不应超过15℃。

4.5 裂缝的处理

该项目的最大裂缝长度为0.3mm，适用于生长式水泥基渗透结晶防水材料使用；裂纹长度超过或等于0.3mm时，应用聚砜树脂砂浆灌注；裂纹长度超过1.0mm时，应用微膨胀水泥砂浆修复。维修时，在裂纹上喷涂一次水泥浆界面剂，以达到效果。

5 结论

产生变形开裂的因素众多，主要有水泥构造型式、拌制水泥的原料、外加剂质量、施工工艺、气温与相对湿度的改变、养护质量等原因，当然还有许多原因是交织在一起的。分析本系统建筑特性：因为是大底盘双塔框支式抗震加强的高层建筑结构系统，而且使用了大体量、高强度、泵送商品砼结构，故对其裂纹的形成因素及定位分析应当较早进行。