高层建筑中混凝土结构裂缝成因与控制措施的探讨

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发布时间：2011-07-09 09:18:03  更新时间：2023-07-06 14:49:31

高层建筑中混凝土结构裂缝成因与控制措施的探讨
林斌

摘要：本文就高层建筑混凝土结构的几个部位容易产生裂缝的原因进行分析，并从技术与管理方面探讨裂缝的控制措施。
关键词：高层建筑 混凝土结构 裂缝 控制措施
1.前言
近年来高层建筑占新建房屋建筑工程中的比例逐年递增，其中大部分是混凝土结构商品房。历年来建筑物裂缝问题屡见不鲜，而且均反映强烈，由此引起的质量纠纷不断发生，甚至出现集体性上访现象。一般用户并不具备混凝土结构的相关专业知识，对混凝土结构中肉眼可见的裂缝（宽度一般不小于0.05mm）往往先怀疑到地基基础与主体结构的质量安全问题，从而造成住户的不安全感。另外方面从居住感观追求及房屋维护保值等角度考虑，处理裂缝问题并不仅是单纯考虑技术问题，笔者在接访及协调处理混凝土结构裂缝质量问题总感觉付出过多的工作量。
混凝土结构中出现可见裂缝，影响观感质量，可能产生渗漏影响使用功能或造成二次装饰装修损坏，裂缝的存在和发展会影响到结构构件的承载力和安全，还会对混凝土结构的耐久性造成不利影响。混凝土结构裂缝产生的原因复杂。混凝土工程中材料的特性决定了结构容易产生裂缝。结构设计、混凝土配制、浇筑、养户等环节中任一环节出现问题都有可能导致裂缝产生。尽管从技术角度讲，完全避免裂缝几乎是不可能的，或者需要付出更多的代价，但鉴于裂缝的复杂性和不利影响，建材、设计及施工各方面都要引起重视，努力消除或控制混凝土结构中的可见裂缝。
2.高层建筑中混凝土结构裂缝的常见部位
福建省建筑科学研究院的张天宇先生在《混凝土结构裂缝现状调查与统计分析》一文中对104个出现裂缝的现浇混凝土结构工程项目常见裂缝的调查统计结果之一：按梁、板构件划分，裂缝出现的部位更多是在楼板中，占工程项目总数的71.15%，梁中出现裂缝的工程占24.04%，且基本上是屋面梁中出现的裂缝。
结合笔者工程经验，高层建筑中混凝土结构容易产生裂缝的部位主要在于地下室混凝土板和上部结构楼屋面板，裂缝出现常是数量多且分布广，这样影响面也广，应是工程建设者和管理者防治裂缝的控制重点。
3.地下室混凝土板的裂缝分析
3.1工程实例
3.1.1工程概况
某公寓楼工程地下室底板用C30P8混凝土，共计约18000m3，设计设后浇带分六块浇筑。最多一次连续浇筑混凝土量约4000m3，混凝土底板厚度1.2m，承台最深厚度3m。混凝土坍落度140-160mm。浇筑时间为4-5月份，平均气温23℃。
3.1.2混凝土配合比设计及选材
鉴于工程所在地邻近有工程出现过地下室混凝土板裂缝问题，质量监督机构在施工前的工作交底时有过交流，施工也注意并重视混凝土配制。通过试验，选用如下混凝土配合比：
水泥：水：砂子：石子：粉煤灰：膨胀剂：减水剂=270：170：777：1073： 80：30：7.7
水泥选用普通硅酸盐42.5水泥，减水剂采用LS-400高效缓凝减水剂，减水率18%，缓凝时间8-10h。粗骨料级配为5—31.5mm，细骨料采用中砂，粗细骨料含泥量低于规范要求。膨胀剂采用UEA。鉴于工程所在地混凝土用砂供应来源质量稳定性差，施工加强了混凝土用砂进场验收。

3.1.3混凝土温度计算
(1)混凝土最高绝热温升（忽略粉煤灰水化热量）
Tmax=WQ / Cρ
=(270×334)/(0.97×2400)
=38.7℃
式中：Tmax——混凝土最高绝热温升（℃）；
W——混凝土中水泥用量（kg/m3）；
Q——水泥水化热量（kJ/kg）；
C——混凝土的比热，取0.97kJ/（kg·℃）;
ρ——混凝土的重力密度，取2400（kg/m3）；
(2)混凝土拌合物温度
Tc=∑(T×W×C)/ ∑( W×C) （式中各符号见表2）
=23.6℃
 

 

(3)混凝土出机温度
Tm=Tc—0.16（Tc-Td）
=23.6-0.16×(23.6-23)
=23.5℃
式中Td——搅拌楼温度，取23.0℃；
(4)混凝土浇筑温度
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——室外温度，取23.0℃；
A1——混凝土装卸温度损失系数。一次取0.032，混凝土出机到浇筑计3次；
A2——混凝土运输时温度损失系数。搅拌车运输混凝土时的温度损失系数取0.0042，运输时间计25min；
A3——混凝土浇筑温度损失系数，A3=0.003t，t为浇筑时间，取20min；
(5)混凝土浇筑物内部最高温度
Tmax’=Tj+ Tmaxξ
=23.4+38.7×0.68
=49.7℃
式中ξ——不同结构厚度，非绝热温升状态下混凝土水化热的温升与绝热温升的比值，承台最深厚度为3米，取0.68；

(6)混凝土浇筑物表面温度
Tb（τ）=Tq+4h´（H-h′）δT（τ）/H2
式中Tb（τ）——龄期为τ时，混凝土结构物的表面温度（℃）；
Tq——龄期为τ时，大气的平均温度（℃）；
H——混凝土结构物的计算厚度（m），H=h+2 h′；
h——混凝土结构物的实际厚度（m）；
h′——混凝土结构物的虚厚度（m），h′=kλ/β；
δT（τ）——龄期为τ时，混凝土结构物中心温度与外界气温之差（℃）；
k——计算折减系数，取0.666；
λ——混凝土的导热系数，取2.33w/（m·k）；
β——混凝土模板及保温层的传热系数，w/（m2·K）；
β=1/（∑δi/λi+1/βq）
式中δi——各种保温材料的厚度（m）；
λi——各种保温材料的导热系数（w/m·k）；
βq——空气的传热系数，取23w/（m2·K）；
本工程混凝土采用麻袋覆盖养护，
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℃
由此可计算出混凝土结构物的内外温差：
49.7-33.1=16.6℃
混凝土结构物的内外温差小于25℃，能满足施工要求。
3.1.4混凝土强度
按规定取样送检的混凝土试块，28天强度均符合设计要求，平均值为37.1Mpa，最大值41.2 Mpa，抗渗等级均达到P8要求。
本工程在施工过程对混凝土配制、浇筑、养护各个环节加强管理，质量控制措施能落实到位。在混凝土浇筑完成之后，约10000m2的地下室底板，未发现可见混凝土裂缝。地下室使用至今已两年多，也未发现渗漏现象。
3.2大体积基础混凝土板的裂缝分析
　　现行《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）对大体积混凝土的定义：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。高层建筑中基础底板为主要的受力结构，整体性要求高，一般一次性整体浇筑。国内外大量实践证明，各种大体积混凝土裂缝主要是温度变化引起。大体积混凝土浇筑后在升温阶段由于体积大，集聚在内部的水泥水化热不易散发，混凝土内部温度将显著升高，这样内外形成温度梯度，在混凝土内部产生压应力，在外表面产生拉应力，由于此时混凝土的强度低，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝。在降温阶段新浇筑混凝土收缩因存在较强的地基或基础的约束而不能自由变形，导致产生温度应力，当该温度应力超过混凝土的抗拉强度时，则从约束面开始向上形成温度裂缝。如果该温度应力足够大，严重时可能产生贯穿裂缝，破坏结构的整体性、耐久性和防水性，影响正常使用，应尽一切可能坚决杜绝贯穿裂缝。为解决上述二类裂缝问题，必须进行合理的温度控制。
混凝土温度控制的主要目的是使因温差产生的拉应力小于同期混凝土抗拉强度的标准值，并有一定的安全系数，这样可避免有害裂缝的产生。目前的工程经验，要求温度控制指标宜符合下列规定：
（1）混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值不宜大于50℃；
（2）混凝土浇筑块体的里表温差不宜大于25℃；
（3）混凝土浇筑体的降温速率不宜大于2.0℃/d；
（4）混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20℃。
分析可知，为避免裂缝出现，主要是减少温差，可采用合理选用材料、降低水泥水化热、优化混凝土集料的配合比、控制混凝土的出机温度和浇筑温度、延缓混凝土降温速率、控制水灰比、减少混凝土的干缩等控制措施。如有可能，利用混凝土后期强度，减少浇筑长度，对控制贯穿裂缝也有一定的意义。
笔者所在地已建工程地下室基础混凝土板，结构尺寸均小于此例者，混凝土现场拌制，混凝土施工出现可见裂缝，主要原因应当是施工控制不到位。
3.3地下室混凝土墙板及顶板的裂缝分析
地下室墙板的裂缝产生与基础大体积混凝土裂缝产生的原因有相同之处，即混凝土在硬化过程中由于失水会产生收缩应变，在水泥水化热产生的升温达到最高点以后的降温过程会产生温度应变。但又有其特点：一是墙板受到基础、外围楼板受到地下室外墙的极大约束，这种约束远大于桩基对基础的约束，产生贯穿裂缝的机率大；二是内墙板及顶板受环境温度影响较大；三是内外温差小，产生表面裂缝的机率小；四是养护困难，散热快、降温速率大，混凝土的松驰徐变优势难以利用，在气温骤变季节尤应注意。
曾有地下室混凝土墙板28d后才拆除模板，结果墙板上却发现多处竖向裂缝。排查掉施工质量缺陷因素后，主要原因是混凝土中水泥水化热得不到及时散发，温升膨胀受到底板约束不能自由变形从而导致产生收缩裂缝。
高层建筑地下室多是附建的人防地下室，考虑“平战结合”利用。混凝土墙板及顶板裂缝的出现，会对围护结构构件的抗力强度和防护单元的密闭性产生不利影响，有必要引起足够重视。
4.楼屋面混凝土板的裂缝分析
4.1裂缝的常见类型
（1）斜裂缝
与板边呈45度斜向裂缝，常出现在两侧山墙端跨板角，多数是沿楼板厚度贯穿性裂缝，占楼板所出现裂缝的比例最高。笔者经验，高层建筑此类裂缝比多层建筑更易出现，尤以房屋阳角双向剪力墙的端跨板为甚。
（2）纵、横向裂缝
沿楼板纵、横向出现，一般于长向中部大跨度开间板跨中。
（3）沿预埋管线走向的裂缝
出现在板的上面或下面，一般未贯穿楼板。
4.2裂缝产生的主要原因分析
笔者接触到的混凝土结构裂缝鉴定结论，很少出现混凝土强度、构件截面及配筋不满足设计要求的情况。但是接触到的设计图纸文件，尽管有通过图纸审查，各个设计单位出图对混凝土变形控制的设计深度体现或多或少存在差异。更有甚者，个别开发商对设计单位有每平米建筑面积钢筋量的限值要求，设计文件对防治裂缝的设计说明就更含糊。相对来说，现在施工主观故意偷工减料的较少，设计部门防治裂缝的控制措施到位，对于施工来讲设计依据明确是有利前提。
现在建筑市场的欠规范及建筑工的流动性大，施工现场质量控制体系相对薄弱，商品混凝土可通过合同明确质量要求，对于现场拌制混凝土的，从设计和施工方面加强防治裂缝的控制措施应是比较容易实现和易于操作的。
（1）温度应力及混凝土收缩引起
混凝土有自生收缩的特性，一般混凝土浇筑后其六个月至一年后收缩率量值约为4X10-4~6X10-4，收缩一直持续，收缩应力在混凝土中无处不在，因而其他主导因素触发的结构裂缝的出现总少不了自生收缩的影响。一般情况下混凝土中配筋足以抵抗收缩应力。因此我们不能无视自生收缩的危害，但是分析裂缝问题时最好首先排除混凝土自生收缩的影响。
混凝土浇筑后随季节更替周期变化，建筑物室内外温差使混凝土楼板变形，变形受到周边刚度较大的梁或剪力墙的约束作用，混凝土板内产生温度应力，当此应力超出混凝土的抗拉强度时，就产生贯穿楼板中部的裂缝，而端跨转角处45度斜向裂缝则是由于在双向约束共同作用下，主应力合力方向近似45度而造成的切角裂缝。
现浇混凝土板内沿预埋管线走向的裂缝产生，则是由于管线或多层管线交错处削弱了混凝土构件截面，造成抗拉强度减弱或混凝土保护层超薄引起。
（2）施工不当引起
施工不当引起混凝土结构裂缝的具体原因种类繁多，其实质只是混凝土中原始缺陷遭受外力、收缩、温差等作用在施工过程中以裂缝形式出现而已，应根据具体工程的实际情况加以分析。其中主要的有板面负筋踩踏、混凝土振捣不当、盲目赶工期等因素。
4.3工程实例
某住宅小区一期工程，多幢18层以下住宅楼，竣工交房后很多业主反映楼板混凝土出现裂缝问题，之后保修、投诉、上访、诉讼等事情不断，工程参建各方和有关部门为处理问题投入了大量精力。二期工程开工后，施工方不再想当然地认为楼板混凝土裂缝属于质量通病问题不大紧要，认真分析总结一期工程经验教训，在二期工程施工过程中严格落实控制裂缝措施。采取的裂缝控制措施主要有：
（1）健全施工现场质量保证体系，加强了工程施工交底和钢筋安装工程隐蔽验收等；
（2）与板边呈45度斜向裂缝是控制重点。
在端跨开间楼板采用双层双向配筋；跨度大于3.9m的楼板，加设板角放射钢筋，在未配筋板面设双向钢筋网片；转角为剪力墙的端跨板，板角加设放射筋一道，伸入板内长度L/3，并严格控制板筋在剪力墙内的锚固长度符合设计要求；在楼板面负弯矩钢筋处设置撑脚和马凳并严格控制到位；严禁在混凝土浇捣过程中踩蹋负筋。
（3）混凝土楼板中预埋管线，在管线交错处采用接线盒方式，楼板厚度较薄的在管线外侧设钢丝网加强。
现今该小区二期工程也已竣工交付两年多，基本未出现楼板裂缝问题。
5.混凝土结构裂缝的控制措施
5.1 设计措施
（1）混凝土结构应按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）的规定，根据荷载效应验算构件的抗裂性能及裂缝宽度，并符合有关裂缝控制的要求。
（2）混凝土结构设计时应充分考虑偶然作用和非设计工况所引起的效应，并在相关部位采取合理的防裂构造措施。
（3）对平面不规则或平面有凹凸的混凝土板，应有加强措施。
（4）对房屋阳角双向剪力墙开间楼板这样构件刚度差异大的部位，应考虑外墙保温构造的不利影响采取加强措施。
（5）设计文件中控制混凝土裂缝措施，宜说明和详图明确，设计深度应有利于施工。
5.2 施工措施
（1）施工现场应建立健全工程质量保证体系，编制施工方案应有控制混凝土裂缝的具体技术措施。
（2）《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）施行后，对大体积混凝土的施工有了明确的要求，施工应符合规范要求。
（3）施工现场对混凝土原材料应加强进场验收，及时取样送检，确保进场材料质量符合要求；有条件应对混凝土配合比进行抗裂性能的优化设计，选用抗裂性能良好的混凝土。
（4）现浇混凝土结构的模板体系应保证具有足够的承载力、刚度和稳定性。
（5）采取有效控制钢筋位置的措施，防止浇捣混凝土时结构中受力钢筋移位。
（6）混凝土板、墙中的预埋管线应置于受力钢筋内侧，当板厚较薄时，应在其外侧加置防裂钢筋网片。混凝土板、墙中的预留孔、预留洞周边应配有足够的加强钢筋并保证足够的锚固长度。
（7）混凝土拌制应有详细的技术要求，应严格按配合比进行各种原材料的计量，并根据原材料的含水率等对设计配合比进行调整。施工现场应对混凝土的坍落度进行检查。
（8）施工应根据工程结构形式和有关规定合理确定混凝土浇筑方案，确保混凝土密实，施工缝的留置和施工应符合要求。
（9）混凝土浇筑后应采取有效的养护措施。混凝土强度未达到1.2MPa前，不得上人踩蹋、安装模板及支架或施加其他荷载。
（10）对混凝土结构中容易产生裂缝的部位，宜采用掺入合成纤维的方法控制混凝土结构的裂缝，合成纤维的掺入量应通过试验及工程经验确定。
6.结束语
虽然现在混凝土裂缝控制措施越来越多，效果也越来越好，但与其事后补过还不如事前做好预防控制工作。通过实践，总结出几点预防混凝土裂缝的体会：
（1）所有控制措施只有落实到位才能有效果，施工现场质量保证体系的健全是关键。
（2）工程前期质量监管到位，可有效提高相关责任方的质量意识，促进措施的落实。
（3）混凝土结构裂缝的成因复杂，控制措施落实涉及混凝土施工各个工序，工作面大且量多要求详细，现有的环境下施工和管理还很难杜绝裂缝的产生，只有抓住产生裂缝的主导因素坚决落实相应措施才能起到基本控制可见裂缝出现的效果。
参考文献
[1]《建筑施工手册》（第四版）
[2]何星华、高小旺.《建筑工程防治裂缝指南》.中国建筑工业出版社.2005
[3]张天宇.混凝土结构裂缝现状调查与统计分析.福建建设科技.2005