浅析建筑结构裂缝成因及加固措施

浅析建筑结构裂缝成因及加固措施
-以浙江某高层建筑为例
吕秋玲
摘要：改革开放以来,我国建筑产业发展迅速,在国民经济中的地位和作用日趋重要。随着建设事业的蓬勃发展和建设规模的不断扩大,建设工程质量成为社会关注的热点。本文笔者结合工程实例，分析了高层建筑地下室结构裂缝产生的原因及其分布情况，详细阐述了裂缝加固处理措施，以供参考。
关键词：地下室施工；结构裂缝；后浇带；加固措施
1 工程概况
浙江某高层建筑工程,地下室 2 层，地上部分为三幢主楼，中间一幢为 15层，旁边两幢为12层。地下室底板为筏板，板厚 800mm。主楼地梁断面以 600mm×1700mm 为主；广场地梁为暗梁，断面尺寸为 400mm ×800mm。地下2 层、1 层外墙板厚度分别为 500mm、350mm。地下室 1 层楼板与顶板厚度均为200mm。基础底板采用 C35、P8混凝土掺 10％UEA-H 外加剂，地下室其它结构采用 C40、P 8混凝土掺 12％UEA-H外加剂，混凝土坍落度均为 120±20mm。地下室平面形状基本呈狭长的矩形，东西向长度约为 183.8m，南北向宽度约为 49.8m，地下室面积为 19316.55m2，柱网间距为 8.4m。整个地下室设置三条后浇带，将结构分成 A、B 、C、D 四块。

图 1 地下2 层平面图

2 地下室施工与裂缝分布情况
2.1 混凝土施工质量
采用预拌混凝土，运到现场的混凝土坍落度稍大于 12cm。在施工过程中有擅自往混凝土中加水的现象，混凝土总体质量较好，浇捣密实，内实外光，尺寸正确。现场实体检测与混凝土试块强度均达到设计要求。
2.2 沉降与裂缝现象
地下室底板与地 2层墙板在2005年 2月完成，地下室四个区块分别在3月底4月初结顶。地下室后浇带均在相应结构施工 60d 后封堵。5月底 6月初底板后浇带封堵时主楼施工到 4 层。从2005年6 月份开始有较明显的沉降，地下2层南侧外墙板开始出现裂缝，数量逐渐增加，随后地下2层北侧外墙板也开始出现裂缝。到 2005年 8 月外墙板裂缝数量明显增多。2005年12月地下室顶板开始出现裂缝且数量较多，地下室底板后浇带与个别柱脚边出现裂缝。到 2006年 1月 3日封顶时测得最大沉降量为 9mm，最小沉降量 10mm，至2006年2月上旬沉降稳定，没有新裂缝出现。
2.3 地下室结构裂缝分布
2.3.1 外墙板裂缝
1）南侧外墙板：地下 2 层外墙板裂缝明显多于北侧。地下 2 层南侧外墙板除两端有 1、2条呈45°角分布的裂缝外，其余均为竖向分布，基本上每隔 1～1.5m 有一条，且有相当一部分为贯穿裂缝。大部分竖向裂缝集中在墙体中部，有 3、4 条裂缝从底部一直贯穿到地下 1 层的楼板处（暗梁处也有贯穿裂缝）。地下1层南侧墙体裂缝数量大大减少，约有20多条，也呈竖向分布，分布在中间 B、C 区墙板上的裂缝相应较多。
2）北侧外墙板：北侧地下2层墙板裂缝总计有10多条，大部分为贯穿裂缝，主要集中在后浇带附近主楼横向剪力墙与外墙板连接处、电梯井楼梯间筒体与外墙板连接处。裂缝基本呈竖向布置，个别有呈 60°左右的短裂缝。地下1层外墙板无贯穿裂缝。
2.3.2 地下室底板裂缝
底板在三条后浇带处均有裂缝，并有渗水现象。在后浇带附近的○B/⑧、○B/ ○19 的柱子根部出现开裂现象，裂缝沿柱根呈“ 口”字形，有渗水现象。○B /○18 处柱子根部有极轻微的裂缝，极少量点状水迹。
2.3.3 地下室顶板裂缝
顶板有贯穿裂缝，裂缝集中在 ○C 轴以南，其中B、C 区裂缝数量较多。几条较长裂缝从 ○A轴外墙处向内开裂，裂缝由粗变细，长度为 2～3m，有渗水现象。所有裂缝基本与建筑物横向平行。地下室顶板 JS 防水施工前经试水无裂缝与渗水现象，裂缝在顶板 JS 复合防水涂料、4 0mm 厚钢筋混凝土刚性防水层施工完毕后产生。
3 地下室结构裂缝原因分析
3.1结构超长、后浇带封闭过早
三条后浇带将结构分成四块，纵向自西向东每块长度分别为 51.5m、42.9m、44.9m、44.5m，横向长度为 49.8m。按规范每块底板与墙板（很长一段时间裸露在室外）的长度宜控制在30m左右，因此每块结构长度也较长。后浇带混凝土在相应结构完成后 60d 浇捣，后浇带封闭后结构长度一下子达到了183.8m，60d后混凝土仍有50％左右的变形量没有释放，后浇带封闭其实是一个加载过程，封闭前混凝土收缩应力与结构抗裂能力达到平衡，封闭后平衡被破坏。因此结构超长、后浇带封闭过早是结构
产生裂缝的一个重要原因。
3.2 预拌混凝土质量
本工程采用预拌混凝土，坍落度较大为12cm，且施工过程中运到现场的混凝土坍落度稍大于设计要求的坍落度，在施工过程中有往混凝土中加水的现象。混凝土用水量总体较大，实际施工坍落度较大，造成握裹力减弱，影响抗裂能力。大坍落度、流动性混凝土施工，在混凝土成形时易离析，碳化也较大，混凝土相对薄弱。因此混凝土本身的质量也是裂缝产生的一个主要原因。其它如混凝土配合比设计、原材料控制等均比较理想，不是本工程裂缝出现的主要原因。
3.3 不同结构部位的不同原因分析
地下室南北外墙板、顶板、底板的结构部位不同，其产生裂缝的其它原因也有所不同，在此分别进行论述。
3.3.1 地下室外墙板
温度变化混凝土收缩，使超长的墙板产生竖向裂缝，裂缝间距比较均匀。墙板两端由于受到纵横两个方向收缩应力以及端部约束较大，使墙板两端产生了接近 45°角的斜裂缝。由于地下2层外墙受到底板的约束极大，而地下1层外墙受到的约束相对较小，因此地下 2 层的裂缝远远多于地下 1 层。
B、C 区南部为广场，南侧地下室外墙板上部除顶板外无其它结构，因此南侧外墙板上部（上部暗梁设计也较北侧弱）抗裂能力较弱。地下1、2 层中无任何混凝土墙体与南侧外墙板相连且外墙本身只设置了暗柱，墙体整体刚度相对减弱，因此南侧外墙板更容易产生竖向收缩裂缝。如果将南侧外墙板的暗柱断面加大，加强柱子的刚度，增加墙体上部暗梁的高度与配筋，从而提高外墙整体刚度，可以有效减少墙体的裂缝。北侧外墙板由于有上部结构 ( 上部为主楼)，提高了墙体上部的刚度。外墙设置了截面较大的连墙柱，中间有电梯井、楼梯井等混凝土筒体以及大量剪力墙与之相连，两边有两个地下车道与外墙相连。
北侧外墙板虽然受到的约束较大，但是其整体刚度得到提高，抗裂能力得到加强，而且北侧墙体的昼夜温差相对比南侧小，因此北侧外墙的裂缝数量明显少于南侧外墙。北侧外墙的裂缝多出现在约束特别大、应力集中的地方，如后浇带处的剪力墙、电梯井简体处，而一般柱、剪力墙边没有明显裂缝。如果将简体边的外墙板增设水平构造钢筋，可以分散应力，有效控制裂缝。
3.3.2 地下室底板
后浇带封堵过早，此时主楼尚未结顶，大部分荷载没有加上去，建筑物沉降不稳定。沉降也是本工程裂缝产生一个原因，但不是主因。由于三幢主楼荷载较大，广场部分荷载较小。主楼底板基础梁大部分尺寸为 600 mm×1700mm，板厚800mm，有承台；而广场基础底板厚度为800mm，地梁尺寸为400mm×800mm，无承台（一柱一桩），广场地下室底板柔性较大，因此主楼底板刚度远大于广场底板。
东西主楼地下室设计为往外突出一跨（除与广场相连处），由于底板刚性较大，底板基底压力较均匀。底板后浇带封堵时主楼没有结顶，仍有大量荷载传递下来。在相同地基承载力取值，基础底面积相同情况下，柔性大的广场底板对变形的适应能力较弱，基础和上部结构产生裂缝的可能性增大。后浇带封堵后，一方面，上部荷载传递下来，基础底板、承台、桩承受荷载，由于共同作用协调变形，主楼一部分荷载传递到广场边缘的底板上，后浇带处底板的荷载过大；另一方面，后浇带封闭后结构长度达到了183.8m，且仍有 50％左右的变形量没有释放，在后浇带新老混凝土交接薄弱处产生较大应力。由于以上两方面原因，底板在新老混凝土交接处产生沿后浇带的裂缝，且在第一个柱边产生了破坏裂缝，有渗水现象。2006年2月沉降开始稳定，此时地下室结顶已经10 个月，裂缝数量稳定下来，原有裂缝也不再发展。
3.3.3 地下室顶板
由于热胀冷缩与混凝土自身收缩，结构要收缩。顶板受到主楼结构（存在大量混凝土墙柱与简体）的约束远远大于其它地下室墙柱对其的约束。地下室顶板在主楼附近（即后浇带附近）应力集中，产生裂缝。整个地下室顶板 B、C区南部应力较集中，容易在该部位产生裂缝，在主楼转角处产生45°斜向裂缝。
4 地下室结构裂缝加固处理措施
2006年2月主楼结构封顶并且沉降稳定，地下室底板施工完毕近 12个月，地下室浇筑完毕已有10个月，此时地下室结构的收缩较小。经过分析后决定在 2006年2月开始对裂缝进行加固处理。
4.1 裂缝处理原则
1)混凝土结构的强度达到设计要求，结构变形处于稳定状态，裂缝无发展，才能治理有害裂缝。
2)裂缝处理与防水处理相结合，裂缝处理与结构的稳定性和耐久性处理相结合。
3)在治理裂缝过程中，不得破坏原结构。
4)裂缝治理应采用注浆和封缝相结合，注浆材料和封缝材料应满足防水耐久性的要求。

表1 迪尼夫灌浆材料性能
序号性能数据标准
1 干混凝土粘合强度/Pa 6 GB/6777-97
2 湿混凝土粘合强度/Pa 3.6 JC/T894-01
3 抗压强度/MPa 90 GB2569-81
4 抗拉强度/MPa 60 GB2568-81
5 断裂延伸率/% ＜10
6 密度（/ kg/dm2 ） 1.1 ASTM-638
7 黏度（/ MPa•s ） 75
8 操作时间/min 80
9 使用最底温度 /℃ 10
4.2 裂缝治理方法
先开槽封缝，后钻孔注浆，采用封缝和注浆相结合的综合治理措施。
a 灌浆材料：灌浆材料选用迪尼夫40超低黏度双组份环氧树酯浆液。迪尼夫40为 AB 双组份，A 组份为环氧树酯，B 组份为多元胺硬化剂，材料混合比例为 mA／mB=100／30（质量比），浆液颜色为琥珀透明色。其技术性能见表1。
该产品可用于干燥或潮湿的混凝土裂缝及超细裂缝的结构粘结，其优点为可在潮湿和潮湿环境中固化，并深入渗透裂缝之中，优异的黏合力可超过混凝土内聚力；产品无溶剂，不污染环境，且具有较长的操作时间。
b 封缝材料：封缝材料选用 R-1型防水材料，产品是由特种水泥、改性纤维、石英粉、增稠剂、分散剂、稳定剂、密实剂、抗收缩剂等组成，是速凝、抗渗、抗裂和耐久性好的防水材料。其具有以下特点：
(1)能带水堵漏和防水、凝固时间可调(3～15min 均可)；
(2)耐久性好、无溶出物、耐腐蚀性好、无腐蚀性、无毒无味，属环保材料；
(3)抗渗裂性好，粘结力强；
(4)施工方便、工期短、高效快捷。
4.3 地下室结构裂缝加固处理施工
其施工工艺如下：表面清理→凿槽封缝→钻孔→清孔固定注浆嘴→压力灌浆→外露注浆嘴及表面材料处理。
4.3.1 凿槽封缝
用钢丝刷清理表面，寻找并标记裂缝，沿裂缝走向，用切割机切割，人工开凿一条宽20mm、深30mm 的燕尾楔形槽，开槽后，气泵产生的压缩空气吹净槽内及周边粉尘，R 1型材料加水(灰：水=1：0.3)搅拌均匀，捏成料团，手掌感觉发热，迅速将料团塞入槽内，并用手掌压住几分钟，手掌感到发硬后，松开手掌，再用木板压平，1 5min后进行湿养护。如裂缝周边混凝土因不密实而渗漏水，需进行抹面处理，R -1型材料加水(灰：水 =1：0.4)搅拌均匀成腻子状，用刮板迅速上第一层料(厚度 1mm)，涂层硬化后喷水湿养护，再第二层料(厚度 1mm)，上料时稍用力使涂层密实。若还有局部渗水或有湿渍，只需在渗水或湿渍部位再加涂一层，做到不渗不湿，涂层硬化后进行湿养护3d。
4.3.2 钻孔
根据浆液粘度、裂缝宽度、裂缝估计深度等确定适宜的布孔间距。具体按以下确定：裂缝宽度 0.2～0.5mm 时，整缝间距 1.0m0.5 ～1.0mm宽时，裂缝间距约 1.5m；钻孔深度根据裂缝开裂深度确定，一般为 10～35cm。
4.3.3 清孔与固定注浆嘴
用压缩空气吹干净钻孔内浮灰，通过压水判断钻孔是否与裂缝有效贯通。将直径为12mm 的注浆嘴放入钻孔，深度约为 1/2 注浆嘴，用扳手绞紧使锚固橡胶止浆阀膨胀。
4.3.4 压力灌浆
按比例配制浆液，每次配制 1～2kg，用低速搅拌器配料，配制好的浆液需在 60min 内用完。检查高压灌浆泉和灌浆管性能和完好情况。将连接器与注浆嘴接通，开动灌浆动力装置，一般灌浆压力控制在 10～20MPa。灌浆顺序一般要求自下而上灌浆，从 1号孔开始注，如2号孔溢浆，认为 1号与2号之间已注满，即将注浆管移至2号孔进行压注，如此反复，直至完成整条缝的灌浆施工。此种顺序可保证裂缝灌浆的饱满度和补强的最终效果。浆液固化后(24h 以上)，用钢锯锯掉注浆嘴外露部分。用手提电动砂轮机打掉粘在混凝土表面的浆液，并在裂缝两侧各延伸 50cm范围涂刷 SM1500 无痕迹渗透凝胶密封剂，二涂施上。
4.3.5 灌浆效果检查
对已修补完成的裂缝，用钻孔机进行取芯检测，检测结果应该是混凝土表面光滑、密实，浆液全部灌满裂缝，对芯样进行混凝土强度抗压试验，达到原设计值要求。
5 结语
综上所述, 引起混凝土开裂的原因很多、很复杂，且会相互影响。对地下室裂缝应从设计构造、混凝土原材料质量、后浇带封堵时间、工程施工等方面采取综合防治措施, 减少裂缝的发生。本工程地下室结构裂缝通过采取综合合理的加固处理措施,裂缝得到了有效控制,没有发生渗漏现象,说明地下室裂缝原因分析与处理是成功的。
参考文献：
[1] 混凝土结构设计规范.GB50010-2002.北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2] 赵清炎. 住宅地下室长墙的防裂措施. 施工技术.2004.
[3] 郝刚. 泵送混凝土剪力墙裂缝成因分析及治理方案[J] .河南科学，2002，2 0.