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| 地下室外墙板裂缝控制技术措施 | |||||
| 作者：毛义平 文章来源：网络 点击数： 更新时间：2005-2-22 | |||||
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混凝土是当代最大宗的人造材料，也是最重要的建筑材料,其应用的工程量大面广，几乎网络了整个工程领域，在工程建设和建筑业占有举足轻重的地位。随着大型乃至超大型建筑物的增加，混凝土的需求量越来越大，但随着混凝土使用量地增加，混凝土的缺陷也逐渐暴露出来，给工程和建筑物造成了无法挽回的损失。工程上出现最多的是大体积混凝土水泥水化时产生的水化热而导致的混凝土温差裂缝和由于混凝土的干缩而导致的地下室外墙板产生的贯穿裂缝。大体积混凝土开裂的原因和防止措施已有诸多文章加以叙述，施工规范上对大体积混凝土的施工措施也有明确的规定。在上海所建的具有地下室的建筑物70～80%都存在地下室外墙板裂缝,而对于地下室外墙板裂缝产生的原因和防止措施还少有文章加以详述。此文只就这一问题，结合水泥石的体积变化、施工措施和结构设计的缺陷等方面去探讨地下室外墙板裂缝产生的内因和外因，从而寻求减少裂缝产生的技术措施。 2 地下室外墙板裂缝产生的原因 2.1 水泥石的体积变化 水泥石的体积变化是一项很重要的性能指标，而影响水泥石体积变化的因素很多，这里只就水泥水化过程引起的体积变化、水泥石中水份变化引起的体积变化、以及碳化作用引起的体积变化予以介绍。 2.1.1 水泥浆的化学减缩 水泥在水化过程中，由于无水的熟料矿物转变为水化物，所以水化后的固相体积比水化前要大得多。但是，对于水泥—水体系的总体积来说，却是要缩小。例如：将水泥浆悬浮体置于带有细长颈部的量瓶中硬化，则会发现水液面不断下降。这就证明水泥—水体系的总体积在不断减少。这种水泥浆体积在水化过程中不断减少的现象，称之为减缩作用。发生减缩作用的原因，是由于水化前后反应物和生成物的平均密度不同。据有关资料记载，对于硅酸盐水泥来说，每100g水泥的减缩总量约为7～9ml。如果每立方米混凝土中水泥用量为250kg，则体系中减缩量将达20l/m3 ，占混凝土体积量的2%，可见水泥石的化学减缩值是相当大的。 2.1.2 水泥石的失水收缩 由于温度和湿度的变化，要引起水泥石中水份的变化，伴随着水泥石失水的过程，必然要引起水泥石的收缩。与相对湿度有关的叫干燥脱水，与温度有关的叫温度脱水。干燥收缩系因水泥浆体中水份的蒸发而引起的收缩，这种收缩即可发生在塑性阶段、也可发生在混凝土的凝结硬化过程中。游离水的减少缩短了骨料颗粒之间的距离，因此，干燥收缩与混凝土的用水量有关。一般试验工在制作试块时，通常在振捣结束后使混凝土表面高出试模边缘5mm左右，在最终抹面时，混凝土表面已经沉降，这就是塑性收缩。有时候伴随着沉降现象，混凝土表面还会产生收缩裂缝，沉降的数值以及表面裂缝的程度与混凝土拌合物的用水量有关。实际上，水泥的水化用水量仅占水泥用量的25%左右，而混凝土具备足够的施工和易性所用的水则占水泥用量的40%左右，这些水在浇筑工作完成以后，一部分沿模板渗出，一部分由混凝土表面蒸发，还有一部分则留在混凝土内部。混凝土在养护过程中，水泥石强度的增长是与毛细管中水份的失去同时发生的。在失水过程中，较大孔隙中的自由水失去所引起的干燥收缩值虽然不大，但因留下孔洞则必然降低混凝土的防水抗渗能力。而较小的毛细管中水的失去时将因水的表面张力的增大而引起混凝土的收缩。由此可见，失水收缩是混凝土产生裂缝的主要原因。一般混凝土的失水收缩在0.3～0.6mm/m之间，远大于因化学作用而引起的化学收缩。 2.1.3 水泥石的碳化收缩 碳化作用也引起混凝土的收缩。碳化收缩与混凝土所处环境中的潮湿状态和二氧化碳浓度有关。碳化收缩由于是以碳酸作为介质的，因此，在地下水中含有碳酸的情况下也可引起混凝土的碳化收缩。水泥的水化产物Ca(OH)2在经碳化作用生成CaCO3的同时释放出水份，所以碳化收缩经常与干燥收缩同时进行。碳化收缩是由于干燥收缩引起的压力条件下的氢氧化钙结晶体的分解和在无应力空间CaCO3的沉淀引起的。碳化收缩是不可逆收缩，因而，使外露混凝土发生开裂。 2.1.4 水泥石的热胀冷缩 众所周知，水泥与水互相作用时要放出热量，对大体积混凝土而言，在其内部可能积蓄热量，使混凝土温度增加30～50℃或更高，这样就会产生很大的内外温差，由于温差引起的内应力可能使硬化的混凝土开裂。而对于薄板混凝土来讲，混凝土内外温差很小，其产生的温差应力可忽略不计。但由于水泥水化时产生的水化热将导致早期混凝土的热胀，随着时间的推移，水化热将下降，温度下降后的混凝土将产生冷缩，当冷缩应力大于混凝土的抗拉强度时，将造成混凝土开裂。水泥水化热的大小与水泥品种、矿物组成、水泥用量有关。就水泥品种而言，纯熟料水泥水化热最高；就矿物组成来讲，C3A的水化热最高；就水泥用量来讲，肯定是水泥用量越大水化热越高。 2.2 施工措施和结构设计的缺陷 2.2.1 混凝土的早期养护是施工中极易忽略的方面 地下室外墙板的施工一般是在底板混凝土施工一个月之后进行。这一个月内,一方面要进行底板混凝土的养护，等水化热下降之后再进行下一步施工，如扎钢筋、支模板、固定预埋件等；另一方面由于地下室深度较深，施工时均有支撑体系，要么是钢管支撑，要么是钢筋混凝土支撑，底板施工完成后，这些支撑体系均要拆出，这也需要一定时间。在这么长的时间内，作为底板混凝土其强度增长、收缩变形等已相对稳定，而在此时浇筑的墙板混凝土又将面临体积变形，一但变形应力大于约束应力时，地下室墙板也必然会产生裂缝。第二，由于墙板施工一般是在底板混凝土施工一个月之后进行，对于施工单位来讲，施工的总工期有所影响，必然在以后的施工中把工期作为主要的工作来抓。由此，极易忽略对地下室墙板的养护工作。由于养护不注意，更加大了混凝土早期的失水收缩，造成混凝土开裂。第三，由于地下室处于地下，还从过去的地下一框，发展到现在的地下二框、三框，甚至于地下四框。由于是在地下，深度越来越深，这给施工单位对混凝土的早期养护带来更大的困难。由于混凝土养护工作实施困难，甚至无法进行，从而也导致了混凝土无法养护而造成墙板混凝土的失水增加，收缩增大而产生裂缝。 2.2.2 泵送混凝土的采用和混凝土强度等级的提高也是地下室墙板开裂的不利因素 由于要保证混凝土的工作性能，既方便施工、又容易泵送，唯一的方法就是增加混凝土内浆量的体积。作为混凝土内主要组成材料的集料来讲其随温度和湿度的体积变形是非常小的，它的存在使混凝土比单纯的水泥浆具有更高的体积稳定性和更好的耐久性。而浆量的体积增加，必然导致混凝土变形量的增加，相应的收缩也就增加。另外，作为维护结构的墙板，由于与梁、柱等作为一个整体，为方便施工，在强度等级的选择上，一般均采用同一等级的混凝土。随着混凝土技术的发展，混凝土强度等级也由原来的C25、C30发展到现在的C50、C60。由于混凝土强度等级的提高，水泥用量也随之增加，水泥的增加导致了水化热的提高，增大了早期混凝土的热胀，从而加大了混凝土温度降低以后的冷缩。 2.2.3 作为维护结构的地下室墙板，结构设计时一般只考虑配构造筋 在结构设计时，作为地下室外墙板多数只起维护作用。考虑到建筑物的整体性和墙体的抗渗性，设计时便选用了钢筋混凝土结构，在配筋时只考虑配构造筋而不配受力筋。之所以如此，一是作为维护结构，没必要配受力筋；二是对混凝土的收缩应力不予考虑，因此不配横向受力筋；三是收缩的影响因素太多，收缩应力的大小没有设计依据，无法计算横向受力筋的配筋量。地下室墙板产生的裂缝全是竖向裂缝，证明收缩应力是横向的。若在横向没有足够的受力筋去抵抗收缩应力，收缩应力一旦大于混凝土本身的抗拉强度，则必然产生混凝土的开裂。另外一点，作为设计者为保证建筑物结构的美观，在设计地下室外墙板时,柱与柱之间墙板的长度越来越长，由10m左右，增加到20～30m，甚至还有50～60m的墙板。由此可见，如此长的一块薄板，其收缩值是可想而知的，收缩值一大，收缩应力也就越大，开裂的可能性就更大。 3 防止地下室外墙板裂缝产生的技术措施 从以上地下室外墙板产生裂缝的原因来看，最主要的原因是混凝土的收缩，一旦收缩应力大于混凝土的抗拉强度，必然造成混凝土的开裂。为减少和防止地下室外墙板产生裂缝，可采取以下几条技术措施。 3.1 优化混凝土配合比设计 3.1.1 减少水泥用量，使用强度等级相对较低的混凝土 由以上分析，并根据国内外的研究表明，混凝土的干缩变形随单位水泥用量的增加而增大。混凝土的龄期在3个月和6个月时，其强度分别提高1.25～1.5倍左右，混凝土的抗渗性能随着龄期的增长也有显著提高。因而应该提出：严格控制水泥用量，尽可能发挥混凝土的后期强度。必须纠正常见的一种观点，既水泥用量越多，强度等级越高，安全度越大，可以补偿一切施工过程中的缺陷。根据有关资料记载，水泥用量由350～480kg/m3的基础和地下室外墙板出现裂缝和漏水的概率最高，而且裂缝发生的延续时间达2～3年之久。因此，在保证地下室外墙板结构整体性和抗渗性达到要求的前提下，混凝土强度等级一般不宜超过C30,从而可保证水泥用量限制在350kg/m3以内。 3.1.2 降低混凝土浆量体积，增加粗集料用量 混凝土收缩主要是浆体的收缩，浆量体积越大，则收缩也越大。而作为混凝土主要材料的骨料来讲，其随温度和湿度的体积变形是相当小的，相对于水泥石的体积变形来讲，完全可忽略不计。由于骨料的存在，使混凝土比单纯的水泥浆具有更高的体积稳定性和更好的耐久性。骨料用量越大，则混凝土的收缩越小。考虑到混凝土的工作性和可泵性，混凝土内浆量的体积应控制在580～600l/m3,骨料用量应控制在1050～1100kg/m3。对于泵送混凝土来讲，这样的浆量体积较小，骨料用量偏大，为保证混凝土有较好的可泵性，这就给骨料的颗粒级配提出了较高的要求。一般泵送混凝土所用骨料级配优劣的指标用空隙率来表示，空隙率越小，其颗粒级配越好，混凝土的可泵性也越佳。为保证混凝土的可泵性，骨料的空隙率应控制在35～40%之间。 3.1.3 采用减水剂，降低混凝土的单位用水量 国内外的资料表明，水泥水化所需要的水仅为其重量的25%左右，其余的水完全是为了和易性的要求。其中一部分被离析出来，相当大部分留在孔隙中，对混凝土的干缩起着决定性的作用。试验中，100×100×500的试块在空气相对湿度从94%降到30%时，就蒸发掉415.8g的水，即每立方米混凝土就失水83.2kg，竟占单位用水量的47%左右。所以，减少单位用水量是至关重要的。在保证施工和混凝土和易性的条件下，单位用水量越小越好。为了减少用水量和保证混凝土的和易性，就必须使用减水剂。在混凝土中掺入适量的减水剂，不仅可以减少单位用水量10～20%，还可减少水泥用量8～15%，从而起到提高混凝土强度和耐久性的作用，真正使混凝土的收缩值降到最低。另外，为了减少混凝土单位用水量，还应选用需水量较低的水泥。试验表明，普通硅酸盐水泥需水量较少，其次是矿渣水泥和火山灰水泥。为了减少单位用水量和搅拌以外的水进入混凝土，施工时还应尽量避免雨天，从而保证混凝土的施工质量。 3.1.4 为减少水泥用量，适当掺入磨细粉煤灰 磨细粉煤灰作为混凝土的掺合料已广泛应用于混凝土的生产。粉煤灰是燃煤电厂排出的工业废渣，在粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物，其中SiO2含量40～60%，Al2O3含量17～35%，这些硅、铝氧化物能够与水泥的水化产物进行二次水化反应，它们是粉煤灰活性的主要来源。由于粉煤灰颗粒较细，能够参与二次反应的界面也相应增加，在混凝土中能分散得更加均匀。粉煤灰的火山灰反应改善了水泥石的孔结构，使水泥石中总的孔隙率降低，平均孔径降低，大孔数量下降，小孔数量增加，孔结构进一步细化，孔分布更加合理，硬化混凝土更加致密，相应的收缩值也越小。另外，粉煤灰中的活性成份能与水泥中的水化产物进行二次水化反应，可以取代部分水泥，从而减少水泥用量，降低了混凝土的热胀。再就是粉煤灰的二次反应要在混凝土浇筑14天以后才开始进行，从而可推迟水泥水化热峰值的出现，以利于混凝土的养护工作。地下室外墙板混凝土粉煤灰的适宜掺量为水泥用量的15～20%。 3.2 强化施工技术措施 3.2.1 浇水养护，保证混凝土早期不失水 混凝土收缩最大的就是干缩，干缩是由于失水引起的，如果能保证混凝土在饱水状态下养护，则干缩可降低到最小。饱水养护最简单的方法就是浇水养护。浇水养护有两种方法，一种是直接由人工喷水养护；另一种就是预先设置喷淋管。采取什么方式可由施工单位根据施工条件自行选取，但必须保证混凝土表面的湿润状态。浇水养护的时间原则上要大于14天，如果条件允许，也可适当延长。浇水养护在模板拆除后就应进行，拆摸时间一般为混凝土浇筑后的1～2天，时间长了并不一定有利。上海某工程由于设计要求14天以后拆摸，养护工作难以开展，待14天拆摸时，墙板混凝土已经开裂，再浇水养护为时已晚。早一点浇水养护，也可起到降低水泥水化热峰值的作用，从而减少混凝土的热胀量，冷缩量也就相应减少。混凝土水化热的峰值产生在混凝土浇筑后的3～4天，在此之前浇水养护应该是有利而无弊。地下室墙板采用浇水养护而达到预期效果的有：上海一建施工的来福士广场，上海五建施工的大上海时代广场，中建三局一公司施工的上海国际网球中心等。 3.2.2 喷养护剂也可保证混凝土早期不失水 近年来，随着混凝土工程的不断发展，使用养护剂养护混凝土的工程越来越多，如上海新建的标志性建筑—上海图书馆，由于工程质量要求高，其地下室外墙板不得开裂，还必须具备较高的抗渗性能。为保证其施工质量，便在地下室外墙板的养护中使用了混凝土养护剂，从使用结果看达到了预期的目的，并满足了设计上的要求和工程本身的需要。混凝土养护剂是以硅酸盐为主、其它有机材料为辅配制而成的，其养护的原理是：水泥和水作用生成水化硅酸钙和氢氧化钙，当养护剂喷洒在混凝土表面时，其表面1～3mm的渗透层范围内发生化学反应。氢氧化钙与养护剂中的硅酸盐作用，生成硅酸盐和氢氧化物。氢氧化物可活化砂的表面膜，加快C3S水化，有利于混凝土表面强度的提高。而硅酸钙是不溶物，能封闭混凝土表面的各种孔隙，并形成一种致密的薄膜，阻止混凝土中的自由水过早过多地蒸发，从而保证水泥充分水化，达到自养的目的。并避免了混凝土由于干缩而导致的收缩开裂。混凝土养护剂为液体，一般采用背包式喷雾器进行喷洒。喷洒的时间还是同浇水养护一样，在混凝土浇筑好后1～2天拆模时就可进行。其具体的操作方法，在有关的混凝土养护剂说明书上均有详细的说明，选用时务必按说明书上的要求进行施工。 3.2.3 尽早回填砂或土壤也可起到养护的作用 在地下连续墙或维护桩与外墙板之间尽早地回填砂或土壤也可以达到养护混凝土的目的。因为砂和土壤均有良好的保水性能，可作为混凝土较佳的养护介质，并能减少外墙板与大气的温度与湿度差异，防止温、湿度差异过大而形成的收缩应力。尽早地回填砂或土壤对施工单位来讲也有一定的难度，因为设计上往往要求地下室墙板的外表面涂刷防水剂，由此而影响及时地回填砂或土壤。这就需要施工单位周密地安排施工程序，在最短的时间内回填砂或土壤以便达到养护混凝土的目的。还有一些工程采用砖模来代替外墙模板，这样对浇筑好后的混凝土就更为有利。因为在砖模与连续墙或维护桩之间可及时回填砂或土壤，并在砂或土壤中注水，当混凝土浇筑好后，砂或土壤中的水会慢慢地通过砖模渗到外墙混凝土的表面，使混凝土始终处于潮湿的状态，从而使混凝土的干缩降到最低。以上两种方法只是对地下室墙板外表面的混凝土起到了养护作用，而地下室墙板内表面的混凝土同样要采取养护措施，以防止混凝土的干缩。 3.3 使结构设计更趋完善 地下室外墙板在结构设计时更多的是作为维护结构，配筋上没有明确规定。在《混凝土结构设计规范》（GBJ10—89）上也只是对板、梁、柱、剪力墙等在配筋上有明确规定，抗裂验算也只是对预应力构件而言。在《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规范》（JGJ3—91）中的第5.3.15条对剪力墙横向和竖向钢筋的配筋有明确规定，其最小配筋率一般部位为0.15%，加强部位为0.20%，最大间距为300mm，最小直径为 6mm。对于作为维护结构的地下室外墙板而言，其收缩裂缝均为竖向垂直裂缝，说明与水平方向的横向配筋方式有很大关系。在满足规范的条件下，横向筋直径小而且间距密的配筋，可使混凝土的干缩变形更趋均匀化，若能增加配筋率，更能提高极限拉伸，减少干缩变形。另外，水平方向的横向配筋必须采用螺纹钢筋，以便提高钢筋与混凝土之间的握裹力，使钢筋与混凝土形成一个整体，让钢筋来承担混凝土的收缩应力，从而尽可能地避免因为收缩应力过大而造成的混凝土开裂。从理论和工程实例的情况表明，地下室外墙板应配置双排分布钢筋网，其最小配筋率宜为0.25%,水平方向横向筋的间距宜为100～150mm，直径宜为10～14mm。为增加地下室外墙板钢筋混凝土的抗拉强度，还可在墙板的水平方向设置一到二根暗梁，在暗梁两侧增大配筋，这种方法施工上可行，也不影响结构的美观。 4 结语 地下室外墙板开裂的实例很多，造成开裂的因素更多。由此，必须从设计、施工、材料等多方面进行裂缝的综合控制，最大限度地避免由于裂缝的产生而给工程和建筑物带来的损失，让混凝土这一大宗、经济的建筑材料在工程中发挥更大的作用。 |
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