浅谈钢筋混凝土地下室裂缝的控制

　　摘要：随着城市建筑的发展，地下空间被广泛利用，但地下建筑的施工却遇到一些问题，地下室混凝土裂缝就是其中之一。本文就钢筋混凝土地下室裂缝的控制谈一些看法。
　　关键词：钢筋混凝土，地下室，裂缝，控制
　　
　　随着对地下室空间的综合利用及城市高层建筑和人民防空事业的蓬勃发展，钢筋混凝土地下室(箱型基础)以其独有的特性和功能越来越多地被建设单位和设计者采用。由于钢筋混凝土地下室永久处于潮湿或地下水环境中，钢筋混凝土的耐久性和使用功能被人们所关心和重视，而裂缝是影响钢筋混凝土耐久性和使用功能的主要因素之一。本文就钢筋混凝土地下室裂缝的控制谈一些看法。
　　一、产生裂缝的原因以及影响
　　1、温差的形成及其影响
　　在混凝土结构中，引起温度变化的热量主要源于水泥的水化热。地下室大体积混凝土基础中，混凝土强度级别较高（一般都高于C30），水泥用量大，因此混凝土在初凝过程中会有大量水化热产生。混凝土是热的不良导体，又由于地下室底版几何尺寸巨大，这些热量不易及时排出而积聚，导致了其内部温度迅速升高（最高时可达70～80℃）。相反，在构件表面，则由于散热条件良好，温度保持较低水平，这样就出现了内外温差。这种相对的“内胀外缩”对混凝土表面产生拉应力，当它超过混凝土拉伸极限1～1.5×10-4，裂缝就产生了。
　　2、混凝土收缩变形及其影响
　　①干燥收缩，干燥收缩是指混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩，它不同于干湿交替引起的可逆收缩,雷蒙磨粉机。这种现象在混凝土刚拆模后表现尤为明显，这时混凝土的强度很低，干缩却非常大，同时由于混凝土拆模后和空气接触使周围空气温度上升，由此导致周围空气的湿度降低，进一步加大了混凝土干缩。影响混凝土干燥收缩的主要因素是：骨料、水灰比、单位水泥浆体含量。
　　②化学收缩，水泥水化后，固相体积增加，但水泥－体系的绝对体积减小。所有的胶凝材料在水化后都有这个减缩作用，大部分硅酸盐水泥在水化后体积总减少量为7%～9%。在硬化前，所增加的固相体积填充原来被水所占据的空间，使水泥密实，而宏观体积减缩；在硬化后，则宏观体积不变而水泥－水体积减缩后形成内部孔隙。因此，这种化学减缩在硬化前不影响硬化混凝土的性质。化学减缩和水泥的组成有关。
　　③塑性收缩，塑性收缩发生在硬化前的塑性阶段，是指塑性阶段混凝土由于表面失水速率大于泌水速率而产生的收缩，多见于道路、地坪、楼板等大面积的工程，以夏季有风的情况下施工最为普遍。混凝土在新拌的状态下，拌和物中颗粒间充满水，如果养护不足，表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时，则会造成毛细管中产生负压，使浆体产生塑性收缩。塑性收缩常伴随着不可见裂缝的发展。
　　④温度收缩，温度收缩主要是混凝土内部温度由于水泥水化而升高，最后又冷却到环境温度时产生的收缩。其大小与环境温度、混凝土浇筑温度、混凝土的热膨胀系数、混凝土最高温度和降温速率有关。降低温升、减小降温速率、提高混凝土的抗拉强度、使用热膨胀系数低的集料(石灰岩、辉长岩)，有利于减少冷缩和防止开裂。
　　⑤碳化收缩,空气中含CO2约为0.04%，在相对湿度合适的条件下，CO2能和混凝土表面由于水泥水化生成的水化物很快地起反应，称为碳化，伴随有体积收缩，称为碳化收缩。碳化收缩是不可逆的。
　　⑥自收缩,自收缩是由于混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低进而造成毛细孔中水分不饱和并由此产生的负压引起的混凝土收缩。混凝土自收缩是在混凝土与外界无水分交换的条件下发生的。影响自收缩的因素主要有水胶比、水泥品种、辅助胶凝材料、集料、水泥细度、养护温度、外加剂、试件尺寸等。
　　混凝土的收缩是导致混凝土开裂的主要原因。在大体积混凝土中，当这些收缩由于内外环境不一致而使混凝土构件表面拉应力超过其拉伸极限时，导致了裂缝的产生。
　　3、地基的不均匀沉降及其影响
　　基础设计的主要依据是工程地质勘察报告。任何一个地质勘察，其结果都是近似的。当设计假设模型与地质实际不符等情况出现时，都很可能出现不均匀沉降。同时，由于上部建筑物荷载不同，也产生不均匀沉降。这种不均匀沉降对混凝土就产生拉应力，当应力超过混凝土极限拉伸值时，导致裂缝产生。这种裂缝一旦出现则比较严重，可能危及安全和使用等功能。
　　二、控制裂缝的措施
　　1、设计方面
　　总体上讲，宏观裂缝是在外荷载和变形荷载单独或共同作用下产生的。在一般工程设计中，设计者往往重视荷载作用下的承载力计算，当构件断面、配筋率满足规范构造要求时，不做构件荷载作用下的挠度和裂缝验算；而变形荷载曲温度、收缩、不均匀沉降等引起)尽管是产生裂缝的主要原因，却因为无规范强制要求、计算依据不充分而不进行设计计算，对于重要构件设计者只是提出分段施工、采用低水化热水泥、掺膨胀剂、不宜夏季施工等原则性措施，缺乏针对具体1二程构件而来取的严谨、科学、量化的有效方法。这使得裂缝在设计阶段没有得到事先控制。在施工阶段，施工单位只能根据自己的经验或借鉴参考资料制定控制裂缝的措施，这种措施由于缺乏设计者的参与而往往是不系统的，因而不可避免地带有片面性、盲目性，致使最终效果并不十分理想。
　　（1）混凝土强度等级。随着建筑材料的开发及混凝土技术的不断进步，高性能(尤其是高强)混凝土发展迅速。高层建筑地下室的混凝土设计强度已达到C40～C60。现行规范对混凝土强度的评定是以28天标准养护试块的强度值为准，而事实上基础达到设汁允许的使用荷载是在丁程交付以后(一般基础施工需1～3年时间)，因此基础的早期强度没有必要在28天达到设计强度况且地下室结构一般为厚大截面，水化热的作用使混凝土内部温度较高，远远超过标准养护温度，其较好的环境往往使硷28天的实际强度明显高于标准试块。这些己成为专业技术人员的共识，因此有些工程用60天(甚至90天)混凝土标准养护试块的强度值取代28天强度，但这种做法缺乏设计和规范的明示，往往因为业主或监理方的不同意见而得不到实施或难度重重，同时给工程验收带来困难。
　　（2）钢筋配置与结构形式。在对裂缝研究尚不成熟的今天。合理的钢筋配置和较低约束结构形式对裂缝控制是至关重要的。
　　①钢筋配置。对于强度等级高、厚度较大(一般150mm以上)的地下室多跨连续顶板，当边长在30m以上时，宜采用连续式双层配筋、钢筋间距不宜大于150ram。
　　地下室挡土墙是最容易产生裂缝的薄弱构件，仅按土的侧压力作用配筋只需较低的配筋率(约0.2%)，而且没有考虑连墙柱对墙的约束，规范也未对挡土墙配筋进行明确规定，这对控制裂缝是危险的，根据多项工程的经验教训，墙体水乎配筋率宜达到0.6%左右，水平筋间距宜小于150mm。墙体与柱连接部位应设置加露构造钢筋，以抵御应力集中现象。
　　②结构形式。在建筑设计允许的情况下，尽量不采用大截面框架柱与墙体连接的结构形式，使应力相对均衡、减少约束非使用功能之必须，不宜追求超长、超宽结构。
　　2、施工方面
　　（1）控制混凝土选材和配合比。控制混凝土选材和配合比掺加外加剂，减少水泥用量和用水量，降低水化热和收缩变形。普通混凝土酸盐水泥早期强度高但水化热大；矿渣水泥虽然比普通水泥比热低，但泌水、干缩现象严重，且后期硬化收缩也大；火山灰水泥后期收缩较大，同时经济效益也不合算。一般选择了粉煤灰水泥。
　　粉煤灰水泥特性如下：成分，在混凝土酸盐水泥中掺入占水泥重量20～40%的粉煤灰组合而成。特性，早期强度较低，后期强度增长较快；水化热较小；耐冻性差；耐硫酸盐腐蚀及耐水性较好；抗炭化能力差；抗渗性较好；干缩性较小；抗裂性较好。选择粉煤灰水泥在技术上有两点好处：一是减少内部水化热的产生（因为减少了水泥用量）；二是减少混凝土的“干缩”量，这样从整体上对裂缝的产生和扩展起到了预防和抑制作用。
　　粗、细骨料：石子选择了级配良好的碎石，针、片状颗粒含量<8%；含泥量<0.5%；含硫杂质<0.5%；砂为中砂，细度模数为3.5，含泥量<5%；含硫杂质<0.5%。
　　另外，一般采用了外加剂LN-800N和膨胀剂HEA，这在相当程度上减低水灰比和水泥用量降低了水化热，也使混凝土得到补偿收缩。
　　（2）混凝土泵送施工。泵送混凝土的工艺特性要求混凝土具有较大的流动性和较好的和易性及合适的粗骨料粒径(一般315mm以下)在同等级混凝土强度条件下。水灰比、水泥用量、用水量、砂率必然比普通混凝土明显增大，这对裂缝控制是非常不利的，泵送混凝土的收缩变形比普通混凝土的收缩变形大1倍多。要改善这一状况，采用较低的坍落度和掺人外加剂及粉煤灰是有效的方法。由于地下室基本位于地面以下，又是较厚大构件，采用l00～120ram的现场泵送坍落度是适宜的，千万不可盲目强凋可泵性而使混凝土产生许多负面效应。
　　（3）施工季节的选择。从土方及大体积混凝土的质量拧制而言，在春秋、初冬进行地下室施工是比较有利的。一方面避免雨雪对地下工程的影响；另一方面可以获得适宜的人模温度和养护环境，这对裂缝控制是非常重要的，同时大大降低技术措施费用。
　　（4）温度控制。对于底板、挡墙、厚截面梁等产生较大水化热温升的构件，不仅要控制升温阶段混凝土的内外温差及绝对温升，更应控制降温阶段的降温速度不宜大于3℃，天，绝对温升大于30℃时降温速度宜小于1.5℃/天，以尽可能发挥混凝土的应力松弛效应，同时要严防寒流袭击，造成温度突降。
　　（5）后浇带设置(不包括差异沉降后浇带)。底板一般具有配筋量大、钢筋间距小、养护条件好、地基对底板约束较小(岩石地基除外)的特点，这对裂缝控制是有利的。考虑基础的整体性、防水，注(水平后浇带清理圈难)及施工方便，厚度为1.5m以下、长边小于6Om的底板宜不留后浇带；厚度1.5m以上，当采取有效的降温措施时，也不宜留置后落带。地下室筏板对挡土墙具有很大的约束，这是挡土墙产生裂缝的主要原因之一，宜采用后浇带的方法削减温度收缩应力，后浇带的间距约20～30m其位置应与施工缝、预留洞口结合考虑，以减少后浇带的数量及消除预留洞口处应力集中。地下室顶板的后浇带位置与墙体后浇带相同。后浇带的保留时间二般不少于42天，在不影响工程进度的前提下，保留时间越长越好。后浇带宜采用掺膨胀剂的同等级混凝土填充。
　　（6）墙体与顶板的浇注。为了减免墙体对顶板约束，在墙体高度小于4m，且混凝土浇注能力能满足连续施工的情况下，墙体宜与顶板整体浇注。当整体浇注有困难时，应在施工缝上下各配置4根l6mm以上的变形钢筋(施工缝在暗梁下口时只在缝下配置)，以抑制裂缝发生。
　　（7）二次振捣及抹压。新浇注的混凝土在表面水分不断蒸发且得不到及时补充的情况下，容易出现塑性收缩裂缝，同时在钢筋位置容易出现沉降裂缝。消除这种裂缝方法除优化配比、及时覆盖保水以外，采用混凝土初凝前二次振捣及2～3遍间隔性抹压是有效的，而且增加混凝土的密实度。
　　（8）混凝土的养护。众所周知，养护对混凝土的强度增加、控制混凝土内外温差及减少收缩是非常重要的。应落实好砼浇筑后的养护措施，尽量做好保湿保温养护，既可使砼初期获得更高的强度，还可减少砼的温度应力与收缩应力，养护时间在14天以上。
　　三、结束语
　　由此可见，虽然地下室钢筋混凝土裂缝是建筑工程质量通病之一，且其裂缝在长期荷载及地下水压及土压作用下会加深加大，造成很大危害，但只要在设计、施工、养护方法等方面采取控制措施，地下室混凝土的裂缝是可以防治的。