地下室超长钢筋混凝土挡墙裂缝控制技术研究与应用

邓金云, 吕兴建(中国五冶集团有限公司, 四川成都 610000)

地下室超长钢筋混凝土挡墙裂缝控制技术研究与应用

邓金云, 吕兴建
(中国五冶集团有限公司, 四川成都 610000)

文章结合工程实例分析地下室超长混凝土挡墙裂缝产生的机理和设计、施工控制措施

混凝土；地下室超长挡墙；裂缝控制

近年来，随着建筑市场的发展，高大群体建筑越来越多，地下室结构也日趋大型化、复杂化，地下室超长混凝土墙产生温度、湿度裂缝的情况较为普遍。本文对超长混凝土墙裂缝控制进行分析、研究，并结合实例说明应采取的防治措施。

1 混凝土裂缝控制的关键

根据钢筋混凝土连续结构的伸缩缝间距计算公式：

(1)

式中：EC为混凝土的弹性模量；h为构件的计算高度；CX为地基和底板对结构约束系数；T为结构相对地基的综合温差；α为钢筋混凝土的线膨胀系数；ξp为钢筋混凝土的极限拉伸值。

由于先行浇筑的混凝土抗水板对后浇的地下室混凝土挡墙有很大的约束，CX=1.0-1.5 N/mm3，则ECH/CX的值很小，可推导出降低结构计算综合温差|αT|和提高钢筋混凝土的极限拉伸ξp值，是延长钢筋混凝土超长墙一次整浇长度，控制钢筋混凝土墙裂缝的关键措施。

2 ξp值的提高措施

(1)考虑配筋对ξp影响时，ξp的计算为：

ξp=2×0.5fu(1+p/d)×10-4

(2)

式中：fu为第t天混凝土抗拉设计强度值(N/mm2)；p为配筋率；d为钢筋直径(cm)。

从式(2)中可以看出，提高ξp的途径有提高fu和(1+p/d)等措施。

(2)提高fu值。由于早强型(R型)水泥大多比表面大、C3S、C3A含量高、早期水化快(早期水化热发展快)，对减少αT不利，故不宜采用，仅能靠加强养护及其他施工工艺措施来提高fu值。

(3)提高(1+p/d)值。这是经常采用的措施，可与设计协商采取细筋密布的方法，在保持p值基本不变的情况下，适当降低d值，一般水平筋的间距宜不大于150 mm。实践证明这个措施可提高墙体混凝土的抗裂能力，尤其可抑制早期裂缝的扩展，减小裂缝的宽度。

(4)根据王铁梦教授在《工程结构裂缝控制》一书中的有关论述，慢速荷载条件下的极限拉伸与粗骨料的种类有明显关系，考虑徐变特性时，采用卵石混凝土的ξp为1.3×10-4，而采用碎石混凝土的ξp为1.8×10-4。在条件允许时应尽量采用碎石作为混凝土的粗骨料，采用碎石混凝土比采用卵石混凝土的ξp至少提高1.38倍。

(5)理论和实践均证明，合理采用混凝土二次振捣施工工艺可提高混凝土的密实性，从而提高混凝土的ξp值。

(6)ξp值与材质及养护条件有很大的关系，当材质不佳、养护不良时为0.5×10-4～0.8×10-4；当材质优良、养护优良缓慢降温时为2×10-4；中间状况时为1.0×10-4～1.5×10-4。故混凝土配制应优选原材料，混凝土浇筑后应加强养护，并且确保浇筑后的混凝土能够缓慢降温。

3 |αT|降低措施

3.1 T的含义

温差T包括水化热温差、气温差和收缩当量。

3.2 降低水化热

(1)选用低热水泥，如矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥，但由于商业因素，往往只能采用普通硅酸盐水泥，但不应采用带R的早强型水泥；

(2)用15 %～20 %I级或II级粉煤灰代替部分水泥，以减少水泥用量，降低混凝土水化热值；

(3)使用适量减水剂可减少单位用水量，这样在确保混凝土满足施工操作和设计标号的条件下(即水灰比不变)，也相应减少了水泥用量，降低混凝土的水化热。

以往我们有这样的观点：即地下室墙较薄，散热降温快，水化热影响甚微。但实际上在表面系数大的构件中，虽中心温度不是很高，可表面层的温度梯度可以很大，这往往成为早期开裂的一个因素。此外，由于赶工和节省模板投入等经济因素，地下室墙体的模板往往在浇筑混凝土的第2～3 d内被拆除，这时正好是水泥水化热的高峰期，若未采取保温、保湿养护措施，可能导致混凝土内部的温度梯度急剧增加而引起墙体开裂。故在地下室超长混凝土挡墙施工中，降低其水化热的措施是必要的。

3.3 注意气温差

地下室墙体施工期间暴露在大气中，外界气温的变化影响较大。因此，要控制浇筑温度与大气中最低的平均温度之差。对于四川南充地区年平均温度在20 ℃左右，夏天混凝土入模的温度较高，必要时应在搅拌混凝土时采取温控措施，并避免骨料被太阳曝晒，对混凝土输送管进行适当的遮盖等措施，降低混凝土入模温度。在冬季，当气温较低(低于5 ℃)时混凝土表面或外部应采取适当的保温措施。

3.4 减少收缩当量差

减少收缩当量差，即减少混凝土收缩量，针对不同的混凝土收缩种类分别阐述如下：

3.4.1 减少自身收缩

自身收缩也称硬化收缩，是混凝土硬化过程中由于化学反应引起的收缩。这种收缩的大小与水泥品种和用量有关，所以正确选择水泥品种和适当减少水泥用量可降低混凝土的自身收缩。此外，有的减水剂对自身收缩是有影响的，应当对外加剂提出控制收缩要求。

3.4.2 减少塑性收缩

混凝土浇筑后4～15 h左右，水泥水化反应剧烈，混凝土初凝阶段，骨料与胶合料之间产生的不均匀变形，出现泌水和水分急剧蒸发现象，引起失水收缩。

塑性收缩的量级很大，可达1 %左右，所以在商品混凝土浇筑4～15 h内，在表面可能出现不规则的龟裂(特别是养护不良的部位)，既宽又密，多属表面裂缝。

水灰比过大、水泥用量大、外加剂保水性差、粗骨料少、用水量大、振捣不密实、环境温度高、表面失水快等都能导致塑性收缩引起表面裂缝。

对于地下室挡墙，由于厚度小，必须采取保温、保湿措施，否则塑性收缩对于薄墙来说引起裂缝的可能性更大。

总之，混凝土结构的收缩是非常复杂的变形过程，影响混凝土收缩的因素很多，应考虑徐变形影响。根据混凝土的时间收缩计算公式：

ξy(t)=3.24×10-4(1-e-0.01t)M1M2…M10

式中：M1M2…M10为考虑各种非标准条件的修正系数。

以下分述各种非标准添加的影响：

3.4.2.1 M1为水泥品牌修正系数

普通水泥为1.00，矿渣水泥为1.25，快硬水泥为1.12，低热水泥为1.00。从这个因素来看，采用低热水泥或普通水泥较好。

3.4.2.2 M2为水泥细度修正系数

从目前四川南充供应的水泥来看，水泥细度基本都接近5 000，此时M2=1.35，这个因素对减少混凝土收缩不利。

3.4.2.3 M3为骨料修正系数

常用的为砾砂，在常用情况下M3=1.0，影响不大。

3.4.2.4 M4为水灰比修正系数

当水/灰=0.3时，M4=0.85；水/灰=0.4时，M4=1.00；水/灰=0.5时，M4=1.42。显然从这个因素考虑水灰比越小越好。

3.4.2.5 M5为水泥浆量修正系数

水泥浆量修正系数见表1。

3.4.2.6 M6为初期养护时间修正系数

此系数与混凝土浇筑后初期养护时间有关，养护时间逾长M6愈小。如养护7 d，M6=1.00；养护10 d，M6=0.96。由于使用掺粉煤灰的混凝土，故我们在正常情况下就规定养护期不小于14 d。

表1 水泥浆量修正系数

3.4.2.7 M7为环境相对湿度修正系数

环境相对湿度修正系数见表2。

表2 环境相对湿度修正系数

显然环境湿度相对湿度愈大对减少混凝土收缩有利。

3.4.2.8 M8为水力半径的例数修正系数

此系数与构件截面尺寸有关，由设计定型定值，地下室挡墙截面对抗裂不利。

3.4.2.9 M9为不同操作条件的修正系数

一般采用机械振捣，M9=1.00。

3.4.2.10 M10为不同配筋率(模量比)的修正系数

不同配筋率(模量比)的修正系数见表3。

表3 不同配筋率(模量比)的修正系数

表3说明钢筋混凝土的配筋率越高，混凝土的收缩量减少。

3.4.3 膨胀剂的作用

普通硅酸盐水泥的混凝土，由于C3S、C3A含量高，这两种矿物成分收缩值大，加入膨胀剂后，不但可增加混凝土的密实性，而且可补偿混凝土的收缩，达到减少整体混凝土的收缩，防止裂缝的效果。但由于各种膨胀剂性能有差异，使用膨胀剂时，应根据混凝土环境、结构物大小和季节适当选用膨胀剂种类和掺量，否则会产生不利的效果。

3.4.4 环境的影响

日温差变化大小和风速大小直接影响混凝土表面的水分蒸发速度，特别对新浇筑的混凝土内外湿度梯度的影响极大，施工技术措施及裂缝分析中应根据具体条件加以考虑。

4 工程实例应用

4.1 实例工程概况

南充蓝光·COCO香江B-1地块地下室结构二层，层高(4.5+4.5) m，单层建筑面积15 000 m2，单层地下室外墙周长820 m，墙厚300 mm，外墙设计混凝土强度等级为C35 P8，配筋II级钢，外墙后浇带设置和底板的分割基本上控制在30 m左右的长度。

4.2 工程中采取的相应措施

(1)提高ξp值的措施。因为提高ξp值的途径为提高 fu(1+p/d)最有效，采用非早强型的普通硅酸盐水泥，并在墙混凝土浇筑后加强养护工作。地下室外墙原施工图配筋为HRB40016@200，经与设计人员商议，改为主筋保持原设计不变，水平钢筋改为HRB40014@150，使得p值不变而d值有所降低，粗骨料原拟采用破碎卵石代替碎石以节约成本，后与商品混凝土搅拌站协商采用碎石，使ξp值的提高得到保证。

(2)降低|αT|的措施。为了降低水化热除了采用非早强型水泥，可采用添加II级粉煤灰和减水剂CSP-2来减少水泥用量。此外，地下室外墙模板拆除时间应延长，防止模板拆除过早而影响墙体的保温、保湿。

在膨胀剂的使用上选用性能稳定的优质产品。

4.3 实施情况及结果

综合考虑上述各种因素，我们在南充蓝光·COCO香江工程地下室外墙施工中采用了表4所示混凝土配合比，混凝土等级为C35 P8。

表4 混凝土配合比

此配合比水泥为42.5普通硅酸盐水泥，砂MX=2.3，砂率38 %，碎石粒径5～30 mm，砂石含泥量在0.2 %以下，粉煤灰为II级粉煤灰，减水剂采用CSP-2膨胀剂。由于混凝土料采用泵送，塌落度为140～160 mm。该地下室墙体施工历时3个多月，浇筑时多为晴天，保证3 d后才拆除模板，拆除模板后立即人工浇水养护14 d。现地下室外墙混凝土已浇筑完成近1年，经仔细检查，各段均未发现裂缝，所留置的标养、同养试块足龄试压均达到设计的抗压、抗渗等级。

TU755.7

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[定稿日期]2016-06-17