地铁车站大体积混凝土裂缝产生原因及解决措施分析

任利国 张海波 曾子羽

（1 中交四航局第五工程有限公司；2 广州航海学院）

近年来，随着中国的快速发展，土地稀缺等问题越来越多，越来越迫切的要求对地下进行更大的开发和挖掘。地下室可以很好的处理停车场和噪声问题，不少高楼的底层都会有地下室或车库，为解决地面交通拥堵建设的地铁车站等地下建筑设施层出不穷。但由大体积混凝土建设的这些设施的墙体裂缝也越来越严重。裂缝会导致混凝土产生渗漏，墙体内部的钢筋也会被侵蚀，这是一种很大的安全风险。不但会破坏建筑物的美感，还会使建筑物的使用寿命下降，在施工过程中如果不重视、不采取相应措施避免产生的后果将十分严重。

1 大体积混凝土墙体裂缝相关理论概述

1.1 外墙裂缝

混凝土产生裂缝的原因可分为两大类：结构性和非结构性裂缝。前者是外荷载导致的结构次应力所引起的裂缝，而后者则是由变形变化等因素所引起的，如温度、收缩、不均匀沉降等产生的裂缝。在固态物质中存在不连续性，如物质内部的瑕疵或随时间扩大的裂缝，会导致墙体漏水、钢筋破损、生锈和裂缝扩大，对建筑物寿命造成影响。因此，应采取预防墙体裂缝的措施。裂缝的杀伤力会随着时间的推移不断增强，而在墙面开裂或阴雨天气下，雨水会渗入墙体表面，导致剥落和霉菌滋生，对人体身体和心理造成很大的危害。

1.2 裂缝的主要特征

墙体的破坏有三种表现形式，一种是墙体的两侧压溃，主要的破坏集中在墙体的端部，裂缝多为贯穿墙体上下的竖向裂缝；一种是墙体的整体破坏，破坏表现为墙体的整体开裂和混凝土剥落，除了竖向裂缝外，还有较多斜向裂缝；还有少数墙体破坏为墙体的部分整体破坏，破坏集中在墙体的一半区域，半面墙体开裂，伴有斜向裂缝向墙体中部延伸[1]。

裂缝主要为竖向裂缝，缝长接近墙高，两端逐渐变细而消失；数量较多，宽度一般不大，绝大多数缝宽度≤0.2mm；沿地下室墙长两端附近裂缝较少，墙长中部附近较多；裂缝出现时间多在拆模后不久，有的与气温骤降有关；随着时间裂缝数量增多，但缝宽加大不多，发展情况与混凝土是否暴露在大气中和暴露时间长短有关。虽然裂缝无法完全防止，但在建筑业中，控制裂缝宽度在一定限度内即可，通常不会对墙体产生重大影响。

2 大体积混凝土墙体裂缝产生原因

2.1 混凝土自身原因

混凝土是由石子、水泥、砂浆和水等材料组成的一种复合物。混凝土配制时需要考虑石材的粒度、类型、灰浆的水分含量、水质和水温等多种因素。一些厂商未严格把控原材料的品质，将劣质材料与优质材料混合使用，导致混凝土品质下降和裂缝问题的加剧。混凝土的强度级别与混凝土用量、水化热量之间存在比例关系，高温条件下混凝土在拌和过程中流量会产生较大的变化，难以保障品质。在裂缝形成方面，混凝土的原材料选择和配合比设计不当，沙子中粘土含量过高、混凝土用量太多、加入过多沙子或只添加膨胀材料都可能引起混凝土收缩和裂缝形成。此外，混凝土在浇注后需要实施适时维护以避免塑性变形和裂缝产生。

2.2 不均匀沉降及温度应力

2.2.1不均匀沉降

在浇注混凝土后，建筑会逐渐下沉，不同位置承受不同的压力，其自然沉降也不同，产生的沉降差也很大；当结构的实际应力和预应力有一定偏差时，就会产生裂缝。当上部结构承受的载荷不均时，会对承载层土壤造成不利的作用，进而引起局部土体的不均匀下沉。同时，在基坑底部还会产生一定的变形，从而引起整个土体的受力不均匀。地基的受力不够，一旦出现位移，就会导致墙体的裂缝。在建造房屋时，最重要的是基础，一旦地基发生变化，引起不均衡的沉陷；如果超过该极限张紧力，就会造成轻微的开裂，甚至是严重的翻转。

2.2.2温度应力

混凝土受温度变化产生的应力称为温度应力，在地下室墙的设计中常未充分考虑其影响，但裂缝的大小、性质等会影响结构的耐久性和工程品质。混凝土在施工过程中由于内部高温而膨胀，容易导致墙体开裂而品质下降。混凝土用量与强度、水化热量等相关，高水化热一般发生在固化阶段，导致混凝土发热和收缩，外表面受到拉伸应力而内表面则受到压缩应力，若超过混凝土的拉伸强度则出现裂缝，温度变化引起的裂缝可归结为混凝土应力和水化热量。

2.3 施工养护及设计原因

2.3.1混凝土养护不足

随着混凝土使用年限的延长，其抗压能力会降低，故加固期间需进行有效维护。膨润剂喷射养护应在一定温度范围内、含水量充足的条件下进行。膨胀剂用量大，故需进行强化保养，喷洒过程中需保持地面潮湿。墙作竖向构造，维修极具挑战性，浇注完之墙壁未经过灌溉及保养，不出两日即可拆除。在钢筋绑扎过程中，大多未留意连接部位及钢筋倾角，导致加固防护层未符合规范，表层出现裂缝。混凝土浇筑过程中使用振动棒振动，但由于长周期不能充分混合，模板拆除后仍会出现裂缝。

2.3.2设计方面不合理

《混凝土结构设计规范》规定，在室外20m 以内时，现浇钢筋混凝土墙的伸缩缝不超过30m，而在工程中，许多墙的长度超过20～30m。墙壁过长并不是国家的法律法规，而是用普通的混凝土加固。标准中要求大尺寸建筑物的后浇段间距不得大于60m，另外，墙体横向钢筋设置于纵向钢筋内部，横向混凝土未受到较好的约束。若墙体的横向筋设置于垂直筋的外部，可以有效地减轻墙体的裂缝。控制墙板龄期在28d 以上，并在墙板顶部设置弹性缝，避免斜裂缝的产生[1]。安装时的接缝处未按要求进行施工缝处的处理是影响裂缝的其他原因。

随着光纤体积掺杂比的增大，砌块抗压强度先增加后减小，抗裂性和透光性增加，抗侵蚀、抗渗性以及脆性系数下降[2]。

3 大体积混凝土墙体裂缝解决措施

3.1 选用合适的混凝土

混凝土原料应满足以下技术和标准要求：粉煤灰质量等级不低于2级，掺入率不超过20%；混凝土强度等级不低于32.5，不得与其他物料混合；中沙的泥含量应低于3%，泥量不超过1%；砂砾或鹅卵石的直径应在5～40mm 之间；搅拌用的水必须为清洁的水；添加剂必须符合国家1 类标准。在选择混凝土时，优先采用低水化温度的矿渣硅酸盐混凝土；在大体积混凝土中适量添加粉煤灰和减凝剂，可有效减少其水化热量；对混凝土配比进行严格控制，尽可能降低混凝土比例，但不影响混凝土品质。通过严格控制细砂集料掺入量，确保其品质稳定可靠。

混凝土的水化热是导致内部温度升高的主要因素。选用低热混凝土可有效降低水化热率，使其内部温度下降。研究表明，325 和425 型矿渣混凝土具有低水化热量，其热量比常规混凝土低28%。具体材料包括：选择适当的胶凝材料，如矿渣硅酸钙、粉煤灰、细度较小的中温型混凝土，以及在可能的情况下使用低温型混凝土；选择适当粗细度尺寸的集料，如低于2%的含泥中等粗砂粒，砂砾或鹅卵岩含量不超过1%的合适颗粒大小；加入适当的增稠剂和减水剂可改善混凝土流变性，通过分散和减水作用有效地减少耗水量，提高抗压能力，还可减少水化热、延缓混凝土最大温度、降低因气温变化引起的裂缝；掺入硫酸钠可加速混凝土凝固，但注意用量；将适当的膨胀材料掺入混凝土中，可获得一种具有补偿收缩作用的混凝土。膨胀剂可分为硫酸铝酸钙型和氧化钙型，国内常用的是AEA 型，其添加量为10%或UEA 型的15%。

3.2 控制不均匀沉降与温度应力

3.2.1控制不均匀沉降

在土木工程中，为了降低整体沉降常采用桩基或其它桩基。采用CFG 加固基础并采用合理建设对策，可保证基础承载能力和压缩模量处于最优值。后浇带在工程中是必要的，有沉淀和温热两种，需要在主体工程完工后或两个多月内进行组装，与邻近房屋地基之间的间隔应合理。为了避免结构沉陷引起的裂缝，可合理选取适当的构造方式，配以适当的圈梁柱，以减少基础及房屋本身的自重，先行建设超大型建筑物，再对小型、轻型建筑物进行后期建设。在建设工程前必须对基础进行预处理，考虑开挖对基坑底部土壤的保护以及降雨和桩边钻孔对相邻建筑物的影响。

另外，裂缝的修补可采用以下常见方式：表面涂布法，使用硫化物固化剂、聚氨酯、环氧基等涂料，需满足混凝土表面必须牢固、清洁，涂层大约1mm 即可。涂覆和玻璃网工艺法，用环氧复合材料与玻璃网或聚氨酯涂层。灌装法切开裂缝后注入甲基丙烯酸酯、水溶性聚氨酯、环氧等材料，适用于裂缝修复。对于裂缝的修补，注浆法分为高压注注机注入环氧胶泥浆和0.2～0.4 百万帕斯压强的注浆量两种。

3.2.2控制温度应力

预制墙体的传热系数随保温层厚度的增加而减小[4]。在施工现场，常用的混凝土强度等级普遍为C30或更高。但是，随着强度级别的提高，其掺入量和标号也随之增大，从而导致更高的水化热量和温度压力，进而引起墙壁的裂缝。在进行混凝土泵送时，由于泵浦的混凝土强度高于常规混凝土，其掺入的混凝土成分明显大于一般的混凝土，从而使其水化热量增加并提高混凝土中的温度压缩裂缝风险。此外，在相同的掺入量下，为了确保混凝土的塌落程度，应增加用水或掺入添加剂。因此，在泵送混凝土时，混凝土比例要大于普通混凝土的5～10 倍，并注意水分含量的减少以降低干燥收缩开裂的几率。国内对泵送混凝土的最低使用限制是300kg/m3，以确保泵送混凝土的平顺度并减小泵压的阻力。此外，集料粒度对泵送混凝土质量有很大影响，应注意砂砾和卵石颗粒直径与管内径之比的控制。在降低温度应力方面，可以通过骨料级配的提高、添加塑化剂外加剂、利用水冷却碎石等方式来降低混凝土的温度。同时，在热天浇筑混凝土时可以减少浇筑厚度并利用浇筑层面散热，或者将水管埋在混凝土中并通入冷水以降低温度。在拆模时，需要制定好拆模时间，并在温度突然降低时对墙体表面进行保温，防止混凝土表面产生较大温差。对于长期暴露在外的浇筑块表面或较薄的结构，需要在冬季进行保温措施。

3.3 加强施工养护和相关设计

3.3.1加强对混凝土的养护

为了减少裂缝的产生，需要严格掌握施工方法和施工时机。在混凝土浇注后的前12 个小时内，应进行定量的灌水，采用优质保水剂，并确保均匀喷洒。在透明胶片养护过程中，必须严格覆盖以防止外露，以保持内部湿度。喷洒养护水需由专人负责，以保持混凝土的湿润状态。在冬季低温条件下，应采取防冻措施，对竖向构件进行养护液喷洒。电渣压力焊时，应注意钢筋的搭接状态和倾角，一般应在焊缝上保留4mm 的电渣量，坡度不应超过15°。

在混凝土浇筑过程中，工人应注意以下事项：

⑴快速插入振动器，并缓慢拔出，以避免混凝土裂缝的产生。

⑵严格控制振动时间，过短会导致漏振，过长会导致混凝土与砂子分离并产生沉降，从而使混凝土表层发生砂化，严重影响混凝土质量。

⑶在大约25 秒内，每次振动应持续到混凝土不再产生泡沫或明显沉降，并使灰浆流出。

⑷振动器的插入间距应在30～50cm 之间，以避免漏振。

⑸为增强上部和下部混凝土的粘结强度，振动器的插入深度应小于10cm。

⑹在振捣过程中，不得接触模板、钢筋和预制构件，仅在靠近模板的位置进行振动。可以用木槌轻轻敲击模板，并在模板边缘和钢筋密布区域使用铁钎进行振动，以确保混凝土的浇筑质量得到充分保证。

3.3.2完善设计

⑴为避免气温变化引起混凝土建筑裂缝，合理的伸缩缝应按照设计要求设置，间距不低于实际尺寸。施工实践和使用年限可以根据《混凝土结构设计规范》缩短伸缩缝间距。为提升智能建筑混凝土墙体安全，研究基于极点特征聚类的智能建筑混凝土墙体裂缝识别方法，精准识别墙体裂缝，及时修补裂缝，确保墙体安全[3]。

⑵对边壁横向钢筋要进行严密监控。采用抗裂筋间距较短、直径小、间隔小的加固方法，强化构件的受力特性和变形，并在薄弱区域加固，设置隐蔽梁板以增加混凝土的配筋比和极限拉伸强度。此外，还应在垂直筋的外部布置横向筋。

⑶减少边壁高度，并按要求设置永久可扩展裂缝，范围为30～40m。可以提供1m宽的后浇条，间隔为20～30m，以减小热收缩压力。在后期施工中，将各部分墙体拼接成一体浇筑。为减少后浇区数量，可采用UEA 膨胀剂。

⑷充分发挥混凝土后期性能，将56 日混凝土的抗压强度值置换为28 日以后的混凝土，有效减少水化热量和用量。

⑸确定混凝土的掺入量和水灰比，同时确保混凝土的品质。提高钢筋混凝土抗拉能力，通过合理的配筋布置控制混凝土的温度裂缝和收缩裂缝。在依托工程原配合比的基础上，从材料角度考虑掺加抗裂剂来降低混凝土外约束应力。在满足工作性能与力学性能的前提下，降低水泥用量降低混凝土绝热温升；粉煤灰早期水化较慢，替代水泥可降低结构温升，减小温降收缩和自收缩，矿渣粉会增加自干燥收缩，且降低温升效果不及粉煤灰，适当多掺粉煤灰和少掺矿渣粉；同时掺入具有微膨胀功能的抗裂剂，补偿混凝土收缩变形。本工程混凝土采用泵送工艺，若水胶比偏小会导致泵送压力大，不便于施工，因此适当提高水胶比[2]。

此外，在设计中要征求科研单位、施工单位、材料研究人员和质检人员的意见，确保工程安全和施工便利。设计单位应对地下室重要构件的承载能力和地基沉降情况进行验算，以发现设计不足，并采取相应对策。

4 结论

针对混凝土建筑常见的开裂问题，我们进行了全面的研究，从原材料、性能和施工等方面进行了分析。我们总结了混凝土墙开裂的成因，并提出了相应的防治对策。通过对混凝土墙开裂成因的分析，我们确定了一系列问题，并提出了相应的解决方案。然而，在现场勘察、原材料选择和施工技术等问题上仍需进一步研究，以进一步完善混凝土结构墙体的开裂问题。

主要结论如下：

⑴对于大体积混凝土墙体，我们采取了预防开裂的措施，并进行了详细的论证，以确保其抗裂性能。在施工前期，需要改善混凝土的原材料和性能，以从根源上提高混凝土墙体的抗裂能力。

⑵混凝土墙体的开裂与内部变形和热因素密切相关。收缩是混凝土变形的重要原因，增加了开裂的可能性。温度变化是导致混凝土开裂的主要因素，早期水化热不能充分释放，导致温度应力增大。因此，在建筑工程中，需要合理调配原材料，并有效控制气温变化。

⑶我们强调建筑设计师对设计规范的意识，仔细研究相关部门和项目承包方的新规定，将施工项目的各个方面纳入考虑，然后进行混凝土墙体的防开裂工作。

尽管本研究对混凝土结构墙体开裂问题进行了深入研究，发现了一系列问题并提出了解决方案，但混凝土施工是一个复杂的过程，涉及各个方面。在建筑场地勘察、原材料选择和施工工艺等方面，我们需要进一步探讨。在实际工作和生活中，我们必须总结和完善新的方案，以进一步解决混凝土结构墙体开裂问题。