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现浇混凝土楼板早期裂缝的工程实例分析

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现浇地下室顶板早期裂缝的工程实例分析

摘要：针对已有混凝土结构地下室楼板出现的裂缝，通过现场调查与检测，结合结构设计特点、混凝土强度抽查、混凝土材性分析、混凝土施工条件及现场混凝土浇捣记录等方面对地下室顶板早期开裂原因进行了综合分析；并在基础上进行了裂缝修补和修补效果检测。
关键词：混凝土结构；地下室顶板；裂缝修补
中图分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：
The Project Analysis of Spot-Cast Concrete Basement Floor Early Cracks
Tan Jin1 Li Qiang2 Dong Zhenping2 Zhang Chengzhong2
(1、Xi’an Jing Fa Real Estate Ltd 2、School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology Xi’an 710055)
Abstract: Through on-site survey investigation and detection, combination of design features, concrete strength check, concrete material analysis, concrete construction conditions and concrete pouring records, the early cracks of spot-cast concrete basement floor was analyzed elaborately. On base of the analysis, the cracks was repaired and the repaired result was detected.
Key words: Concrete Structure; The Basement Floor; Cracks Repair
1前言
某商业广场局部为地下一层结构，使用商品混凝土进行浇筑，浇注完毕4个小时后发现楼板出现了大量不规则的早期裂缝，裂缝最宽处已达4mm。板面裂缝虽属于混凝土早期裂缝，但裂缝分布范围较广、开裂程度较大，什么原因造成了楼板的早期裂缝？其是否影响顶板的安全性？开裂后的板采取什么措施保证其今后长期正常使用？为解决这些问题，鉴定单位选择部分有代表性的部位对裂缝进行了现场调查与检测、混凝土强度抽查、混凝土材性分析，并根据结构设计特点、混凝土施工条件及现场混凝土浇捣记录等方面进行了综合分析，在此基础上对楼板裂缝原因、加固措施进行了研究和分析。
2现场调查、检测结果
（1） 概况调查
地下室顶板梁格为现浇钢筋混凝土楼盖，梁板整体现浇，规则的矩形板格，设计厚度180mm，采用商品混凝土，强度等级C40；设计图纸中该部位的地下室顶板以上为绿化和人行通道，因此要求混凝土板必须具有一定的抗渗性，设计抗渗等级为P8。顶板上部配有梁支座负筋，未设置板面分布钢筋。
材料方面，据商砼站提供的资料显示，地下室顶板的混凝土配合比为：水泥：砂：石：粉煤灰：水：膨胀剂：泵送剂=348：701：1097：96：158：35：5.8，水胶比为0.33，坍落度按160±20mm控制。水泥选用425水泥，本地卵石和河砂，主要掺合料选用电厂粉煤灰，AEA型膨胀剂和LSP泵送剂。所采用的水泥为新法烧制，且入搅拌机时温度较高（约90℃）。
据施工和监理人员介绍，地下室顶板是2007年5月4日下午1点开始浇筑，依次由东到西连续浇捣，至次日凌晨4点钟浇筑完毕，共耗时15小时。浇筑采用两次收面，收面后立即用棉毡毯覆盖养护。在5月5日早晨8点左右，现场施工人员发现在顶板面多处出现无规则裂缝，裂缝发展较快，次日实测裂缝的最大长度约1.4m，最大宽度达4mm。由于当时处于春夏之交，昼夜温差较大，现场测量浇筑时气温在33℃～15℃之间，温差18℃，且浇筑完成后，刮起了4～5级的大风。
（2） 顶板混凝土强度分析
现场采用回弹及取芯法对检测区域内楼板混凝土强度进行了抽查，具体强度测试结果见表1，从测试结果来看，当前龄期（检测时板混凝土龄期为13天）的顶板混凝土强度基本达到了设计强度。
表1 混凝土强度钻芯测试结果
芯样名称
D×H（mm×mm）
破坏荷载（KN）
抗压强度（MPa）
备注
1#
99.5×100
294
37.8

2#
99.5×100
305
39.2

3#
99.5×101
326
37.8

根据甲方提供的搅拌站混凝土的试压报告、施工单位现场预留试块的试压强度、监理公司见证取样混凝土的强度试压报告，混凝土强度均达到了C40的强度要求。
（3） 现场裂缝检测结果
在施工方和监理方的配合下，检测单位对板面裂缝进行详细调查，调查发现约有90%的板格上表面出现严重开裂现象，裂缝出现较早，大多在混凝土终凝前就已经出现，此类裂缝属于混凝土早期塑性裂缝，非荷载等原因所致。裂缝分布特点为：大部分板块裂缝相对较长，靠近板跨中部位的裂缝多且较宽，靠近板支座（梁附近）部位的裂缝较少、宽度较小，裂缝分布无方向性，多数呈放射状由板跨中向外延伸，裂缝分布见图片1；局部板块裂缝呈不规则的网状分布（即龟裂）且表面不平整，这种裂缝宽度较小，裂缝分布较密。对大多数板格上的裂缝宽度进行测量后发现：大部分板格裂缝宽度在1.5mm以上，最大裂缝宽度为4mm左右；龟裂的板格裂缝宽度较小，一般在0.1mm以下，但拆模后仍发现存在渗水现象。
图片1 顶板裂缝局部分布图

为了较准确的检查裂缝沿板厚方向的发展程度，选取较典型的裂缝，采用骑缝钻芯的方法，测量裂缝深度，测量结果见表2，所取出的芯样见图片2。结果表明（见表2），有10个芯样上的裂缝深度大于等于100mm。6个芯样上的裂缝上下已贯穿。
表2 混凝土裂缝钻芯测试结果
芯样
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
板面
缝宽
1.5mm
1.5mm
1.5mm
1.5mm
2mm
2mm
2mm
2mm
1.5mm
0.6mm
0.5mm
1.7mm
1.3mm
1.6mm
缝深
贯
穿
贯
穿
贯
穿
贯
穿
11cm
贯
穿
10cm
8cm
10cm
10cm
贯穿
6cm
1.5cm
2.5cm
图片2 芯样裂缝深度观察图

（4） 裂缝分析
混凝土结构早期裂缝问题是具有综合性质的复杂问题。温度收缩作用、干缩变形、塑性变形、基础不均匀沉降等均会引起结构早期开裂。
通过对裂缝形态、分布区域、发生时间等进行了详细调查，综合裂缝发生的特点，查阅原始资料及了解施工过程，对可能产生裂缝的原因逐一排查。分析表明，本工程检测区域内裂缝属于混凝土早期裂缝，是由于混凝土收缩和温度变形引起的。
混凝土结构的裂缝控制问题是一个系统工程，由于混凝土收缩变形及温度变形引起的开裂控制是复杂的，需要从材料组成、结构设计、施工设计和施工过程、混凝土养护等方面综合施工环境条件进行全过程控制。在裂缝控制过程中，应该抓好每一个环节，如果在某一个方面防裂措施不严密，则必然会引起结构开裂。
通常构件截面尺寸对收缩的影响，采用截面水利半径倒数作为反映截面在大气中的暴露程度来表示。楼板截面水力半径倒数是相同正方形截面棱柱体的5倍，因而在同样环境条件下其收缩远大于同面积的棱柱体。楼板收缩受到纵横梁框架的约束，当收缩应力超过混凝土抗拉强度时则引起开裂，裂缝呈网状或横断形式。这也就是为什么楼板开裂较多而梁体开裂较少或未开裂的原因之一。
分析表明，楼板开裂的原因有以下几个方面：
①本工程所采用的水泥为新法烧制。这种水泥温度较高（入搅拌机的温度超过90℃）、比表面积大、早期水化迅速，这使得实际结构的混凝土强度发展速率与实验室凉下来的水泥做试验时的发展速率差异甚大，再加上使用保水性较好的萘系减水剂，使得采用这种水泥的混凝土形成水化快、水化热发展快、拌合物保水性强，泌水性小。由于当时环境温度高、风速大而且干燥，水分挥发迅速，混凝土的泌水和毛细管提升水的综合作用还低于水的挥发作用时，使混凝上表层脱水速度远大于混凝上内层提供水的速度，造成了混凝土面层体积收缩大，而此时混凝上还未产生足够的强度，则混凝土可能早在实行表面覆盖、喷水养护之前就己经产生了表面裂缝，甚至贯穿性的裂缝。
②为了满足施工现场的可泵性、流动性,商砼出机时坍落度和砂率都较大，因运输距离长，为了降低坍落度损失,在商砼中掺加一定量的缓凝成份，使得混凝土早期强度变低，并且搅拌站没有根据天气的变化随时对加入缓凝剂的量进行调整，致使此批混凝土缓凝剂加入过量，更增加了形成塑性收缩裂缝的可能。虽然混凝土掺加了膨胀剂，可以抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩应力，但是没有保证足够强度和湿度，反而造成了混凝土干缩变形过大而开裂。
③水化反应引起混凝土板内外的温度变化。水泥水化是一个放热的化学反应过程,每m3混凝土一般释放15500～27500kJ的热量,且大部分水泥水化热在3d内释放出来。大量水化热导致板内部温度升高,且热量不易散失，而板表面散热快,由于当晚风速大，更加速了板表面的散热，使得板内外产生温度梯度，特别是环境昼夜温差大时,内外温度差别将更大，内热胀外冷缩现象在板表面产生拉应力,当拉应力超过其抗拉强度时,混凝土便产生裂缝。裂缝初期较细,随着时间的发展而继续延伸、扩大,以至贯穿整个板。
④为了控制楼板温度收缩裂缝，当板与周围梁、柱、墙等构件现浇且受约束较强的楼板，宜在板未配筋表面配置构造钢筋或构造钢筋网片，并与原有钢筋按受拉的要求搭接或在周边构件中的锚固；而且，宜采用直径细而间距密的方法配置，其间距不宜大于100mm，沿板的纵横两个方向的配筋率分别不宜小于0.1%。本工程在设计中为了节约成本而没有设置板面分布筋，这样在混凝土浇筑完成后由于温度作用表面收缩时，混凝土的收缩没有受到约束，而支座处设置有构造钢筋，这是引起“靠近板跨中部位的裂缝多且较宽，靠近板支座（梁附近）部位的裂缝较少、宽度较小”的原因之一。
综上所述，由于温度应力及收缩变形，楼板混凝土被刚性较大的墙体及梁约束产生拉应变，超过了混凝土当时龄期的抗拉应变引起了混凝土上表面开裂，进而由于温差及收缩变形，使裂缝进一步发展，最后材性较差部位产生贯穿裂缝。
3裂缝修补
现场调查和典型裂缝骑缝取芯测试结果表明，板上许多裂缝较宽、深度较大，更甚者上下贯穿，严重影响了楼板的抗渗性能，已不满足设计对抗渗性能的要求；另外，虽混凝土强度能够满足设计要求，但贯通裂缝破坏了楼板整体性，影响了楼板的整体受力性能，将对楼板的安全性造成不利影响；并且，较宽的裂缝可以导致钢筋过早锈蚀、混凝土碳化深度增大，即影响了楼板的耐久性。因此，必须结合本工程的实际特点采取适当的修补方案，恢复楼板因开裂而降低的机能和耐久性。
（1） 裂缝修补方案
鉴于设计对该部位顶板抗渗性能有一定要求，为保证顶板今后长期正常使用，建议采取以下措施：
①对宽度大于0.2mm的贯通裂缝，采取深层压力灌注方法修补。
②对宽度大于0.2mm未贯通裂缝，采取浅层灌注及封闭方法修补。
③检测报告中板格裂缝分布较密的板格，表面粘贴玻璃纤维布加强封护，封闭前还应先对板格上的贯通裂缝进行压灌处理。
④为了提高顶板的抗渗性能，建议将顶板上找坡层的材料由原素混凝土改为加钢丝网片的细石混凝土。找坡层最小厚度为40mm，内设4mm高强冷拔钢丝、间距150mm的钢筋网片，强度等级取C25。
⑤在顶板上方另增加一层水泥基防水层，加强顶板的防水、防渗能力。
（2） 裂缝修补效果检验
裂缝修补方案中的前三项由具有加固施工资质的施工单位进行裂缝修补；第4、5项内容由于与施工单位上部构造做法相关，由施工单位负责完成。前三项的施工完成后，检测站对裂缝修补的效果进行了检测。
首先，进行目测，观察到板面可见裂缝全部封闭；然后，在灌缝施工七日后，选取贯穿裂缝处骑缝钻芯，修补材料在裂缝深度方向饱满、均匀，将内部可见裂缝封堵完好，并对芯样做劈裂试验，劈裂没有在粘合面处开裂，说明环氧树脂已经恢复了楼板整体性；最后，对抗渗性有特殊要求的楼板进行蓄水试验，即将修补区域周围用普砖M5水泥砂浆砌两皮120墙，进行蓄水，蓄水厚度最薄处20mm，蓄水24h，未发现渗漏现象，说明所有裂缝已经完全修补。

参考文献：
（1）王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社.1997.
（2）中国土木工程学会.混凝土工程结构裂缝控制与混凝土新技术交流会论文集[C].1999.10.
（3）惠云玲.工程结构裂缝诊治技术与工程实例[C].中国建材工业出版社.2007.7.
（4）李强,董振平,张成中,牛荻涛等.某工程地下室顶板裂缝鉴定报告[R].2007.5.

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