高层建筑高强混凝土结构早期裂缝的产生和防治措施.pdf

第 4 第 0 石 家庄铁路职业技术学院学报 VO L 4 N o 1 竺 竺 星 兰 垒 圣 坚 垒 鱼 兰 ! ! ! 垦 里! L W A Y T E C H N O L O G Y M a t , 2 0 0 5 高层建筑高强混凝土结构早期裂缝 的产生和防治措施 许德 杰 ( 中铁十四局集团有限公 司建筑工程分公 司 山东济南 2 5 0 0 1 4 ) 摘要：例举工程实例说明高层建筑中应用高强混凝土产生早期裂缝的特点，从结构型式，混凝 土原材料，施工工艺等多方面分析成因，提出高强混凝土结构避免产生有害裂缝的各项有效措施 关键词：高强混凝土 早期裂缝 有效措施 中图分类号： T U 9 7 8 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 3 1 8 1 6 ( 2 0 0 5 ) 0 1 0 0 0 5 -0 5 1 工程简介 某高层建筑综合楼，大底盘双塔，地下 2 层，地上 2 8层，总建筑面积为 5 6 0 5 8 m 2 。地下两层，分别为五 级人防地下室、汽车和自行车停车库及设备用房；地上 2 8层，第 l 5层大底盘为商场、办公用房，第 6 3 0 层两座塔楼为住宅。地上结构总高度为 8 7 9 5 m ，底盘 长度为 9 6 9 0 m ，宽度为 3 3 3 0 m 。 该工程抗震设防烈度为 8度，结构型式为大底盘 双塔框支抗震墙结构，大底盘为框架一抗震墙、五层 设转换大梁，两座塔楼为抗震墙结构 ( 部分为框支 ) 。 地下二层为箱形基础兼五级人防地下室，持力层为卵 石层 ，底盘部分在主体塔楼与裙房之间设有两条后浇 带。大底盘竖向抗侧力构件和转换大梁采用了 C 6 0高 强泵送商品混凝土。 立面图如图 1 ，总平面图如图 2 。 2 裂缝描述 图 I立 面 图 在主体施工至 l 2层时，发现底盘部分抗震墙和转换梁出现裂缝，裂缝宽度在 0 1 0 - -0 6 0 m m之间，大 部分 0 2 5 O 4 0 m m ，裂缝深度为 1 5 0 3 0 0呷。 裂缝的分布情况为：抗震墙 ( 墙厚 4 5 0 m m )基本在墙中沿竖向呈对称、枣核状分布，倾角接近 9 0 。，大多数沿全层高分布或 自本层楼面至距上一层楼面板底 8 0 0 1 0 0 0 m il l 之间，每片墙体裂缝多 收稿 日期：2 0 0 4 - 0 8 - 0 5 作者简介：许德杰 ( 1 9 7 0 - ) ，男，汉 ，工程师。 5 维普资讯 http:/ 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 0 5年第 1期 二 一 一 为 1 条 ，d I t t ：t 2 3条裂缝。转换大梁 ( b h =l O 0 0 m m X2 0 0 0 m m )基本在梁侧面跨中沿竖向呈 对称 、枣核状分布，倾角接近 9 0 。，人部分为 每根梁 1 条裂缝，个别也有 2 3条裂缝。裂缝 出现后，现场及时进行监察，未发现裂缝有新的 发展 。如 图 3所示 。 3 裂缝原因 混凝土的裂缝是一个复杂而普遍的问题， 设 计时裂缝控制验算是指按所处环境类别和结构 类别确定相应的裂缝控制等级， 满足最大裂缝宽 度限值 ( 0 2 0 4 m m ) ， 允许混凝土带裂缝工作。 从混凝土水化的本质来说， 残余应力也是必然存 在的。 近代科学关于混凝土的亚显微观研究以及 大量的工程实践所提供的经验都说明结构物 的 0D0 图2总平面 裂缝是普遍存在的。从表观看，裂缝有宏观裂缝和微观裂缝两种。微观裂缝，由于对承载力、防水、 防腐等都不会引起危害，所 以微观裂缝可以假定为无裂缝。宏观裂缝主要分为由外荷载的应力引起 的受力裂缝和变形变化引起的裂缝两大类，混凝土结构表面或内部产生宏观裂缝不加控制和防治， 将对结构承载力、防水性、抗渗性、抗钢筋锈蚀性和抗化学腐蚀性等耐久性能和使用寿命产生严重 危 害 。 首先考虑是否是由外荷载的应力引起的受力裂缝，从而确定是否有重大结构设计安全缺陷。发 现裂缝时， 工程主体刚施工至 1 2 层， 荷载仅为设计荷载的三分之一左右， 也未经有大风与地震作用， 基础的沉降变形很小，后浇带尚未施工。从产生裂缝的位置来看，集中分布在 2 5层有框支柱 ( 1 2 5 0咖 X 1 2 5 0 m m )约束的长墙和框支梁中，而非受力较大和应力突变的一层、地下一层和上部 结构与基础的嵌固位置，结构构件边、角处以及施工缝、角窗、短墙肢等薄弱部位。从数量 、形状 等裂缝特征来分析，与结构构件中常见的受弯、受剪、受扭裂缝也不相同。因此初步可以排除受力 裂缝 ，而 是变 形裂缝 。 产生变形裂缝的原因很多，主要有混凝土结构形式、拌制混凝土的原材料、外加剂质量、施工 工艺、温度和湿度的变化、养护质量等因素，而且很多因素是交织在一起的。分析本工程特点：由 于是大底盘双塔框支抗震墙高层建筑结构体系，所以采用了大体积、高强、泵送商品混凝土，则其 早期裂缝的产生原因可从以下三个方面分析。 3 1 自生收缩 白生收缩发生在混凝土开始凝结至凝结硬化后的几周内，尤其是凝结后的头几天。开裂首先受 水灰 比的影响，水灰比低 ，则早期发生开裂容易。对于低水灰比的高强混凝土， 自生收缩在总收缩中 占据较大比例，且水灰比愈低， 自生收缩愈大。虽然高强混凝土小试件在早期加水养护下能显著降低 自生收缩 ，但对尺寸较大的结构构件，由于高强混凝土的密实性随着龄期发展迅速增加，外部水分 难 以及时渗透到内部混凝土，故不能显著降低 自生收缩。在常规收缩试验的测定值中，因为不包括 混凝土的初始 自生收缩值，所以加上 白生收缩后，高强混凝土的实际收缩稍高于普通混凝土，而且 在实际工作中高强混凝土构件中的早期收缩量要大得多。另由于高强混凝土不易透水的特性，养护 阶段的表面湿度高于内部，而拆摸后置于大气时的表面湿度又会低于内部， 造成内、外不同的收缩， 这时的混凝土构件即使没有受到外部约束，也会因本身收缩差在内部约束下产生开裂应力。虽然实 际构件尺寸较大，总体失水干燥收缩过程很长，因表面干燥快，仍能造成早期开裂。 6 维普资讯 http:/ U 昌 。 l 囊 蠼鼍a = O 4 0 m m 地上 第五 层 f 肇 a = O 2 5 ra m 地 上笫五 层 鲢 d ： 4 3 7 ra m 鲢 d = 6 6 4 2 m m 鲢 嚣 a ： 0 1 5 ra m 裂缝 茸 d = 9 3 m r a 地 上第四 层 f 蛙 蓖a = O 2 5 m m 地 上第四 层 女 蛙 宽a = O 5 0 m m 裂 缝 宽 a = O 4 5 n m 1 蟹 罐 d = 9 3 9 7 ra m 鞋 d ： 2 7 3 m m 。 箍 d = I B O,t lm 地 上第三 层 地 上第三 层 女 殪 嚣a = O 6 0 m m 7 曩 鲢 竞a ： 0 2 0 m m 曩蝰霹 d ： 1 3 4 mm f 裂 缝罨 d ： 1 3 ram 地上第二 层 裂 琏 a ： O 3 5 ra m l 地上笫 二层 l 蛙 a = O 4 0 ra m d = N 5 8 m m 裂 缝 d = 2 2 0 m m j f 7 7 、 - 地 上第一 层 地 上第 一层 地下 第一 层 地下第 一层 地下第二 层 地下第 二层 7 8 0 0 7 8 0 0 图 3墙体裂缝示意图 7 维普资讯 http:/ 石家庄铁路职业技术学院学报 2 0 0 5年第 1 期 3 2 温度收缩 大体积混凝土是指最小断面任何一个方向大于 1 m以上的混凝土结构，其尺寸已经大到必须采 用相应的技术措施降低温差，合理解决温度应力并控制裂缝开展的混凝土。混凝土结构体积越大， 表面系数越小，散失出去的热量比例越小，相应的混凝土内部的温度值越高。大体积高强混凝土的 水泥用量较多，水化放热量大，在非绝热条件下混凝土所能达到的最高温升与水化热的释放速度有 很大关系，而后者又与混凝土的本身温度有关，温升使混凝土膨胀，但升温阶段的混凝土处于高塑 性和较低弹性模量的状态，在周边约束下能够引起的压应力甚为有限，而温降时的混凝土则 已相当 坚硬， 在外部和内部约束下必将导致较高的温降收缩应力，当收缩应力大于混凝土的拉应力时，便会 产生温度裂缝。 3 3 塑性收缩 塑性收缩是硬化前新拌混凝土因表面水份蒸发而引起的收缩，由此可产生塑性开裂。当新拌混 凝土 的表 面水份蒸发速率大于混凝土 内部 向表面 泌水 的速 率时，表面就会失水干燥 。高强混凝 土 的 用水量很低，基本上不泌水，尤其掺有较多矿物掺合料时更是如此，所以高强混凝土容易发生塑性 开裂。泵送高强商品混凝土从制备、运输到浇筑完毕，时间一般较长 ，会掺加缓凝剂延缓凝结时间 且塌落度较大，流动性较大，水泥用量高等均会加剧塑性收缩而开裂 。对塑性裂缝若不及时处理。 则在混凝土硬化后，会因自生收缩和温度收缩往纵深处发展并加宽，随着龄期增长，又会因进一步 的干燥收缩而加剧。 4裂缝防治 4 1 改善边界约束和构造设计 从本工程裂缝的分布情况分析，多数刚度 比较大的混凝土结构构件与有比较强的约束柱的结构 构件，裂缝 比较多，应严格控制结构构件的刚度与截面尺寸。比较长的墙肢与有较强约束的构件， 应设置一定的结构洞 口，这些构件的配筋也应予以加强。剪力墙的体积配筋率应不小于 0 3 0 3 5 ，并应采用直径 比较小、间距比较密的配筋形式。楼面梁应设置纵 向构造钢筋，其间距不应大 于 2 0 0 ，每侧纵向构造钢筋的截面面积应不小于扣除楼板厚度后梁截面面积的 0 1 0 。另外在洞口 与角部等应力集中的地方，应设置加强钢筋或设置暗梁与暗柱等加强构件。 4 2 原材料控制 高强混凝土在配 比上要尽可能降低水泥用量并采用低水化热和含碱量低的水泥品种，以减少 自 生收缩、温度收缩、塑性收缩。选用膨胀系数低的粗骨料如石灰岩骨料，并加大优质粉煤灰的掺量， 防止粗骨料的级配不良导致浆体含量过高、收缩增大，所带来的一系列有害影响。对骨料含泥量要 作出更严格的限制，并选择适宜的水胶比。缓凝剂虽然能够延缓水化进程，降低水化热释化速度， 有利于硬化混凝土的防裂，但会增加浇筑初期发生塑性裂缝的危险。掺加微膨胀剂可防止普通混凝 土开裂，但对高强混凝土仍有一些关键问题有待研究。纤维混凝土对于裂缝控制尤其是防止早期塑 性开裂能起很好的作用。掺加价格相对低廉的聚丙烯纤维作为高强混凝土防裂的一种有效措施，己 在国内许多工程中得到成功应用。 4 3 温度控制 降低混凝土的浇筑温度对防裂十分有利，与普通混凝土相比，高强混凝土的水化温升较高，温 升速率也较大。所以高强混凝土的设计和施工必须考虑温度控制。即使构件的尺寸不大，也要如同 大体积混凝土施工一样，针对工程特点采取专门的措施，规定混凝土浇筑温度、养护期内最高温度 、 内表最大温差、温降最大速率等限值。浇筑温度愈高，不仅水泥的水化热释放愈快，导致的温升更 大。而且还会使拌合物流动性降低，损害 2 8 d强度。通常采用冷却骨料或用碎冰作为部分拌和水的 8 维普资讯 http:/ 第 1 期 许德杰高层建筑高强混凝土结构早期裂缝的产生和防治措施 办法， I洚低拌合物浇注时的温度。一般来说，将浇筑温度控制在较低水平对防裂有十分重要的作用。 高强混凝土的浇筑温度不宜超过 3 0， 在炎热天气下也不得超过 3 5，寒冷天则不得超过 2 5。 养护期间混凝土的最高温度不应超过 7 58 0，内表温差不宜超过 2 0 C，最多为 2 5。早期 混凝土表面温度如直接接触大气，二者温差不宜超过 2 0。 4 4 加强混凝土养护 混凝土的养护包括保持湿度与温度两方面。根据养护时的温度控制要求确定保温复盖层的厚度 以及相应的复盖和撤除的时间。过高或过低的环境温度以及剧烈的温度变化 ( 气温变化，以及在热混 凝土表面浇洒过冷的养护水等) 都会引起表面开裂。 控制塑性收缩最有效的方法是终凝前保持混凝土 表面的湿润，必须从混凝土入模开始就用潮湿养护，可采取喷雾、浇水、薄膜复盖等措施， 而不能象 普通混凝土施工那样，在入模几小时后才开始养护。一般的钢模板既不保水又易传热，很容易引起 侧面开裂，宜在模板外侧挂覆吸水隔热层，并尽早松开模板注水养护。最好采用具有保水内衬的模 板。拆模后的混凝土仍需复盖一段时间，避免表面暴露后干缩过快 ( 尤其在有风的环境下) 而引起开 裂。地下结构则要尽快复土回填。浇洒养护水时，水的温度与混凝土表面温度之差不应大于 1 5 。 4 5 裂缝 的处理 本工程中裂缝宽度小于 0 3 m m ，采用生长型水泥基渗透结晶防水材料涂刷；裂缝宽度大于或等 于 0 3 m m时，采用环氧树脂浆液灌注；裂缝宽度大于 1 0 m m时，采用微膨胀水泥浆液修补，修补 前，在裂缝表面涂刷一层水泥浆界面剂，取得 良好效果。 ( 责任编辑田明 山 ) 参考文献 ： 1 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 S 2 冯乃谦 高性能混凝土结构 3 吴义明 大体积高强混凝土转换层板温度裂缝控制 4 胡建勤 关于高强混凝土裂缝控制的探讨 5 邓伟炎 高强混凝土早期裂缝的产生原因和防治措施 Ho w t o Pr e v e n t t h e Oc c u r r e n c e o f t h e Ea r l y t e r m Cr a c k pr o du c e d b y Hi g h s t r e n g t h Co n c r e t e i n T a l l Bu i l d i n g X u D e j ie ( T h e A f f i l i a t e d E n g i n e e r i n g c o ， L t d o f C h i n a R a i l wa y 1 4 t h B u r e a u g r o u p J i n a n S h and o n g 2 5 0 0 1 4 Ch i n a ) Abs t r a c t ：I l l u s t r a t i n g t h e e n g i n e e r i n g p r a c t i c e ，the p a p e r p r e s e n t t h e c h a r a c t e r s o f t h e e arl y t e r m c r a c k p r o d u c e d b y t h e a p p l i c a t i o n o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e i n t a l l b u i l d i n g ，a n a l y z e s t h e r e a s o n c o v e r i n g t h e s t r u c t u r e f o rm ， c o n c r e t e p rep ara t i o n a n d c o n s t r u c t i o n c o n tro l ， an d t h e n a d o p t s a s e t o f e ffe c t i v e e ffe c t i v e me as u r e s t O p r e v e n t the o c c u r r e n c e o f t h e h a r mf u l c r a c k Ke yw o r d s ： H i g h s tr e n g t hc o n c r e t e E arl y t e rm c r a c k E ff e c t iv e me asu r e s 9 维普资讯 http:/