樓板開裂原因分析與荷載試驗研究

0 引言

混凝土裂縫問題一直是工程界的熱點問題。近年來，伴隨國內城市化進程的加快，基礎設施建設、商品住宅建設飛速發展，混凝土結構裂縫問題則顯得尤為突出。混凝土結構裂縫特別是非荷載變形導致的裂縫，對建筑物的長期耐久性、使用性能甚至安全可靠性可能產生嚴重危害，是多年來一直困擾工程界的重大課題。由于商品混凝土組成復雜，材料性質波動大，且普遍采用摻和料和外加劑，使混凝土往往具有較高的收縮變形；對施工進度的追求，往往不重視規范對施工養護等方面的嚴格規定；對利益的最大追求，使建設單位在建筑物構造設計上往往偷工減料，這些都是造成裂縫大量出現的重要原因。尤其是當樓板出現大量貫穿裂縫時，其承載安全性能引起了使用者的擔憂。本文將以在建的某商業綜合樓為例，對其樓板出現的開裂滲水部位進行檢測，采用裂縫測寬儀對典型的最大裂縫寬度進行測量，并對樓板混凝土強度、樓板厚度及配筋狀況進行檢測，同時，對開裂樓板做靜載試驗，驗證其安全承載性能。

1 工程概況

商業綜合樓由一幢地下2層、地上14層的賓館及4層裙房組成，總建筑面積約為36 000m2，商業裙房樓板為雙層雙向配筋（圖1），其混凝土設計強度為C30，設計板厚120mm。

在塔樓建造過程中，該商業裙房樓板出現了大量的不規則裂縫，在灑水養護時普遍存在開裂滲水現象，這對結構整體的剛度影響較大。樓板裂縫的出現引起了業主的恐慌，擔心樓板難以滿足安全承載力要求。因此，有必要找到引起樓板開裂的主要原因，以避免此類問題的再次發生。同時，對樓板結構進行現場靜載測試，掌握樓板的安全承載性能，為后續的修復工作及混凝土工程的裂縫防治工作提供依據。

2 現場檢測結果

現場選取出現裂縫較多的2層樓板16～17/P～N區域、3層樓板18～19/P～N區域和屋面板16～17/P～N區域進行重點檢測。經現場完損檢測發現，商業裙房樓板普遍存在開裂滲水現象，采用裂縫測寬儀對典型的最大裂縫寬度進行了測量，最大裂縫寬度為0.2mm。同時，樓板的實測厚度介于119～126mm之間，厚度滿足《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB 50204—2015）的要求。

圖1 商業裙房12～17/J～R板配筋情況

表1 鋼筋混凝土板底配筋檢測結果

2.1 樓板配筋及保護層厚度檢測

采用PS-200鋼筋探測儀和0-150mm游標卡尺對指定檢測區域樓板裂縫處的板底配筋進行現場檢測（表1）。由表1可知，實測配筋情況與設計基本相符，樓屋面板板底鋼筋直徑均滿足設計要求，受力鋼筋間距均未超過規范允許偏差值，板底鋼筋保護層厚度稍微偏大。

2.2 樓板混凝土強度檢測

為確定混凝土的抗壓強度，采用HT225-A/ZBL-S230型數顯回彈儀和0～150mm游標卡尺，根據《結構混凝土抗壓強度檢測技術規程》（DG/TJ 08—2020—2007）進行混凝土強度現場抽樣檢測。同時，根據《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》（CECS 03—2007）在回彈測區共鉆取8個φ70mm的混凝土芯樣，并根據芯樣測試結果對非破損檢測結果進行修正（表2、3）。

測試結果表明，受檢區域樓板混凝土構件強度推定值在30.2～36.9MPa之間，滿足設計強度C30的要求。

3 開裂樓板靜載試驗

為了檢驗樓板開裂后的結構安全性，對底層頂板16～17/P～N區域、2層頂板18～19/P～N區域、3層頂板16～17/P～N區域分別進行靜力堆載試驗。每個區域各選一塊板做靜載試驗，試驗樓板處于最不利位置的中間樓板。

3.1 試驗方法

3.1.1 荷載計算

試驗時的最大荷載值（包括自重）取目標使用期內的荷載驗算值的1.55倍。

（1）恒載：0.12×25（樓板自重）+1.5（裝修荷載）=4.5kN/m2。

（2）活載：3.5kN/m2。

（3）目標使用期內的荷載驗算值為：4.5×1.0+3.5×1.3=9.05kN/m2。

（4）試驗的最大荷載值為：9.05×1.55=14.0kN/m2。

（5）試驗的外加最大荷載（采用注水）：14.0-3（樓板自重）=11.0kN/m2。

3.1.2 加載工況

對雙向連續板分別按圖2所示的兩種情況進行均布加載，其中，陰影部分為注水加載區域。

表2 測區混凝土強度芯樣修正結果

表3 混凝土強度檢測結果（回彈法）

3.1.3 加載方式

試驗應采用分級加載，每級荷載不應大于最大試驗荷載的20%。構件的自重應作為第一級加載的一部分。加載至最大試驗荷載后，應分級卸載。

本次試驗擬分6次進行加載，加載后分別為最大試驗荷載的20%、40%、60%、75%、90%、100%。

（1）第一級加載后荷載為：3.0 kN/m2（不注水，板自重狀態下測試）。

（2）第二級加載后荷載為：5.6 kN/m2（注水，深至0.26m）。

（3）第三級加載后荷載為：8.4 kN/m2（注水，深至0.54m）。

（4）第四級加載后荷載為：10.5 kN/m2（注水，深至0.75m）。

（5）第五級加載后荷載為：12.6 kN/m2（注水，深至0.96m）。

（6）第六級加載后荷載為：14.0kN/m2（注水，深至1.10m）。

3.1.4 測點布置

在試驗板下選取典型的代表位置安裝百分表，測點布置見圖3。

3.2 靜載試驗結果

每級加、卸載完成后，應持續10～15min；在最大試驗荷載作用下，應持續30min。在持續時間內觀察試驗構件的反應。持續時間結束時，測量樓板變形，并記錄百分表讀數。兩種加載方式下的具體測量結果分別見表4、5。

測量結果表明：加載方式一作用下樓板的最大撓度變形為1.87mm，加載方式二作用下樓邊最大撓度變形為7.21mm，均遠小于《混凝土結構試驗方法標準》（GB 50152—2012）中的限值58mm；在最大試驗荷載下，對板底典型裂縫進行觀察測量，縫寬變化較小，遠小于《混凝土結構試驗方法標準》中的允許值1.5mm。說明樓板結構在目標試用期內的荷載作用下，能滿足安全承載力要求。

圖2 樓板加載平面示意圖

圖3 樓板測點位置示意圖

4 裂縫原因分析

根據對受檢房屋樓板裂縫的部位、形狀并查閱設計圖紙及混凝土配合比資料，樓板裂縫是混凝土的早期收縮裂縫，該類裂縫的特征是裂縫寬度較小且貫穿樓板，樓板混凝土收縮裂縫不是因構件承載力不足而引起的開裂，即不是由外荷載的直接應力引起的。混凝土樓板非荷載裂縫的產生原因，在于混凝土非荷載變形受到約束產生的拉應力超過了其抗拉強度或極限拉應變。商品混凝土現澆樓板是典型的大體表比結構，混凝土失水速度快，因此混凝土干燥收縮的發展速度快，干燥收縮值大。此外，由于溫度變化的影響，疊加變形更大，在強約束作用下產生開裂。

參照上海市建設和管理委員會文件《控制住宅工程鋼筋混凝土現澆樓板裂縫的技術導則》(滬建建(2001)第0907號)，混凝土材料配合比中礦粉摻量不得超過水泥用量的20%，粉煤灰摻量不得超過水泥用量的15%。本工程1層頂板16～17/P～N區域和2層頂板18～19/P～N區域商品混凝土配合比中，粉煤灰摻量占水泥用量的22.5%，礦粉摻量占水泥用量的26.9%；3層頂板16～17/P～N區域商品混凝土配合比中，礦粉摻量占水泥用量的24.8%。顯然，上述材料摻量均超標。粉煤灰和礦粉都是非活性混合材，水化速度緩慢，摻入粉煤灰和礦粉的混凝土早期強度明顯低于普通混凝土，并且隨著摻量的增加早期強度下降趨勢增大。本工程樓板由于粉煤灰和礦粉的摻量偏大，采用該配合比的商品混凝土早期強度增長緩慢，導致混凝土早期強度相對較低，抗應變能力差。此外，由于抗震要求當前建筑結構設計普遍剛度高，對樓板的整體約束作用較強，在混凝土硬化過程中，樓板混凝土收縮增大，收縮受到縱橫梁體或剪力墻的約束產生的拉應力不斷增大，當拉應力超出混凝土極限抗拉強度時，樓板出現開裂。特別是在施工時如養護措施不力、嚴重缺水，就會在混凝土上產生細微裂縫并使表面裂縫擴展為貫穿裂縫。

表4 樓板撓度測量表

表5 樓板撓度測量表

本次樓板開裂可排除地基沉降、設計錯誤及超載等原因，而主要是由于混凝土材料配合比中摻加礦粉和粉煤灰比例偏高，早期抗裂性能差，施工養護措施不力等綜合因素造成的。

5 結論及建議

5.1 結論

通過對樓板強度、配筋、厚度尺寸進行現場測試，并結合開裂樓板靜載試驗兩種手段，對樓屋面板出現的裂縫進行分析，主要得到以下結論。

（1）本工程中，樓板的混凝土強度、配筋、尺寸均滿足設計要求，但出現了較多的貫穿裂縫，導致灑水養護過程中出現了滲水現象。

（2）靜載試驗結果表明，樓板結構在目標試用期內的荷載作用下，能滿足安全承載力要求。

（3）從被檢測房屋樓板裂縫的分布特征進行分析，被檢測房屋的樓板裂縫主要由于溫度變化、干縮變形等非荷載因素引起，為非荷載裂縫，其裂縫寬度較小，不影響房屋整體結構安全性，但對房屋結構耐久性及正常使用性有一定程度影響，需對裂縫滲漏部位進行修補。

（4）由于混凝土具有非勻質性、拉壓比底、變形能力差的特點，且體積伴隨濕度場、溫度場以及化學反應而產生變化，混凝土結構中裂縫的產生實際上是難以避免的。在正常情況下，非荷載裂縫對混凝土結構的承載力和安全可靠性不會產生大的影響。裂縫最大的危害在于顯著降低了混凝土的抗滲性，從而對構筑物長期耐久性和使用功能產生不良影響。

（5）混凝土結構的主要非荷載裂縫如收縮裂縫、溫度裂縫，往往最終形成貫穿裂縫，它們對混凝土抗滲性的影響更大。

（6）工程實踐中，應特別強調混凝土配合比的優化設計，注意礦物摻和料對混凝土收縮的影響，因為礦物摻和料替代部分水泥摻量過高會影響混凝土的初期抗裂性能。同時，結合當前廣泛采用的裂縫控制設計構造措施和施工控制措施，實現裂縫的綜合控制，以提升實際工程中對混凝土結構非荷載裂縫的有效控制能力。

5.2 措施建議

針對屋面板和樓面板出現的裂縫，筆者提出以下修繕處理建議，以期達到其正常安全使用的目的。

（1）對于寬度大于0.3mm的樓板裂縫，建議采用壓力注漿進行修補。

（2）對樓屋面板板面涂刷水泥基滲透結晶型防水材料，或在澆注找平層細石混凝土時在混凝土內按膠凝材料的2%添加混凝土防水外加劑進行防水堵漏處理；板底裂縫可用低黏度且具有良好滲透性的修補膠液進行封閉處理。

（3）混凝土結構出現裂縫時，為了評估裂縫的危害性并制定補強方案，客觀上也必須了解裂縫的寬度、深度、走向以及是否貫穿結構物斷面等特征。掌握裂縫的檢測與診斷技術對確保工程質量、防止事故發生，以及建筑物的修復和加固具有重要的意義。

（4）混凝土結構裂縫是建設工程中普遍存在的問題，對其我們已經有成熟的檢測方法，如直接觀察法、超聲脈沖法、沖擊回波法及紅外成像法等。目前，處于研究前沿的智能混凝土裂縫在線檢測和診斷技術，即光纖傳感和碳纖維混凝土技術取得了很大的進展。工程中結合新技術的不斷突破，可以獲得更好的混凝土結構裂縫控制效果，并對無法避免的裂縫結合其特征進行對癥修復，確保建筑物的安全可靠性、長期耐久性和正常的使用功能。