地下室混凝土墻體施工期間裂縫控制措施

□文 /常生福

地下室混凝土墻體拆模后常出現(xiàn)裂縫，特別是地下室的通長(zhǎng)外墻，開(kāi)裂現(xiàn)象十分普遍；不僅影響外觀，引起滲漏，還影響結(jié)構(gòu)的耐久性甚至安全。為防止施工期間地下室混凝土墻體出現(xiàn)裂縫，本文在總結(jié)地下室墻體在施工期的應(yīng)力分析和防止墻體裂縫的各種實(shí)踐基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了防止裂縫的技術(shù)措施，以保證混凝土的施工質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性。

1 既往研究綜述

1.1 現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)研究

文獻(xiàn)[1]以一個(gè)地下室混凝土底板和長(zhǎng)墻澆筑時(shí)的溫度控制措施為例，介紹了底板蓄水養(yǎng)護(hù)和長(zhǎng)墻體帶模養(yǎng)護(hù)的效果。指出，混凝土長(zhǎng)墻帶模養(yǎng)護(hù)、合理設(shè)置后澆帶間距（30～50 m）是預(yù)防墻體開(kāi)裂的關(guān)鍵。建議混凝土墻體帶模保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于3 d，遇到氣溫驟降還要推遲拆模時(shí)間。

文獻(xiàn)[2]以某地下室工程為例，研究了影響超長(zhǎng)墻體溫度應(yīng)力的因素，提出了以預(yù)應(yīng)力（補(bǔ)償收縮混凝土）技術(shù)、增設(shè)溫度筋來(lái)“抗”、以后澆帶設(shè)置工藝來(lái)“放”、利用礦物摻合料降低水泥用量和水化熱，利用緩凝高效減水劑降低水化熱峰值，從而減少冷縮溫度應(yīng)力值，以減小約束和混凝土溫度變形的措施來(lái)“防”的綜合溫度裂縫控制措施；在混凝土澆筑完成后的升溫階段加強(qiáng)散熱，降溫階段采取措施保溫（推遲拆模時(shí)間）來(lái)減小溫度應(yīng)力，見(jiàn)圖1。采取上述措施可以將混凝土的溫度變化由曲線(xiàn)1調(diào)整為曲線(xiàn)2，從而減小溫度峰值，預(yù)防和避免冷縮應(yīng)力引起的開(kāi)裂。

圖1 混凝土墻體內(nèi)部的時(shí)間-溫度曲線(xiàn)

文獻(xiàn)[3]在地下室混凝土墻體厚度中心處布置了應(yīng)變計(jì)和溫度計(jì)。結(jié)果表明，混凝土澆筑后內(nèi)部溫度約在24 h左右達(dá)到峰值,其后逐漸降低,約在7 d前后降低到與環(huán)境溫度相同；隨著厚度的增大,溫度峰值的出現(xiàn)時(shí)間逐漸后延。建議提早進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)，可利用模板來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫保濕,適當(dāng)延遲拆模時(shí)間；同時(shí)應(yīng)掌握好拆模的時(shí)間,避開(kāi)墻體降溫最陡峭段對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)拆模；采用噴霧保濕的方式養(yǎng)護(hù)。

文獻(xiàn)[4]指出，墻板在澆筑后約12 h達(dá)到溫度峰值，其后混凝土溫度開(kāi)始迅速下降；在0.5～2.0 d內(nèi)降幅較大，2.5 d后與環(huán)境溫度接近；3.5 d后，墻體內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度變化趨于一致。澆筑完成后的早期，混凝土為壓應(yīng)變，混凝土應(yīng)變峰值基本對(duì)應(yīng)于溫度峰值時(shí)點(diǎn)；其后壓應(yīng)變逐漸變小，最終由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變。拉應(yīng)變?cè)?.5～2 d上升較快，在2.5 d即達(dá)到最大值；澆筑后2.5 d內(nèi)，整體應(yīng)變水平較高，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較高。文中指出，一次充分的養(yǎng)護(hù)即便是在高溫干燥的條件下，也會(huì)使混凝土拉應(yīng)變降低的效果持續(xù)9～12 h，說(shuō)明灑水養(yǎng)護(hù)對(duì)混凝土抵抗開(kāi)裂的作用非常顯著。

文獻(xiàn)[5]指出，混凝土澆筑后內(nèi)部溫度上升較快,24 h左右達(dá)到峰值；峰值后混凝土內(nèi)部溫度逐漸降低,7 d前后與環(huán)境溫度相同。為防止溫升階段的內(nèi)外溫差以及溫降階段的溫降速率太大，應(yīng)加強(qiáng)保溫和保濕養(yǎng)護(hù)；可考慮延緩墻體拆模，采用小水慢淋的方式加濕養(yǎng)護(hù)；本質(zhì)上看,控制水化熱仍是關(guān)鍵問(wèn)題。建議應(yīng)提早進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)，可利用模板來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫保濕,適當(dāng)延遲拆模時(shí)間；同時(shí)應(yīng)掌握好拆模的時(shí)間,避開(kāi)墻體降溫最陡峭段對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)拆模；采用噴霧保濕的方式。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)+數(shù)值分析研究

文獻(xiàn)[6]通過(guò)在地下室頂板和墻體中埋設(shè)應(yīng)變裝置的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和有限元的理論分析，對(duì)墻體內(nèi)的應(yīng)力分布情況作了研究，揭示了地下室頂板、側(cè)墻在溫度作用下的應(yīng)力分布規(guī)律以及混凝土溫度變化規(guī)律。

文獻(xiàn)[7]對(duì)某大廈地下室外墻施工進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)觀察和理論分析。該項(xiàng)目施工采用鋼框膠木組合模板，澆筑3 d拆模,拆模后不久發(fā)現(xiàn)裂縫；裂縫在內(nèi)外墻面對(duì)應(yīng)部位同時(shí)存在,屬于貫穿性裂縫，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)讀的裂縫寬度在0.3～0.6 mm之間，裂縫的平均間距約6.22 m，從裂縫形態(tài)看,寬度上下基本一致。該項(xiàng)研究指出，混凝土墻體芯部的溫度梯度不大(溫差僅6℃),而墻表面處溫差則有突變(溫差達(dá)18℃多)；因此,降低邊界處的溫度突變是防止裂縫的重點(diǎn)。由此該文提出，結(jié)合留設(shè)后澆縫,推遲模板拆除時(shí)間的建議并要求拆模后立即作外墻面維護(hù)(抹面、防水、護(hù)磚),完工后及時(shí)覆土,以免風(fēng)吹干縮和遇寒流襲擊。

文獻(xiàn)[8]結(jié)合試驗(yàn)研究結(jié)果，從數(shù)值分析入手，比較全面的研究了不同尺寸的墻體自生應(yīng)力（自熱）和約束應(yīng)力（底板老混凝土對(duì)新澆筑墻體自由變形的約束）以及熱應(yīng)力與收縮應(yīng)力的情況。該研究指出，混凝土養(yǎng)護(hù)期溫度變化有兩個(gè)階段：溫度增長(zhǎng)（自熱）階段和冷卻到環(huán)境溫度階段。在第一階段墻體伸長(zhǎng)受到基礎(chǔ)的阻止，導(dǎo)致墻體中產(chǎn)生壓應(yīng)力，通常發(fā)生在混凝土澆筑后的1～3 d。自熱溫度達(dá)到最大值后墻體開(kāi)始冷卻（降溫），但是受到已經(jīng)完成硬化的基礎(chǔ)的約束，于是墻體里產(chǎn)生了拉應(yīng)力；而在整個(gè)養(yǎng)護(hù)期濕度一直在減小，也導(dǎo)致拉應(yīng)力，但是它的值相對(duì)較小。因此，熱收縮應(yīng)力以熱應(yīng)力為主導(dǎo)，冷卻期的拉應(yīng)力可能很大，超過(guò)了混凝土的抗拉能力就會(huì)開(kāi)裂。

圖2是20 m長(zhǎng)、700 mm厚的墻體中部，在3、7 d拆模后墻內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間變化的情況。

圖2 不同的拆模時(shí)間對(duì)應(yīng)力的影響

由圖2可以看出，3 d拆模比7 d拆模增加墻體中的應(yīng)力，特別是墻體表面的應(yīng)力。

1.3 工程經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用

文獻(xiàn)[9]指出，為減少混凝土早期收縮造成的開(kāi)裂現(xiàn)象，在混凝土澆筑后4～6 h（初凝前）用濕麻袋或草袋全面帶模覆蓋養(yǎng)護(hù)，達(dá)到保持表面溫度和濕度，減小內(nèi)外溫差的目的；模板拆除時(shí)間不早于3 d(氣溫不高時(shí)可延長(zhǎng))，常溫養(yǎng)護(hù)至少14 d。

文獻(xiàn)[10]指出，超長(zhǎng)墻體模板拆除時(shí)間應(yīng)控制在7 d以上。環(huán)境溫度在0℃以上時(shí)，混凝土澆筑1 d后可松動(dòng)穿墻螺桿，用濕麻袋緊貼墻體，繼續(xù)保持混凝土濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)14 d以上；當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，不拆除模板，采取措施保溫保濕。采用這種方法不僅簡(jiǎn)單易行、而且節(jié)約用水、用工少、溫度梯度變緩，防止混凝土施工期開(kāi)裂的效果較好。

1.4 有限元分析

文獻(xiàn)[11]結(jié)合有限元分析結(jié)果指出，混凝土墻體模板拆除后如果遇到氣溫驟降時(shí)，可能出現(xiàn)表面裂縫；拆模后采取養(yǎng)護(hù)措施時(shí)（如濕草席），墻體內(nèi)外部溫差降低變緩，溫度應(yīng)力較小，可大大提高其抗裂性。

文獻(xiàn)[12]對(duì)一超長(zhǎng)墻體的溫度應(yīng)力及裂縫分布產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，通過(guò)和實(shí)際檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，提出了簡(jiǎn)便易行和實(shí)用經(jīng)濟(jì)的裂縫控制新措施：給混凝土墻內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力；人為設(shè)置分隔縫。該文指出，這些措施取得明顯效果。

2 墻體開(kāi)裂的原因分析

混凝土中的水泥與水拌和后，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖3。熱量在養(yǎng)護(hù)初期是隨時(shí)間逐漸增加的，達(dá)最大值（通常是0～3 d）后下降。

與水化反應(yīng)放熱相對(duì)應(yīng)，混凝土內(nèi)部的溫度在養(yǎng)護(hù)初期是上升的（升溫），后期下降（冷卻），見(jiàn)圖4。

圖3 膠凝材料的水化放熱曲線(xiàn)

圖4 混凝土墻中的溫度隨時(shí)間的變化[9]

混凝土墻體的體積改變?nèi)绻皇亲杂傻亩鞘艿郊s束（比如老基礎(chǔ)對(duì)新混凝土墻體的變形約束），就會(huì)在墻體里形成應(yīng)力；因?yàn)榈装寤蚧A(chǔ)凝結(jié)硬化基本完成，可以認(rèn)為是剛性的；而混凝土墻體在溫度作用下會(huì)伸長(zhǎng)（升溫）或縮短（降溫）。升溫階段，新墻體的伸長(zhǎng)受到基礎(chǔ)約束，就像在墻體與老基礎(chǔ)的接觸面上對(duì)墻體施加了壓力，從而使墻體受壓；降溫階段則相反，基礎(chǔ)的約束使墻體受拉，見(jiàn)圖5。

圖5 混凝土墻中的應(yīng)力隨時(shí)間的變化[8]

混凝土抗壓能力強(qiáng)而抗拉能力弱，因此降溫階段開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)更大。

特別需要注意，即使沒(méi)有基礎(chǔ)約束，由于墻體和周?chē)吔绲臒峤粨Q，溫度的分布在墻體內(nèi)部并不均勻。在升溫階段，靠近模板的表面處一般溫度較低，而墻體核心處溫度較高，這種溫差造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布。內(nèi)部協(xié)調(diào)變形的結(jié)果造成心部受壓，外墻面部受拉；在冷卻階段，心部降溫速率如果快于表面，造成心部受拉而面部受壓；相反如果心部降溫速率慢于表面（外部環(huán)境溫度劇烈變動(dòng)時(shí)），造成心部受壓面部受拉。無(wú)論哪種情況，內(nèi)外溫差太大，可能會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，這是大體積混凝土開(kāi)裂的原因。

如果模板拆除過(guò)早，由于墻體表面迅速的冷卻，產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，可能導(dǎo)致墻體表面產(chǎn)生裂縫；同時(shí)，模板拆除加速了混凝土表面的濕度損失，會(huì)形成干縮裂縫,這就是墻體頂面沒(méi)有防護(hù)它的應(yīng)力會(huì)大為增加的原因。因此，保溫同時(shí)保濕對(duì)防止裂縫有重要意義。

綜上所述，引起地下室混凝土墻體開(kāi)裂的原因有：

1）墻體內(nèi)外過(guò)大的溫差形成的應(yīng)力；

2）已完成硬化的底板混凝土對(duì)墻體的約束應(yīng)力；

3）拆模時(shí)間太早會(huì)造成內(nèi)應(yīng)力增加。

3 防止裂縫的措施

為防止施工期間墻體開(kāi)裂，施工中要優(yōu)先選用水化熱低的水泥；優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)；振搗密實(shí)等；除了這些常用的施工措施外，特別強(qiáng)調(diào)如下措施。

1）通過(guò)限制內(nèi)外溫差的措施來(lái)減少墻體內(nèi)部不均勻應(yīng)力。墻體采用復(fù)合木模板；帶模養(yǎng)護(hù)至少7 d再拆模。在混凝土完成終凝后立即指派專(zhuān)人進(jìn)行細(xì)水慢澆養(yǎng)護(hù)，保持模板濕潤(rùn)狀態(tài)。冬季要采取專(zhuān)門(mén)的保溫措施養(yǎng)護(hù)，控制內(nèi)外溫差不超過(guò)25℃[13]。

2）通過(guò)墻板中設(shè)置分隔縫來(lái)減小基礎(chǔ)底板對(duì)墻體的約束應(yīng)力。混凝土墻體出現(xiàn)裂縫是它自身性質(zhì)決定的，難以避免；所以要順應(yīng)它的特點(diǎn)，采用“放”的措施。即使對(duì)地下室這樣的墻體，雖然在回填土完成后，環(huán)境溫差比起外露的主體結(jié)構(gòu)來(lái)相對(duì)較小，但是在拆除模板后，通常還需要進(jìn)行基層清理、防水層施工、防水保護(hù)層施工、驗(yàn)收等多個(gè)環(huán)節(jié)的工作，時(shí)間持續(xù)通常不會(huì)短于1月，因?yàn)檫@段時(shí)間持續(xù)的確切季節(jié)不能確定，因此，可以認(rèn)為它暴露的環(huán)境和主體結(jié)構(gòu)一樣；同時(shí)，底板的約束對(duì)墻體也形成應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力的大小與自由變形的長(zhǎng)度有關(guān)。為此，相隔一定間距，預(yù)先人為設(shè)置斷縫，減少約束的墻體長(zhǎng)度，從而減少約束應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂縫；同時(shí)使出現(xiàn)裂縫的位置形成規(guī)律，方便處理，減少裂縫出現(xiàn)部位的隨機(jī)性。

這種人為斷縫可以采用暗設(shè)的方式，在墻體內(nèi)部加十字分隔片。見(jiàn)圖6。

圖6 墻板中設(shè)置分隔縫

分隔片由止水鋼板和分隔鋼板焊接在一起形成。平行于墻體的止水鋼板厚2 mm、寬300 mm，開(kāi)口朝向迎水面；分隔鋼板厚2 mm，寬度為內(nèi)外兩排鋼筋的凈距，分兩片對(duì)稱(chēng)焊接在止水鋼板兩側(cè)，放置在內(nèi)外兩排鋼筋之間；分隔片的間距不超過(guò)文獻(xiàn)[14]的規(guī)定，這個(gè)間距也是文獻(xiàn)[2]建議設(shè)置后澆帶間距的下限值。

分隔片也可以采用定購(gòu)加工、現(xiàn)場(chǎng)組裝的方式，在止水鋼板上對(duì)應(yīng)分隔片的位置做插槽，現(xiàn)場(chǎng)把分隔片插入。在墻體較高的情況下，組裝方式更便于施工。

特別需要提及，分隔片的設(shè)置可以代替后澆帶，減少了后澆帶施工的環(huán)節(jié)。分隔片部位的防水需要加強(qiáng)。

3）模板涂刷隔離劑(兼保濕劑)。隔離劑就像一層塑料薄膜覆蓋在混凝土表面,既便于拆除模板，防止模板受損，又起到保濕保溫的雙重效果。

4 工程應(yīng)用

某項(xiàng)目地下建筑面積24 000 m2，外墻混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30，抗?jié)B等級(jí)P6。觀測(cè)的西側(cè)墻長(zhǎng)180 m，柱截面尺寸600 mm×600 mm,柱網(wǎng)尺寸7.2～8.5 m,外墻厚 400 mm,局部 300 mm，凈高 3.6 m；底板厚 400 mm，采用C40混凝土。

該項(xiàng)目2017年5月15日上午8：20開(kāi)始澆筑混凝土墻體，26日21：10結(jié)束。混凝土入模溫度22℃。采用十字板分隔裝置并按間距30 m設(shè)置一道（實(shí)際采用時(shí)結(jié)合柱、墻角、后澆帶的設(shè)置可適當(dāng)調(diào)整）；采用18 mm厚復(fù)合木模板。為防止養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)造成的拆模困難，接觸混凝土的模板面滿(mǎn)涂隔離劑(兼保濕劑)，脫模劑采用WAX-1型，每千克稀釋液涂刷8～10 m2模板；涂刷20 min后即可在模板表面形成膜，起到隔離和保濕保溫的效果。安裝完成后的模板外側(cè)掛雙層麻袋覆蓋。墻體澆筑完成6 h后，專(zhuān)人開(kāi)始灑水養(yǎng)護(hù)，每隔4 h養(yǎng)護(hù)一次，養(yǎng)護(hù)灑水以確保模板保持濕潤(rùn)為限，持續(xù)7 d。7 d后開(kāi)始拆模，檢查未發(fā)現(xiàn)裂縫，效果良好。

5 結(jié)論

混凝土地下室墻體施工早期開(kāi)裂的原因比較復(fù)雜，主要原因是水化過(guò)程中的自熱和老基礎(chǔ)對(duì)新墻體的變形約束。為消除兩者造成的影響，采取如下措施：

1）采用復(fù)合木模板用于保溫和保濕的養(yǎng)護(hù)，保持至少7 d再拆模；

2）墻板中人為預(yù)先設(shè)置分隔縫；

3）模板涂刷隔離（兼保濕）劑。

采取上述措施后，大大減少了混凝土墻體內(nèi)外的溫差，從而降低了溫度應(yīng)力；同時(shí)降低了濕度損失，減少了干縮變形；降低了約束應(yīng)力，防止了裂縫的出現(xiàn)，取得了良好效果。