竖向混凝土构件水平裂缝发生机理及防治措施
李博渊
（西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安710054）
摘 要：竖向混凝土构件水平裂缝的产生使其结构的承载能力和耐久性下降，严重时会造成结构的安全隐患，就其产生的原因主要有混凝土的沉缩、失水、失温、水泥熟化时的干缩及钢筋、模板阻挡作用等多因素耦合的结果。本文通过对现有竖向混凝土构件工程实例进行分析，并结合试验柱抗剪试验及检查，探索了竖向混凝土构件产生水平裂缝的机理，提出了控制或减少混凝土竖向构件施工期水平裂缝的措施，为防止水平裂缝的产生提供了积极意义。
关键词：竖向混凝土构件；水平裂缝 ；沉缩；防止措施
前言
随着混凝土竖向构件及箱型构件在我国新建结构中被大量应用，竖向构件破坏对其整体结构承载能力与耐久性产生的影响日益受到工程界的重视，并针对竖向构件中出现的不同问题提出相应的防治措施，如缪六华等[1]通过数值模拟分析温差效应对结构竖向构件的影响；张琨等[2]通过预热钢板，减少剪力墙中混凝土与钢板之间的应变差，来控制裂缝产生；李凤武[3]通过试验分析竖向构件突然失效前后性能变化来改进设计方式等。但目前有关竖向构件的水平裂缝，如箱梁顶板底的纵向水平贯穿性裂缝[5]、船闸的水平向贯穿性裂缝[6]、剪力墙结构的水平裂缝[7]、框架柱的水平裂缝[8]等的研究相对较少，且未对竖向构件水平裂缝的发生机理、防治措施，以及其对竖向构件力学性能的影响进行整体的系统的阐述，本文结合工程实例，采用模拟实验分析方式，对竖向构件水平裂缝的发生机理进行详细分析，并提出有针对性防治措施。
1 工程案例分析及实验研究
1.1 竖向构件工程案例
某大型施工企业近年来参与施工的具有竖向构件的建筑物二十余座，普查发现近2/3结构物的竖向构件存在水平裂缝，其中8座建筑物的剪力墙结构，5座建筑物的框架柱结构，3座立交桥的桥墩出现不同程度的水平开裂，为了更好的阐述此现象，本文选取具有代表性的三个工程实例进行阐述。
1）实例一—剪力墙结构
某工程为剪力墙结构，层高3.2m，剪力墙混凝土强度等级C35，配合比：水泥315kg、粉煤灰55kg、沙子694kg、石子1153kg（5-40mm的连续级配石子）、水155kg ，在后期凿开检测时发现，部分混凝土保护层不足8mm，其水平裂缝主要出现在剪力墙的三处位置：①剪力墙顶部与水平构件交接处、②剪力墙与水平构件交接处下方350mm水平处、③剪力墙水平钢筋保护层不足处，如图1所示。
1.2 病因初步分析
通过对包含以上三工程实例的十余座出现水平裂缝的建筑物竖向构件进行了超声检测及局部开凿观测，发现水平裂缝主要出现在竖向结构的顶部与水平构件交接处、交接处下方400mm范围内水平钢筋处、箱梁翼缘与顶板交接处，构件断面突变处、模板拼接处或模板表面处理不当处等位置，且部分呈微小月牙状的宽度≧0.05mm肉眼可见的裂缝。由于所选结构类型丰富，覆盖面广，此类水平裂缝发生形态及产生原因在竖向构件中具有广泛代表性。
根据施工经验，并查阅相关资料与工程施工记录，初步分析此类水平裂缝是由混凝土沉缩、失水干缩、失温收缩、水泥水化自收缩以及各种阻挡作用等多种因素共同作用的结果，其产生应受配合比、水泥标号、振捣时间、钢筋保护层厚度、模板光滑程度、养护条件、混凝土浇筑方式等因素综合作用影响，但不同因素影响效果应存在一定差异。
为了进一步验证初步分析结果，凝练竖向构件水平裂缝的发生机理，本研究通过模拟实验进行验证分析。
1.3 实验验证分析
1）实验方案
本试验建造10组柱高1.5m的T型试验柱（其中梁与柱同宽，梁高为250mm），每组为4根柱，柱身截面为300mm×300mm，各组间以配合比、混凝土强度等级、振捣时间、钢筋保护层厚度、模板光滑程度、养护条件、混凝土浇筑方式等条件的为区别，进行区分建造，其中每组前2根柱采用超声波检测与凿开断面相结合的方式进行观测，其中超声波检测仪选用海创高科的HC-86(6剖面)多功能混凝土超声波检测仪，每组剩余的2根T型试验柱进行剪切实验，试验柱说明如表1所示，试验柱截面图如图4所示。
表1 试验柱说明
Table 1 Experimental column description
2）实验结果
水平裂缝观测结果。28d后对照参照柱，对各组构件进行观察，观测结果如表2所示：
由以上观测与剪切试验结果，可推断：配合比、水泥标号、振捣时间、钢筋保护层厚度、模板光滑程度、养护条件、混凝土浇筑方式等条件确为水平裂缝产生的影响因素；构件抗剪能力的变化与水平裂缝的数量及宽度存在内在联系，水平裂缝对竖向结构抵抗水平力作用的能力存在影响。
1.4 机理分析
通过对实验结果与工程实例的病因机理进行探究可知：
①混凝土沉缩。通过实验发现，凡是出现水平裂缝的地方，混凝土表面毛孔较多，均存在明显振动不足的痕迹，且原配合比构件开裂程度高于调整配合比后的构件。这是由于竖向构件在浇筑时间（4~6h）内其混凝土密实度不足，在水泥膜形成过程中由于胶凝材料收缩，造成混凝土中的空隙减少，并伴随着粗骨料在自重的作用下下沉，混凝土产生塑性下沉（自重沉缩），其内部水分渐渐地排出，水泥浆上浮，出现泌水现象，同时其上部混凝土靠自重已不能弥合其下部产生的沉缩，进而形成的沉缩裂缝，其初始裂缝宽度与水、水泥用量有关。
针对“实例一”中的剪力墙构件，因原始配合比中粗骨料相对较少，为1153kg，从而使得混凝土中砂与水泥用量相对增大，骨料与水泥的比表面积也相对增大，为保证混凝土的可施工性增加其用水量成为必然。因此，施工配合比中水用量为155kg，按混凝土中水泥熟化时所需用水量的25%~30%考虑，最大用水量仅为46.5kg，如振捣时间10~16秒，排出水量约3kg，混凝土中还有不少于100kg多余水分，因此随着泌水，在混凝土沉缩作用下，裂缝进一步扩大；
②水泥水化自收缩。采用混凝土强度等级较高的构件水平裂缝开裂程度高于混凝土强度等级较低的构件，且其抗剪强度并未因混凝土强度等级升高而有所提高，反而有所下降。这是由于强度等级较高的混凝土，其水泥细度大，水泥水化速度快，水消耗量大，水消耗量速率大，易引起混凝土的自干燥收缩，开裂更为明显，受横向剪切作用时，裂缝发展也更为迅速；
③失水干缩、失温收缩及钢筋阻挡作用。对于进行合理养护及钢筋保护层足够的构件，其开裂程度低于未养护或钢筋保护层不足的构件，这是由于钢筋与混凝土的热膨胀系数不同，收缩不同[9]，如拆模后未对竖向构件进行及时的保温保湿[7]或水平钢筋的保护层不足时，构件表里形成降湿降温差，混凝土表面因失水失温急速收缩，其收缩速率大于内部钢筋与混凝土，收缩约束应力形成，混凝土表面收缩受到内部钢筋与混凝土的约束[8]，从而造成水平顺筋裂缝，且这种裂缝一般产生在表面较浅的位置，多沿构件箍筋或抗剪钢筋方向分布，呈水平状，严重时甚至贯穿整个构件截面；
④模板阻挡作用。模板条件优良时，裂缝开裂程度较低。这是由于当模板表面不平整，且未洒水或水温过高过低时，模板对水泥砂浆的吸附力大于混凝土，导致竖向构件表面水泥砂浆较多，且水泥砂浆的收缩大于混凝土，在钢筋及内部混凝土共同约束条件下，在沿水平钢筋表面或下方形成水平顺筋裂缝。对于水平顺筋裂缝，如果在结构物使用过程中得不到有效处理，易由于年温差大、冻融高温、钢筋锈蚀、氧化铁膨胀、使用含氯外加剂，使用环境中富含腐蚀性气体或液体等原因而逐年发展；
⑤混凝土离析。混凝土搅拌时间合理可有效减小竖向构件开裂程度。这是由于搅拌时间过长或过短都可导致混凝土拌合物的均匀性与流动性、保水性变差，从而造成裂缝增大；
⑥水平裂缝降低竖向结构抗剪能力，是由于在沉缩等作用的影响下，部分水平裂缝已发展至钢筋，箍筋等。抗剪钢筋在温度、氯盐及空气的作用下锈蚀，氧化铁膨胀，裂缝宽度逐渐增大，此时裂缝处成为抗剪薄弱点，在横向荷载的作用下，裂缝顶端出现应力集中，产生了高于混凝土应力数倍的应力，使这些裂缝不断发展，其中靠近加载点的水平裂缝最先发生破坏。
由以上试验及机理分析可知，竖向构件的水平裂缝的发展随着混凝土中骨料级配差、配合比不合理、构件高度大、浇筑速度快、捣振不密实或不均匀、水泥用量增加、自由水增多而更为明显。同时如果在风、太阳、寒潮、高温等作用下，混凝土的失水速度进一步加快，裂缝还将进一步扩大[8]。
2 防止竖向构件水平裂缝发生的措施
2.1 合理配合比
为了有效减少混凝土沉缩现象带来的影响，在施工中可采取以下措施进行处理：
①掺加适量的高效减水剂、泵送剂或掺合料的方法来减少水和水泥用量，在保证混凝土工作性能的前提下，减少粗骨料的下沉；
②控制粗骨料的比例、最大粒径、含泥量、材质以及粗细集料级配等可有效提高比表面积，减少混凝土在水泥膜形成过程中的体积收缩问题，如选用石灰岩作为粗骨料的连续级配碎石，即可有效增加混凝土比表面积，缩小碎石间隙，增大密实度，减少混凝土的沉缩；
③尽可能降低水泥标号与水泥使用量，可有效降低引起的自干燥收缩程度；
④尽量使用铝酸三钙含量低的水泥，因为硅酸盐水泥熟料中铝酸三钙的化学减缩量是硅酸二钙的3倍；
⑤应掺加适量的粉煤灰，可有效减少水泥用量，减少内部水化热，推迟并降低混凝土的自反应热峰值点，调整混凝土的初凝时间和终凝时间。
2.2 优化混凝土振捣工艺
为了避免振捣工艺不合理而造成混凝土密实度不足，施工时应严格控制混凝土浇筑厚度与浇筑速度，以防振捣过程中出现漏振或欠振现象[9]，其具体措施为：①混凝土的振捣时间一般应控制在15~16s，少于13s振捣不够密实，大于18s会过振。同时应在浇筑后1.5~2h进行复振；
②浇筑断面变化较大的构件时应在下层混凝土的浇筑2~3.5h后混凝土进行第二次振捣，此时振动棒以振实后拨出时混凝土表面未留下明显痕迹为宜，在上层混凝土施工时，下料不宜过快，并振捣密实；
③对于上浮的水泥、粉煤灰浆形成的薄弱层，在上层混凝土施工时，必须将振动棒插入下层混凝土不少于100mm处，以防止水泥浆或粉煤灰浆产生的薄弱层发生水平收缩滑移，致使混凝土表面出现裂缝，并进一步影响结构的安全；
④施工时也应防止混凝土竖向构件振捣不连续、泌水、离析现象发生，从而避免造成施工冷缝、泌水断层及混凝土的砂带、空洞、不密实等现象。
2.3 规范混凝土浇筑、拆模及养护流程
为了避免竖向构件因失水、失温收缩、水泥熟化自干收缩等原因引起的水平裂缝产生，应尽量：
①混凝土浇筑至设计标高，振捣完毕，间歇约1~1.5h，进行二次振捣，振捣完毕后间歇2.5~3.5h左右，再浇筑水平构件混凝土，对于构件高度大于3.5米以上时还应适当延长间隔时间，但应视混凝土的初凝时间而定；
②在施工的全过程对构件表面进行保温保湿，避免失水失温现象发生，同时可采用分层散热浇灌的方法，降低混凝土的入模温度，降低内外温差，从而预防激烈的温湿度变化，为混凝土创造充分应力松弛的条件；
③在竖向构件拆模后应及时对其进行保温或保水[9]，避免表面混凝土与钢筋产生收缩应力差；
④应防止因拆模过早或拆模方法不当（如强力拆除拉杆、猛撬模板、墙体上下及内外温度或湿度不均等）产生的冷缝、烂根等原因造成的水平裂缝的出现[10]。
2.4 其它措施
除了以上几种措施外，还可通过以下措施进一步改善因混凝土沉缩等因素引起的竖向构件水平裂缝的发生情况：
①保证水平钢筋的保护层厚度，尽量避免混凝土表面与其内部失水速率、降温差与湿度差的较大区别，限定内部钢筋与混凝土间的收缩约束应力[11]；
②增加混凝土的粘滞性，减少泌水可能，严格控制混凝土的搅拌时间，保证拌合物的均匀性与流动性，避免保水性变差[12]，造成沉缩增大的现象发生；
③严格控制混凝土的凝结时间，防止造成混凝土的长时间沉缩及产生沉缩裂缝；
④由于几何尺寸较小的纤维可桥接混凝土内部的微裂缝分散了集中应力并抑制了表面裂缝的产生[13]，同时，纤维可有效减少泌水、离析，增强韧性, 改善混凝土结构的均匀性[14]，因此可适当掺入一定比例的纤维，提高构件混凝土的抗裂性能；
⑤尽量避免同层竖向构件的断面突变或对突变处进行加强，以防止在混凝土在沉缩过程中出现的应力集中或钢筋阻挡现象所造成的裂缝。
3 结论
1）竖向构件水平裂缝是竖向构件上的常见裂缝，主要出现在竖向结构的顶部与水平构件交接处、交接处下方水平钢筋处、箱梁翼缘与顶板交接处，构件断面突变处、模板拼接处或模板表面处理不当处等位置。
2）竖向构件水平裂缝是由混凝土沉缩、失水干缩、失温收缩、水泥水化自收缩以及钢筋、模板阻挡作用等多种因素共同耦合的结果，其主要受配合比、水泥标号、振捣时间、钢筋保护层厚度、模板光滑程度、养护条件、混凝土浇筑方式等因素的影响。
3）竖向构件水平裂缝对结构抵抗水平力的作用影响明显，采取合理的预防措施能有效地提高其抵抗水平力的能力。
4）优化配合比、减少水与水泥用量、合理的骨料级配，改善混凝土的搅拌、振捣与复振工艺，规范混凝土浇筑、拆模及养护流程，保证水平钢筋（箍筋）的保护层厚度，改善浇筑方式，控制下料速度与高度，增强竖向构件的断面突变处抗拉能力等措施可有效减少竖向构件水平裂缝的产生与扩展。
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