1. 裂縫事故描述
1.1 工程概況
西北地區(qū)某高層綜合辦公樓,主樓為鋼筋混凝土框-筒結(jié)構(gòu),地下1層,地上18層,總高度76.8m,總建筑面積36482m2。該建筑基礎(chǔ)為灌注群樁,地下室外墻采用300mm厚C30自防水混凝土。標(biāo)高13.6m以上混凝土標(biāo)號均為C40,樓板厚度120mm,其標(biāo)準(zhǔn)層平面結(jié)構(gòu)見圖1。
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1.2 裂縫的出現(xiàn)
該工程于1998年6月開工,1998年9月中旬施工地下室外墻,1999年1月19日施工到結(jié)構(gòu)6層梁板。該層梁板在施工的同時即發(fā)現(xiàn)板面出現(xiàn)少量不規(guī)則細(xì)微裂縫,到2月24日該層梁板底摸拆除時,發(fā)現(xiàn)板底出現(xiàn)裂縫(圖1中不規(guī)則實線所示)。從滲漏水線和現(xiàn)場鉆芯取樣分析,裂縫均為貫通性裂縫。之后又對全樓己施工完畢的混凝土工程進行了詳察,在地下室外墻外側(cè)上部發(fā)現(xiàn)數(shù)條長度不等的豎向裂縫(其中有兩條為貫通性裂縫),見圖2。在5、6兩層核心筒的電梯井洞口上部連梁上的同一部位亦發(fā)現(xiàn)兩條裂縫,見圖3。而在其他的柱、墻、梁、板上則未發(fā)現(xiàn)裂縫。
1.3 裂縫描述
經(jīng)現(xiàn)場實測,第6層現(xiàn)澆板上的裂縫均為貫通性裂縫,最大裂縫長度約4.5m(直線距離),最大裂縫寬度0.27mm。地下室外墻豎向裂縫的最大長度約1.9m,最大裂縫寬度0.2mm,核心筒連梁上的裂縫最大長度0.3m,裂縫最大寬度約0.18mm。經(jīng)過近一個月的現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)控,未發(fā)現(xiàn)以上裂縫的進一步發(fā)展和新的裂縫出現(xiàn)。
圖3 核心筒裂縫示意
2. 事故調(diào)查
2.1 現(xiàn)場取樣和原材料調(diào)查
根據(jù)業(yè)主要求,為確認(rèn)混凝土強度,現(xiàn)場取24個部位作了回彈實驗,并用超聲波和鉆芯取樣進行強度校正,實驗結(jié)果滿足設(shè)計強度要求。而從施工單位提供的各項原材料質(zhì)量證明書、復(fù)驗報告、混凝土強度實驗報告和現(xiàn)場原材料抽樣分析的結(jié)果來看,可以排除各種原材料不合格的因素。
2.2 施工過程調(diào)查
2.2.1 工藝流程。該工程所用混凝土均為現(xiàn)場攪拌。從攪拌機直接泵送至工作面,混 凝土采用機械振搗。經(jīng)現(xiàn)場測試,攪拌站的自動計量裝置滿足混凝土配比的誤差要求,混凝土的坍落度實際控制在18cm左右。從混凝土外觀檢查,無蜂窩麻面現(xiàn)象,振搗是密實的。
2.2.2 混凝土配合比。地下室施工所用混凝土配合比無任何外加劑,不考慮外加劑的影響。而6層梁板施工時,為滿足冬季施工的需要和泵送要求,混凝土中摻加了Q型高效防凍膏和wp_x型高效減水劑,所用水泥為525R普通硅酸鹽水泥,用量為480kg/m3。以上三種材料均有不同程度的早強作用。從混凝土最初出現(xiàn)裂縫的情況分析,以上三種材料的綜合應(yīng)用,可能是導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)早期裂縫的原因之一。
2.2.3 施工過程。地下室在1998年9月中旬施工結(jié)束后,由于現(xiàn)場缺土,一直未予以回填(裂縫處理過后,才購?fù)粱靥?,而外墻在1999年1月以前是沒有裂縫的。地下室外墻周長176m,長期暴露在外,受環(huán)境變化的影響較大,特別是溫度變化的影響。在澆灌6層梁板混凝土的過程中,即發(fā)現(xiàn)在核心筒四角的板面上出現(xiàn)裂縫,但由于裂縫細(xì)小而未引起施工單位的重視。
2.3 氣象條件的調(diào)查
該層梁板施工時,正值該地區(qū)天氣最寒冷的一段時期,最低氣溫-10℃,最高氣溫l℃,相對濕度在30~40%之間,當(dāng)日的最大風(fēng)速為7m/s。施工中雖然采取了多種冬季施工措施,如加熱拌和用水、梁板下層采用彩膠布圍護、生火保溫等措施,但在作業(yè)面上僅采用雙層草簾覆蓋保溫而未灑水養(yǎng)護和采取防風(fēng)措施。
2.4 其他因素調(diào)查
該建筑物當(dāng)時正處于施工期間,其整體下沉量不足3mm,而且均勻沉降;該層混凝土施工10d后(春節(jié)期間息工),其上部荷載才逐步加上:該層模板是在28d之后拆除的,并未發(fā)現(xiàn)梁板底部彎曲下沉現(xiàn)象,而且施工期間亦未受到其他震動。因此,基本可以排除其他因素(諸如支撐下沉、外力作用等)對該層梁板的影響。
3. 原因分析
在施工的各種條件未變的情況下,從裂縫僅在六層現(xiàn)澆板上出現(xiàn),而未在其它層現(xiàn)澆板上出現(xiàn)的事實來分析,唯一不同的是施工作業(yè)時的氣候變化。如前所述,該層現(xiàn)澆板施工時是該地區(qū)冬季最寒冷、干燥的一個時期,最高氣溫僅1℃,當(dāng)時的最大風(fēng)速7m/s,濕度僅有30~40%,特別是每天于21時施工完畢后,混凝土正處于初凝期,強度尚未有大的發(fā)展,作業(yè)面又沒有防風(fēng)措施,導(dǎo)致混凝土失去水分過快,引起表面混凝土干縮,產(chǎn)生裂縫。根據(jù)有關(guān)資料記載,當(dāng)風(fēng)速為7m/s時,水分的蒸發(fā)速度為無風(fēng)時的2倍;當(dāng)相對濕度為30%時,蒸發(fā)速度為相對濕度90%時的3倍以上。假如將施工時的風(fēng)速和濕度影響疊加,則可推算出此時的混凝土干燥速度為通常條件下的6倍以上。另外,從裂縫絕大多數(shù)集中在構(gòu)件較薄及與外界接觸面積最大的樓板上這一現(xiàn)象也可證實,開裂與其使用的材料關(guān)系不大,而受氣象條件的影響大些。與樓板厚度接近的墻肢之所以未裂,是因為墻肢兩面都有模板,不直接受大氣的影響。由此可以基本斷定,天氣因素是導(dǎo)致混凝土現(xiàn)澆板出現(xiàn)干縮裂縫的主要因素。地下室外墻由于本身體積較大,又長期暴露在溫濕度變化較大的環(huán)境中,特別到了1999年1月下旬,溫度較施工時降低近30℃,導(dǎo)致混凝土溫度收縮而產(chǎn)生裂縫。
第二,梁板所用混凝土均為C40混凝土,而根據(jù)設(shè)計院進行的技術(shù)交底要求,梁板混凝土只要達到C30強度即可,施工單位為了施工中更容易控制墻柱的質(zhì)量,統(tǒng)一按照C40混凝土標(biāo)準(zhǔn)進行施工,而C40混凝土的水泥用量為480kg/m3,相對于C30混凝土,單位水泥用量增加約70kg,這樣,混凝土的收縮將增加0.4×10-4左右,無形中又增加了裂縫出現(xiàn)的可能。
第三,進入冬季施工以后,混凝土中又添加了Q型防凍膏和wp_x減水劑,施工用水相對減少,混凝土強度增長較快,加劇了混凝土水分的蒸發(fā)和裂縫的發(fā)展。同時,由于天氣寒冷,擔(dān)心養(yǎng)護用水結(jié)冰而僅采用覆蓋雙層草簾保溫的措施也對混凝土抗裂強度的發(fā)展不利。
第四,從本工程的結(jié)構(gòu)平面圖中我們可以看出,梁板結(jié)構(gòu)在9、12和C、K軸線處平面發(fā)生突變,截面削弱達50%以上,而且核心筒和墻肢集中處剛度非常大,對現(xiàn)澆板的約束較強,核心筒四角和墻肢兩端內(nèi)部應(yīng)力非常集中。從現(xiàn)澆板最初出現(xiàn)裂縫的位置來看,干縮裂縫首先在核心筒的四角,之后出現(xiàn)在板的中部,這是現(xiàn)澆板內(nèi)部應(yīng)力最集中、最復(fù)雜和最薄弱的部位。由于墻肢和核心筒剛度的強烈約束作用,當(dāng)混凝土的收縮應(yīng)力大于其抗拉強度時,裂縫便沿此位置出現(xiàn)、發(fā)展。本次發(fā)現(xiàn)核心筒連梁上出現(xiàn)的兩條裂縫,亦是相同因素引起的。
4. 處理辦法
經(jīng)過以上的調(diào)查分析,本樓層的結(jié)構(gòu)是安全的,梁板的承載力是滿足設(shè)計要求的。參照日本混凝土工程協(xié)會制定的《混凝土工程裂縫調(diào)查及補強加固規(guī)程》4.2.3條款之規(guī)定,小于0.3mm的裂縫無須修補。但考慮到本工程的重要性和業(yè)主對此問題的重視程度,同時也為了防止鋼筋銹蝕而影響耐久性,本著預(yù)防為主的原則,決定按照需要修補的規(guī)定進行修補。而對于地下室外墻,由于有抗?jié)B要求,則必須予以修補。具體修補措施如下:
4.1 修補時間
考慮到樓板混凝土的干縮和溫度收縮可能尚未完成,樓板修補時間確定在1999年4月中旬。地下室則必須盡快修補。
4.2 修補范圍
凡是肉眼可視、長度在800mm以上,或縫寬大于0.08mm的樓板裂縫均予以修補。地下室外墻裂縫悉數(shù)修補。
4.3 修補辦法
樓板基底用鋼絲刷清理干凈后,用低黏度改性環(huán)氧樹脂沿縫涂抹,寬度約100mm,自然干燥后盡快粉刷封閉。地下室外墻內(nèi)側(cè)采用上述辦法,外側(cè)沿縫涂防水油膏一道(寬約300mm),再做氯化聚乙烯橡膠共混防水卷材一道(厚1.5mm,寬1.0m),經(jīng)檢查合格后,必須盡快回填。
5.修補效果
該工程于1999年4月中旬修補以后,由于施工單位采取了相應(yīng)措施,未再發(fā)現(xiàn)有新的裂縫出現(xiàn),而修補過的裂縫也未再發(fā)展。時隔一年,目前該工程即將投入使用,施工情況良好。由此可以斷定當(dāng)時對主要原因的分析和處理辦法是正確的。
6. 幾點建議
6.1 在冬季混凝土施工中,一般都采取了防凍措施,而對于作業(yè)面的防風(fēng)措施大多未予以高度重視。在冬季施工中,溫度的驟降往往伴隨著強烈寒流的出現(xiàn),空氣異常干燥,混凝土容易產(chǎn)生干縮裂縫。特別是高層建筑的施工,作業(yè)面處于距地面幾十米甚至上百米的高空,風(fēng)速更巨,對混凝土的影響更大,施工單位對此應(yīng)予以警惕。
6.2 在高層建筑的施工中,混凝土墻、柱的設(shè)計強度較高,梁、板的設(shè)計強度相對較低,施工單位為了施工方便,大多把梁、板的混凝土等級提高到與墻、柱相同,無形中提高了混凝土的收縮應(yīng)力,而樓板面又較薄,與空氣的接觸面較大,更容易產(chǎn)生收縮。因此,在條件許可的情況下,施工單位盡量不要隨意提高混凝土等級。
6.3 一般民用建筑的梁板不做抗裂設(shè)計,施工單位在做混凝土配合比的試配過程中,也多對強度、和易性、是否泵送、早強等方面提出要求(除非大體積混凝土),對施工過程中的溫度收縮考慮較少,當(dāng)外界數(shù)種不利因素同時發(fā)生時,配比方面的潛在影響就暴露出來了,所以,對重要建筑物,無論是否做抗裂設(shè)計,混凝土試配時應(yīng)考慮這種因素。