叶 林，张同波，李翠翠，许卫晓，张庆浩

(1.青建集团股份公司，山东 青岛 266071； 2.青岛理工大学，山东 青岛 266033)

本文在2个工程的地下室墙体上进行了温度与应变监测试验，其中工程1墙体上出现很多条贯穿性裂缝，而工程2经过现场勘察未发现贯穿性裂缝。为了得出工程1地下室外墙开裂原因，以提出避免开裂的技术措施，特依据该工程的试验数据，并与工程2未开裂墙体的试验数据作对比，进行了相关研究分析。

1 工程开裂情况统计分析

通过现场勘察、测量、统计，将工程1地下4层至地下2层墙体裂缝分布情况进行整理(见图1)。由于地下4层裂缝已做处理，无法测量裂缝宽度，仅对地下3层和地下2层墙体的裂缝宽度做了统计，如表1，2所示。图1中标灰色部位是墙体试验应变计的安装位置，可看出大部分应变计未在裂缝上。

图1 墙体裂缝分布

1)通过现场量测发现，墙体上出现的裂缝高度为2～3m。由表1，2可看出，地下3层墙体裂缝数量要多于地下2层，地下3层裂缝宽度在0.9～0.2mm，地下2层裂缝宽度在0.5～0.13mm，即下部开裂情况要比上部严重，这也说明下部墙体受到的约束较大。

表1 地下3层墙体裂缝宽度 mm

表2 地下2层墙体裂缝宽度 mm

2)由表1，2还可看出2块墙体的竖向裂缝都是中间宽、两头窄呈梭形，且墙中部裂缝宽度较大。

3)现场统计的裂缝宽度分布如图2所示，可发现裂缝宽度分布按长墙开裂的有序性原则。即在开裂前中部的约束应力最大，所以中部裂缝最先出现，且裂缝最宽。墙体第1次开裂后应力重分布，依然是每块墙体中部的应力最大，所以在每块墙体中部会发生第2次开裂，且裂缝宽度要小于第1次开裂。最后一次裂缝开裂的宽度最小，当混凝土的抗拉强度大于墙体的约束应力时，开裂便稳定在此状态。

图2 墙体裂缝宽度分布和平面位置关系

2 开裂原因对比分析

2.1 温度与应变数据分析

为了判断墙体开裂时间，以及开裂前后收缩应力随温度的变化，对试验中观测的应变和温度数据，以及工程2未开裂墙体的试验数据进行对比分析。

理论和试验监测数据均证明长墙的最大应力，分布在墙长度方向的中部下端位置。温度与应变、约束应力计算分析时，均选择工程1和工程2墙体的中部下端试验测点数据。前期温度变化与应变数据如表3所示，3个试验墙体的约束应变与温差比随时间变化曲线如图3所示。

图3 墙体的约束应变温差比随时间变化曲线

由表3和图3可看出：

表3 墙体前期温度与应变数据

1)工程1墙体带模时间长，其水化热阶段为11d，工程2墙体约为5d。工程1地下4层墙体在第1天降温最大，其余2块墙体在第2天降温最大，工程1墙体降温幅度在9～10℃，工程2墙体在8℃左右，之后3块墙体降温变缓，但工程1墙体的降温速率始终大于工程2墙体。

2)工程1地下4层墙体和工程2墙体第2天的实际应变增量最大，地下3层墙体第1天最大，工程1墙体前2d实际应变增量相差23～35με，工程2墙体前2d的实际应变增量基本相同，约为20με，之后实际应变增量都变得非常小。

3)工程1地下3层墙体的约束应变增量在第1天最大，其余2块墙体在第2天最大，工程1墙体的最大约束应变增量在124～146με，之后增量出现波动。工程2墙体的最大约束应变增量为110με，小于工程1墙体，之后约束应变增量逐渐变小。

4)工程1墙体的实际应变、约束应变增量与温差之比，在第3天有明显突变。地下4层墙体约束应变增量温差比第3天降低2/3，之后有较大波动；地下3层墙体约束应变增量温差比第3天降低到之前的1/9，之后稳定在-7με/℃左右。工程2墙体的实际应变增量、约束应变增量与温差之比较稳定，实际应变温差增量比大部分在0.1～0.19με/℃，约束应变温差增量比在11～15με/℃。

由上述分析可看出，不开裂的工程2墙体的应变温差增量比较稳定，而开裂的工程1墙体的实际应变、约束应变增量与温差比在第3天均有突变，大幅度减小，之后较稳定，因此可判断墙体的开裂时间应为第3天。

2.2 约束应力与墙体开裂分析

2.2.1基于应变数据计算的前期约束应力分析

温度约束应力由式(1)用增量叠加法进行计算。经过计算，工程1地下3层和地下4层墙体中部下端测点7d内修正后的约束应力如表4所示。

表4 地下3层和地下4层墙体3号测点7d内修正后的约束应力

(1)

由表4可看出，地下3层和地下4层墙体的约束应力均在第3天和混凝土的抗拉强度接近。基于应变数据的约束应力的计算结果也说明，墙体在第3天最接近开裂。

2.2.2基于测温数据计算的前期约束应力分析

根据测温数据，取约束系数分别为1.0，1.5N/mm3，用如下公式采用增量叠加法计算。将地下3层和地下4层墙体前期的约束应力结果汇总于表5，6中。

表5 地下3层墙体前期约束应力

ΔTiEi(t)Hi(t,τi)

(2)

表6 地下4层墙体前期约束应力

1)计算温度应力的温差为测温差与计算的当量温差之和，而计算的当量温差中并未考虑掺加膨胀剂对当量温差的影响，所以基于测温数据计算的温度应力均小于混凝土抗拉强度。为了与第3天墙体开裂的结果相吻合，需增加前3d的温差，重新进行温度应力计算。

2)据测温数据的应力计算结果看，地下3层在第3天时、地下4层在第6天时最接近开裂。综合前面的分析，可判断工程1墙体的开裂时间应为第3天。

2.2.3引起开裂的温差增量分析

为了使基于测温数据计算的温度应力结果与第3天开裂的情况相吻合，将前3d每天增加相同的温差，至墙体开裂的限值，所增加的温差即为开裂温差增量。按此方法计算的地下3层、地下4层墙体温度应力和温差增量结果分别如表7，8所示。可看出，墙体3d开裂时，地下3层需增加温差10℃左右，为开裂总温差的39%；地下4层需增加温差15℃左右，为开裂总温差的70%。由于地下3层的试验数据较稳定，所以选择地下3层的开裂温差增量作为进一步分析的依据。

表7 地下3层墙体开裂温差增量(℃)与约束应力(MPa)计算

表8 地下4层墙体开裂温差增量(℃)与约束应力(MPa)计算

2.3 混凝土配合比对墙体开裂的影响分析

2.3.1混凝土配合比与水化热对比分析

工程1墙体每立方材料用量，水泥为310kg，砂1为590kg，砂2为245kg，石子为873kg，水为175kg，粉煤灰为50kg，矿粉为80kg，外加剂1为11.90kg，膨胀剂为27kg，质量配合比为0.70∶1.31∶0.56∶1.98∶0.40∶0.11∶0.18∶0.027∶0.06，水胶比0.40，标准养护，坍落度180mm，砂率48.9%，7d强度29.0MPa，28d强度49.2MPa。工程2墙体每立方材料用量，水泥为280kg，砂1为439kg，砂2为293kg，石子为937kg，水为150kg，粉煤灰为103kg，矿粉为84kg，外加剂1为14.01kg，质量配合比为1.00∶1.57∶1.05∶3.35∶0.54∶0.37∶0.30∶0.05，水胶比0.32，标准养护，坍落度180mm，砂率44%，7d强度33.1MPa。

由以上内容可看出：

1)工程2墙体的混凝土强度等级为C35，工程1墙体的混凝土强度等级为C40。工程2墙体较薄，厚度为350mm，且配合比经过优化，水泥用量较小，粉煤灰用量大；工程1墙体较厚，厚度为600mm，水泥用量较大，粉煤灰掺加较少，且掺加了膨胀剂。

2)工程1墙体每立方混凝土中水泥与矿粉的总量为390kg，工程2墙体水泥与矿粉的总量为364kg，较院士港少26kg。

3)试验监测工程2墙体水化热最高温和温差分别为41.5，18.25℃，明显小于工程1(地下3层墙体)的水化热最高温和温差63.5，30.25℃。可见，工程1墙体的混凝土强度等级高，水泥、矿粉用量大，所造成的水化热温差大，以及掺加膨胀剂是引起开裂的主要原因。

2.3.2膨胀剂对收缩(当量温差)的影响分析

2.3.2.1膨胀剂的作用机理分析

膨胀剂的作用机理：硫铝酸钙类膨胀剂加入水泥后，自身组成中的无水硫铝酸钙水化或参与水泥矿物的水化或与水泥水化产物反应，形成三硫型水化硫铝酸钙(钙矾石)，钙矾石的生成使体积增加很大，而引起表观体积膨胀，反应的化学方程式如下：

6CaO+Al2O3+3SO3+32H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(3)

由式(3)可看到，膨胀剂水化需大量水，所以在混凝土养护不好的情况下，膨胀剂会因为缺水而产生收缩，这会使得混凝土开裂。缺水条件下掺加膨胀剂的混凝土与基准水泥配合比、掺加减缩剂混凝土的干缩对比试验如图4所示，可看出掺加膨胀剂的混凝土收缩最大。实际工程中的养护条件达不到膨胀剂需要的湿度条件，所以掺加膨胀剂的工程均出现严重开裂现象。

图4 膨胀剂在缺水状态下的收缩变化

2.3.2.2掺加膨胀剂的温差对比

根据应变数据、基于应变和测温数据计算的约束应力结果看，3d时墙体混凝土开裂可能性最大，但在无膨胀剂情况下，测温与当量温差之和并不能引起墙体开裂。因此，可认为掺加膨胀剂造成的收缩增大，是引起墙体开裂的主要原因。由于地下3层3号测点的试验数据较稳定，下面选择地下3层3d开裂时分析膨胀剂对温差的影响，结果如表9所示。由表9可看出，膨胀剂使总温差由16.62℃增加至27.12℃，温差增加63%。膨胀剂使当量温差由0.61℃增加至11.11℃，当量温差为不掺加膨胀剂的18.21倍。可见，膨胀剂可使混凝土前期产生较大收缩，相当于增加60%以上的温差。

表9 掺加膨胀剂温差对比 ℃

3 结语

1)数据分析证明，膨胀剂是引起墙体开裂的主要因素；实际工程的养护条件无法满足膨胀剂所要求的湿度环境，掺加膨胀剂会导致更严重收缩。膨胀剂使混凝土前期产生的收缩增量变大，相当于增加了60%以上温差。因此，在超长混凝土结构中不得掺加膨胀剂和任何膨胀剂类外加剂。

2)墙体开裂时间为第2天到第3天，前期的温差过大，混凝土抗拉强度过低，也是引起墙体开裂的原因之一。因此，前期的保温、保湿养护是极重要的技术措施。

3)该工程水泥与矿粉的用量为390kg，胶凝材料用量过大，产生的水化热过大是引起开裂的原因之一。可见，超长混凝土结构施工时，混凝土配合比设计是减少温差、控制裂缝的关键技术措施。因此，实际工程的混凝土配合比设计应控制水泥用量在260kg之内，增加粉煤灰用量，减少矿粉用量。

4)裂缝形态分布表面，上层墙体的裂缝宽度小于下层墙体的裂缝宽度，证明下层墙体受到的约束较大，上层墙体受到的约束较小。同一块墙体中部裂缝较宽，且一再从中部开裂。同一条竖向裂缝中间宽、两头窄，呈梭形。