張亞文

近年來，地下空間的開發(fā)利用日益受到關(guān)注。地下室建筑作為利用地下空間的主要形式也面臨一系列挑戰(zhàn)。其中，超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的出現(xiàn)就是地下室建筑面臨的一個主要難題。地下室特殊的空間位置和結(jié)構(gòu)形式，其混凝土結(jié)構(gòu)在施工和使用中承受著復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。持續(xù)的溫度變化、水化熱、干燥收縮、地下水滲透及地基沉降等多種因素的共同作用，都可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫[1]。一旦裂縫過大或分布不均勻，會影響結(jié)構(gòu)的承載能力和使用壽命，可能引發(fā)滲漏、腐蝕等一系列衍生問題。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、施工控制、先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用等多個層面出發(fā)，系統(tǒng)分析超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制技術(shù)，以期為地下室建筑的優(yōu)化設(shè)計和高質(zhì)量施工提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 地下室超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

地下室超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素存在密切關(guān)聯(lián)。合理的結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件尺寸設(shè)置是控制裂縫的關(guān)鍵。由于地下室結(jié)構(gòu)狹長的特性，梁、板等水平構(gòu)件的跨度通常較大。當(dāng)構(gòu)件自身剛度不足時，在持續(xù)荷載和各種次應(yīng)力的共同作用下，極易發(fā)生過大變形，從而導(dǎo)致開裂[2]。此外，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)存在大量構(gòu)造縫，尤其是在墻、板以及梁等構(gòu)件的節(jié)點區(qū)域。受溫度梯度、不均勻約束、材料差異等相關(guān)因素的影響，這些區(qū)域常常成為裂縫的集中發(fā)生地帶。對某超大型綜合體地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)板柱節(jié)點區(qū)的最大主應(yīng)力可高達(dá)4.3 MPa，而混凝土的抗拉強度通常僅為3 ～5 MPa，因此裂縫在這些薄弱部位極易產(chǎn)生并擴展。除了構(gòu)件本身，結(jié)構(gòu)整體的布置形式也會對裂縫產(chǎn)生重要影響。某大型地下車庫案例研究顯示，當(dāng)結(jié)構(gòu)采用矩形平面布置時，四角部位的應(yīng)力明顯集中，最大拉應(yīng)力可達(dá)4.7 MPa；而當(dāng)布置形式變?yōu)榍€或不規(guī)則多邊形后，應(yīng)力集中程度大幅降低，最大拉應(yīng)力僅為2.8 MPa?？梢?，對超長地下結(jié)構(gòu)而言，合理優(yōu)化整體平面布置形式，有利于分散應(yīng)力集中，從而減小裂縫產(chǎn)生的概率。綜上所述，在地下室超長結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，科學(xué)選擇構(gòu)件截面形式、確定合理跨度、優(yōu)化節(jié)點區(qū)構(gòu)造措施及優(yōu)化整體布置形式等，都是控制混凝土裂縫、確保結(jié)構(gòu)安全的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)受到設(shè)計人員的高度重視。

1.2 混凝土材料性能

混凝土材料的性能對地下室超長結(jié)構(gòu)裂縫的控制具有重要影響。根據(jù)彈性力學(xué)理論，混凝土抗拉強度低是裂縫形成的主要原因。普通混凝土的抗拉強度通常在3 ～5 MPa，而抗壓強度可達(dá)30 MPa，二者存在較大的差距[3]。當(dāng)受拉區(qū)的應(yīng)力超過抗拉強度時，必然會產(chǎn)生裂縫并迅速擴展。除強度外，混凝土的變形性能也與裂縫的形成和發(fā)展密切相關(guān)。根據(jù)試件測試，普通混凝土的抗拉應(yīng)變僅為100 ～200 微應(yīng)變，一旦超過這個臨界值，裂縫就會加速擴展。而在地下室結(jié)構(gòu)中，由于溫度梯度、預(yù)應(yīng)力損失等因素，大型梁板構(gòu)件的拉應(yīng)變?yōu)?00 ～600 的微應(yīng)變，遠(yuǎn)超材料的抗拉極限。此外，混凝土的收縮性能也是影響裂縫的重要因素。混凝土凝結(jié)后，由于水化熱、自身重力和干燥作用，會逐漸產(chǎn)生體積收縮變形的現(xiàn)象。根據(jù)監(jiān)測，某商業(yè)綜合體地下結(jié)構(gòu)的最大干燥收縮變形率高達(dá)625微應(yīng)變。過大的收縮變形會引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力的重新分配，從而導(dǎo)致新的裂縫區(qū)域的形成?；炷敛牧线€可能存在孔隙率、離析、偏析等缺陷，這些微觀結(jié)構(gòu)缺陷在一定程度上也會促進(jìn)裂縫的產(chǎn)生和擴展。研究發(fā)現(xiàn)，離析和偏析會造成混凝土內(nèi)部存在大量微裂縫，從而降低其抗裂性能。在外載荷作用下，這些微裂縫極易貫通并擴展，加速宏觀裂縫的形成。因此，提高混凝土的抗拉強度、增大變形能力、控制收縮量及優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)都是減小超長結(jié)構(gòu)裂縫的有效途徑，只有充分認(rèn)識到材料性能與裂縫之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，才能更好地控制地下室結(jié)構(gòu)開裂問題。

1.3 施工工藝與溫度應(yīng)力

施工工藝與溫度應(yīng)力也是導(dǎo)致地下室超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的重要原因?；炷猎跐仓湍踢^程中水化熱會引起溫度的迅速升高，而隨后的緩慢散熱又會導(dǎo)致溫度逐漸降低，在溫升溫降交替作用下產(chǎn)生的溫度梯度是結(jié)構(gòu)開裂的重要原因。以某大型地下車庫為例，當(dāng)最大溫差達(dá)到35 ℃時，結(jié)構(gòu)頂板中部將產(chǎn)生約2.2 MPa 的拉應(yīng)力，而普通混凝土的抗拉強度僅為3 ～4 MPa，很容易被超限而開裂。除了溫度梯度外，澆筑工藝和施工工期也會對裂縫產(chǎn)生重要影響。分層澆注是大體積混凝土澆筑的主要方式，但若上下層澆筑時間間隔過長，則兩層混凝土的溫度和變形差異就會加大，從而增大結(jié)構(gòu)應(yīng)力和開裂風(fēng)險。此外，施工工期的設(shè)置也關(guān)系重大。若大體積混凝土澆筑過于操之過急，內(nèi)部的水化熱難以充分?jǐn)U散，就會形成明顯的溫度梯度。反之，工期拖延又會增加干縮變形的積累，導(dǎo)致裂縫的形成。除了施工工藝本身，外界環(huán)境因素也會對溫度應(yīng)力產(chǎn)生影響。如集中澆筑時的天氣狀況、季節(jié)及施工場地遮陽遮陰等。夏季高溫作業(yè)將加劇水化熱積聚，而冬季低溫施工又會引起低溫收縮裂縫，因此有必要針對性地采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?/p>

1.4 地下水及地基沉降

地下水和地基沉降是引發(fā)地下室超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的外部因素。地下水的滲透會直接對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，而地基沉降則會間接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力，加劇裂縫的形成和發(fā)展。對于地下水的影響，首先要關(guān)注其對混凝土材料性能的侵蝕作用。地下水中含有鈣離子、鎂離子、銨根離子、氯離子、硫酸根離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子、氫氧根離子等。當(dāng)建筑物長期處于地下水作用時，會對混凝土產(chǎn)生腐蝕性。這些離子一旦滲入混凝土內(nèi)部并長期作用，將加速鋼筋銹蝕、水化產(chǎn)物溶解，從而導(dǎo)致材料強度和耐久性急劇下降[4]。以北京市某地下人防工程為例，由于地下水中氯離子含量高達(dá)1800 mg/L，經(jīng)過10 a的浸泡，混凝土的抗壓強度已經(jīng)降低35%，抗拉強度，降幅高達(dá)63%。當(dāng)材料強度發(fā)生明顯退化時，結(jié)構(gòu)的抗裂能力自然也會大幅減小。此外，地下水還會影響混凝土的收縮性能。在干濕循環(huán)作用下，混凝土內(nèi)部會發(fā)生吸濕膨脹和失水收縮，這種體積效應(yīng)極易誘發(fā)內(nèi)部應(yīng)力集中，加速開裂。除地下水外，地基沉降也是導(dǎo)致地下室結(jié)構(gòu)開裂的原因之一。淺層地基沉降在一定程度上是不可避免的，但對于巨大的地下室結(jié)構(gòu)，微小的沉降也會引發(fā)相當(dāng)大的附加應(yīng)力。以某超高層建筑的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，地下五層結(jié)構(gòu)發(fā)生的最大沉降差值為32 mm，而對應(yīng)的結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力高達(dá)7.4 MPa。

2 地下室超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略與抗裂構(gòu)造措施的應(yīng)用

在地下室超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置形式和采用合理的抗裂構(gòu)造措施是控制裂縫的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過科學(xué)的設(shè)計手段，可以有效減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高整體的抗裂性能：第1，優(yōu)化整體平面布置形式有助于分散集中應(yīng)力并均衡受力。以某大型綜合體為例，不同布置形式對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響如表1所示?？梢?，相比矩形布置，圓形和不規(guī)則多邊形布置的最大拉應(yīng)力分別降低了31.9%和40.4%，應(yīng)力集中系數(shù)也有顯著下降，這將大幅減小結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的概率。第2，在構(gòu)件尺寸和形式方面，采用變截面措施也可以顯著提高抗裂能力[5]。目前，在超長結(jié)構(gòu)設(shè)計中，常采用變截面箱形梁或者中部加寬的肋板等形式，以增大構(gòu)件的抗彎剛度，從而減小開裂傾向。有限元分析結(jié)果顯示，對于某30 m超大跨徑箱形梁，當(dāng)采用適當(dāng)?shù)淖兘孛鎯?yōu)化后，跨中最大拉應(yīng)力將降低約25%，從5.2 降至3.9 MPa，遠(yuǎn)低于普通混凝土的抗拉極限。第3，在節(jié)點區(qū)域設(shè)置合理的構(gòu)造縫或預(yù)留縫也是控制裂縫的有效手段。由于這些區(qū)域受力環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，極易引發(fā)裂縫的產(chǎn)生，因此有必要通過預(yù)先設(shè)置縫隙的方式，為潛在裂縫的形成和擴展提供一定的“緩沖空間”，從而減小其對結(jié)構(gòu)整體的不利影響。

表1 不同布置形式對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

2.2 高性能與特殊混凝土材料的應(yīng)用

應(yīng)用高性能和特殊混凝土材料是控制裂縫的又一重要技術(shù)路徑。這類材料具有卓越的力學(xué)性能，可賦予結(jié)構(gòu)諸多特殊功能，從而有效提高抗裂能力。高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）是目前應(yīng)用最為廣泛的抗裂材料之一，HPC 以高強度、高韌性、低滲透性等優(yōu)點而備受行業(yè)推崇。通過優(yōu)化粉體物料組成、摻入減水劑和礦物摻合料，可使其抗壓強度提高至80 MPa，抗拉強度亦可達(dá)到約10 MPa，遠(yuǎn)高于普通混凝土。HPC 的延性較好，在開裂后仍可通過“壓力繩”作用來傳遞拉力，因此，即便產(chǎn)生裂縫，其承載能力也不會驟然下降。除HPC 外，纖維增強混凝土（Fiber-Reinforced Concrete，F(xiàn)RC）也常被用于控制超長結(jié)構(gòu)裂縫。通過摻入鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等短纖維，不僅可增強其抗拉、抗沖擊性能，而且能顯著提高延性，從而延緩裂縫的擴展。某大型綜合體工程的混凝土性能對比如表2 所示。由表可知，與普通混凝土相比，纖維混凝土不僅強度更高，抗裂韌性也更強，尤其是鋼纖維混凝土，其抗拉強度和抗裂指數(shù)分別提高了81.3%和74.5%，在抑制裂縫擴展方面具有獨特優(yōu)勢。

表2 混凝土性能對比

2.3 施工階段溫度與收縮應(yīng)力相關(guān)控制技術(shù)

在地下室超長混凝土結(jié)構(gòu)施工階段，合理控制溫度變化和收縮應(yīng)力是防治裂縫的關(guān)鍵技術(shù)之一。施工過程中的不當(dāng)操作易引發(fā)劇烈的溫升溫降循環(huán)和過大的收縮變形，產(chǎn)生內(nèi)部拉應(yīng)力，進(jìn)而誘發(fā)裂縫的形成。針對溫度應(yīng)力的控制，最主要的做法是優(yōu)化混凝土澆筑工藝和施工工期安排。大體積混凝土澆筑時，可采用分層分批次的澆筑方式，控制單次澆筑體積，減小溫升幅度。此外，還要科學(xué)安排澆筑工期，避免因操之過急導(dǎo)致熱量迅速積聚，同時也要防止拖延過久加劇干縮裂縫。合理的工期以10 ～15 d為宜。在施工現(xiàn)場，通過噴淋覆濕、遮陽棚等簡單措施，也可以有效降低混凝土的最高溫度。此外，還可采用冷卻管循環(huán)水技術(shù)、新型相變冷卻體系等先進(jìn)措施，從內(nèi)外兩方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動冷卻，抑制溫度升高。以某綜合體工程為例，利用預(yù)制埋入冷卻管和噴射冷卻劑的方式，使頂板中心溫度最高值控制在35 ℃，較傳統(tǒng)工藝下降了約20 ℃。除控制溫度外，減小收縮變形也是施工階段的重中之重。應(yīng)合理選擇混凝土配合比，尤其是摻合料用量和外加劑用量，將干縮率控制在適當(dāng)范圍。目前，我國規(guī)范限制地下室結(jié)構(gòu)混凝土的最大干縮率為600 微應(yīng)變，超過該值極易產(chǎn)生開裂。此外，施工過程中還要采取濕纜養(yǎng)護、隔熱遮陽、涂刷養(yǎng)護劑等措施減少混凝土的水分損失，以減小收縮變形。綜上，通過優(yōu)化施工工藝流程、科學(xué)安排工期、采取現(xiàn)場主動冷卻措施及使用低收縮混凝土配合比等多種手段，可以從源頭上有效控制溫升溫降循環(huán)和收縮變形，大幅降低由此產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力水平，為地下室超長混凝土結(jié)構(gòu)的無裂化施工提供技術(shù)保障。

2.4 新型智能材料與自修復(fù)技術(shù)

為有效應(yīng)對地下水滲透和地基沉降等外部因素導(dǎo)致的超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題，新型智能材料與自修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用正日益受重視。這些新興技術(shù)能主動響應(yīng)外部環(huán)境變化，實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的自我修復(fù)和自我保護，從而最大限度地延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，提高整體性能。其中，智能自愈合水泥基復(fù)合材料是一種具有廣闊前景的抗裂新型材料。該材料通過摻入細(xì)菌或植物源蛋白等智能修復(fù)劑，并在特定條件下激活，實現(xiàn)裂縫的自主愈合。以細(xì)菌自愈合水泥為例，當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫時，滲入的水分和氧氣將啟動菌種的代謝活動，并誘導(dǎo)其產(chǎn)生碳酸鈣晶體，繼而填充并愈合裂縫。而對地下環(huán)境而言，持續(xù)的地下水滲透會不斷為細(xì)菌提供代謝所需的水分和養(yǎng)分，因此自愈合效果將更加顯著。

除智能材料外，采用先進(jìn)的自修復(fù)技術(shù)也是應(yīng)對地下室超長結(jié)構(gòu)裂縫的有力武器。一種稱為“生物礦化自修復(fù)技術(shù)”的新方法就極具潛力。該技術(shù)的核心是通過生物礦化反應(yīng)（如碳酸鈣、硅酸鈣等）來填充并愈合裂縫。與細(xì)菌自愈合技術(shù)不同的是，該方法利用的是浸入裂縫中的生物礦化溶液，而非混凝土本身摻入的修復(fù)劑。這種后植入式技術(shù)的優(yōu)勢在于可對已有建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，具有較強的適用性。

綜上，通過應(yīng)用智能自愈合水泥材料和生物礦化自修復(fù)技術(shù)等，可以有效修復(fù)由地下水滲透和地基沉降引發(fā)的裂縫，顯著提升結(jié)構(gòu)的使用性能，最大限度地延長其使用壽命。

3 結(jié)語

地下室超長混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制是一個系統(tǒng)工程，需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選用、施工控制、先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用等多個層面采取協(xié)同措施。合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置形式和構(gòu)件尺寸，有利于減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高整體剛度；采用高性能混凝土、纖維混凝土等新型材料，可以從根源上提升結(jié)構(gòu)抗裂性能；優(yōu)化施工工藝流程、控制溫度和收縮變形，是施工階段防治裂縫的關(guān)鍵技術(shù)；而智能自愈合材料和生物礦化修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用，則為解決地下環(huán)境復(fù)雜因素導(dǎo)致的裂縫問題提供了全新思路。