摘要：预制装配式墙板是装配式建筑的重要组成部分，在实际使用过程中，墙板拼接处和板身容易出现开裂，本文归纳分析了墙板设计和施工中存在的问题，揭示了预制墙板裂缝形成机理，对裂缝控制措施进行了系统全面的总结。针对墙板湿式连接中由于嵌缝材料抗拉强度和韧度不够引起的拼缝处开裂问题，介绍了具有良好承载力、刚度及耗能能力的节点干式连接方法。
关键词：预制装配式墙板；裂缝；干式节点；螺栓连接
Cause and Prevention of Cracks in Prefabricated Wallboards
DING Qile1, ZHENG Yu1, ZHANG Lifei1, XIA Lipeng1, ZHOU Shengguang2, LI Jinghua2
(1．School of Environment and Civil Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China
2. Guangdong Huakun Construction Co., Ltd., Dongguan 523075, China)
Abstract: Prefabricated wallboard is an important part in prefabricated building, researchers have found that cracks are widely distributed in wallboards in engineering application. In this paper, problems in design and construction of wallboards are analyzed, formation mechanism of cracks is revealed, and methods to prevent cracking are summarized comprehensively. In order to prevent the cracks formed in connection between wallboards resulted from the lack of tensile strength and toughness, dry connectors with good bearing capacity and stiffness are introduced.
Keywords: prefabricated wallboard; crack; dry connectors; bolted connection
基金项目：广东省自然科学基金面上项目（2018A030313864）资助；东莞理工学院科研启动专项经费项目（GC300501-069）资助；企业委托科技项目“新型装配式建筑墙体连接装置工作性能研究”资助。
1国内外预制墙板使用现状及存在的问题
1.1国内外预制墙板使用现状
装配式建筑具有高效率、高质量和低污染等优点[1, 2]，其在我国的应用可追溯至第一个五年计划时期[3]，曾迅速发展却又中道而止。近年来，出于发展绿色建筑产业的诉求，装配式建筑再次引起高度重视[4]。目前世界上建筑工业化程度最高的瑞典，装配式建造程度达到了80%，而中国仅为3%—5%[5]。为了实现绿色可持续发展目标，各地政府都在大力推广装配式建筑，房地产企业也在积极探索相关技术。
1.2预制墙板连接存在的问题
预制装配式墙板是装配式建筑的重要组成部分，其在建筑中的使用有利于实现墙板的规范化设计、批量化生产、装配式安装及智能化管理，是墙板发展的一个重要方向。
预制装配式墙板在使用过程中容易形成裂缝，出现位置一般有如下几种情况：墙板拼接处出现裂缝；墙板与天花板、地面接触位置出现裂缝；干燥收缩等原因导致的板身裂缝；墙板与承重墙接触位置出现裂缝等[6]。根据裂缝延伸方向、产生的原因以及形成部位可以作如图 1所示的划分。
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图 1 预制装配式墙板裂缝分类
2预制墙板裂缝成因
2.1预制墙板裂缝形成机理
目前国内外对于预制装配式墙板裂缝形成机理的研究较少，早期学者利用1920年Griffith提出的微裂纹理论对墙板裂缝的产生进行了解释，认为墙板内部本身存在大量裂纹，裂纹尖端应力集中系数较大，当最大应力高于墙板材料的强度时，裂纹迅速扩展发育，其扩展的临界张应力如下：
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式中：是薄板长度的二分之一，是晶体的弹性模量，是断裂的表面能。
按照裂缝受力及扩展途径，可以分为张开型（Ⅰ型）、滑开型（Ⅱ型）、撕开型（Ⅲ型）三种[7]，如图 2所示。
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图 2 裂纹的三种扩展方式
后来，Irwin 提出了应力强度因子理论，并建立了 K 准则，该理论认为墙板材料在生产、运输、吊装等过程中，受挤压变形、尺寸效应、机械振动等影响，板身形成应力应变，导致内部结构产生裂纹，当墙板裂缝尖端集中的应力得不到有效释放时，会导致尖端裂缝的扩展。在预制装配式墙板工程实践中，因温度、干燥收缩等变形变化而形成的裂缝占80%左右，因荷载导致的约占20%[8, 9]
2.2板身裂缝成因
许多学者对预制装配式墙板开裂的具体原因展开了研究，可以总结为如下四个因素：材质因素、设计因素、施工因素、其他因素[10]，上面几个因素还会互相影响，共同促使墙板裂纹的形成。
（1）材质问题，预制墙板多是ALC、GRC等材料，板内部孔隙多、吸水率高，容易产生收缩变形[11]，其收缩率为烧结粘土砖的3倍左右。预制墙板材料的收缩值多数在0.1%以上，干燥收缩值越大，墙板出现裂缝的概率也越大。在华南地区，当干燥收缩值小于0.06%时，墙体出现裂缝的概率较小，而超过1%时，墙体容易出现裂缝[6]。另外，生产过程不规范也会引起材质问题，部分预制构件厂生产工艺达不到国家标准，配料生产工艺达不到要求，易导致干燥收缩值过大。将龄期不达标的墙板送至现场投入使用，会影响到早龄期混凝土热膨胀系数，如公式1所示[12]。
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为等效龄期，考虑了气温变化对水泥水化产生的影响[13]。
墙板安装完成后仍然会失水，从而加剧裂缝的扩展发育。墙板接缝处油污染也是广泛存在的一个问题，油性脱模剂易造成企口和嵌缝材料粘结性差的问题，导致板与嵌缝材料开裂，工程中应鼓励采用水性脱模剂。
（2）设计问题，设计人员往往关注强度设计而不重视抗裂措施，对预制墙板结构可能产生的裂缝没有足够关注，在对强度和稳定性进行计算和校核后，针对抗裂构造措施，多数引用国家和行业标准，缺乏针对性措施。
（3）施工问题，施工人员对预制装配式墙板了解较少，缺乏针对性培训，墙板安装、填缝等环节缺乏经验，施工质量难以保证，施工过程中或者竣工后容易出现裂缝。主要表现在：①嵌缝砂浆不饱满，普通砂浆和墙板附着力差，刚度大，干燥收缩值大，在嵌缝过程中容易产生脱离，普通水泥砂浆有明显的硬化收缩现象，造成墙板安装后易沿安装裂缝开裂，不宜作为墙板填缝材料，宜选择兼具微膨胀性和保水性的专用砂浆；②墙板大跨度连续安装，板身收缩形成收缩应力，并且收缩会累积，墙板安装总长度越大，累积的收缩应力也越大，当局部应力过大时，就会形成裂缝，释放集中应力；③湿板上墙，当安装含水率超标的墙板后，易产生安装裂缝，与此同时，含水率超标还会影响墙板的导热系数[11]。
3预制墙板拼缝处裂缝成因及控制
杨培建等[14]对山东省济宁市某小区应用预制装配式轻质墙板的96个接点进行了调查分析，一共发现各类裂缝 70 处，裂缝率达到了73%，所形成裂缝的统计情况见表1。从表1中可以看出，在预制装配式墙板所有的裂缝类型中，墙板与墙板拼接处形成的裂缝占比达81.4%，是最易形成裂缝的位置。
表 1 预制轻质隔墙安装裂缝情况调查表
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3.1拼缝处裂缝成因
预制墙板在安装的过程中，板侧抹浆液，通过墙板边缘企口进行咬合连接，接缝处黏贴玻纤布，竖向接缝再批1-2毫米厚砂浆，如图 3所示。
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图 3 抹砂浆处理预制墙板间嵌缝
已有的墙板裂缝成因研究表明，接缝开裂是由于嵌缝材料抗拉强度和韧性不够高、粘结力过小所导致，目前有大量研究人员投身于材料的开发。嵌缝材料要具有一定的强度来保证力的传递，同时还要拥有良好的变形特性，在应力释放过程中，嵌缝材料的强度和变形特性要保证相连墙板能够成一个整体。随着材料研究的深入，国内外产生了多种新型嵌缝材料，张慧莉[15]研究了界面处理方式对沥青改性聚氨酯接缝材料和水泥砂浆黏结性能的影响，结果表明，涂抹甲苯系列底剂界面的黏结效果要好于涂抹丙酮系列底剂的界面，沥青改性聚氨酯接缝材料能够用于潮湿带水的界面。李炳奇等[16, 17]研发了聚脲基复合防渗体系材料，能应用于低温、潮湿等恶劣的工程环境，并且满足伸缩缝三维变形要求。新型嵌缝材料引进使用后，墙板接缝开裂的问题并没有彻底解决，学者对墙板力学性能和裂缝成因做了大量研究，开裂原因可归纳如下：
（1）墙板干燥收缩值大，当墙板含水量降低时，板身发生干缩变形，当含水率下降至特定值时，干缩变形才会趋于稳定。干缩后的墙板受潮后会产生膨胀现象，失水后又会出现二次收缩，引起墙体接缝处开裂。预制构件厂应在生产线上增加风干设备，使墙板含水率符合标准。
（2）温度裂缝，预制装配式墙板冷缩是造成墙板接缝开裂的重要原因，在酷暑和寒冬时节施工时，要保证脱模时间、养护时间和出厂时间达到要求[8]。
针对温度引起的静态裂缝起始扩展和动态裂缝的传播，可采纳Freund提出的动态应力强度因子的解析解来进行分析：
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式中，、分别为扩展波速和Rayleigh波速，为扩展速度。
另外，施工质量差、构造不合理等都是引起接缝开裂的重要原因。不同区域的气候特征，各个预制构件厂的技术水平、生产工艺差异明显，气候条件等外界因素影响也不尽相同，在研究过程中不能直接套用现成经验，但可以学习和借鉴已有成果[10]。
3.2墙板拼缝处开裂的解决措施
相比于装配式结构主体的设计研究，与其配套的预制装配式墙板技术相对落后，需要开发出符合装配式结构自身特点的节点连接方式，近年来，有学者开始研究节点干式连接方式[18]。干式连接一般是在预制构件中预先埋置好连接件，墙板拼接时利用螺栓或者焊接的方式将构件进行连接，如图 4所示。其核心思想是尽量减少施工现场的二次浇筑过程，常用的节点干式连接方式如表2所示[19]。干式节点在连接完毕后能立即承载，缩短项目建设周期，减少现场湿作业，大量学者对这种节点连接方式开展了理论和试验研究。陈文[20]设计了二层 PPSDC试验模型，采用螺栓连接和焊接连接研究了传力机理、破坏模式及其特征点参数等性质，结果表明，采用这两种干式连接方式的模型均具有较好的整体性和较高的承载能力。王威[21]对采用螺栓连接的墙体进行了单向反复加载试验，分析了刚度退化情况和延性指标，研究结果表明，螺栓连接具有良好的承载能力和刚度。
表 2 干、湿连接方式
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图 4 干式节点构造示意
理论和试验研究表明，合理的节点干式连接方式具有良好的抗拉强度、刚度和延性[22]。同时，螺栓连接对预制墙板制作和安装要求高，对预制构件制造水平是一个考验，焊接连接受工人技术影响较大，为避免留下隐患，需做好现场检测工作[23]。
4结论
（1）本文归纳分析了墙板设计和施工中存在的问题，基于微裂纹理论和应力强度因子理论，揭示了预制墙板裂缝形成机理，从材质问题、设计问题和施工问题等角度对裂缝成因进行了系统全面的总结。
（2）针对墙板湿式连接中由于嵌缝材料抗拉强度和韧度不够引起的拼缝处开裂问题，介绍了具有良好承载力、刚度及耗能能力的节点干式连接方法。
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