地下空間結(jié)構(gòu)裂縫控制與防水新技術(shù)

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摘要：本文分析建筑結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的各種原因，提出從材料、設(shè)計(jì)施工和維護(hù)方面控制裂縫的技術(shù)措施。介紹我國(guó)現(xiàn)行防水技術(shù)規(guī)范；新型防水材料及其應(yīng)用技術(shù)。

關(guān)鍵詞：地下空間結(jié)構(gòu) 裂縫控制 防水新技術(shù)

一、前言
　　鋼筋砼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫是不可避免的，在保證結(jié)構(gòu)安全和耐久性的前提下，裂縫是人們可接受的材料特征。近十多年來(lái)，隨著鋼筋砼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)大化和復(fù)雜化，以及商品砼的大量推廣和砼強(qiáng)度等級(jí)的提高，結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)機(jī)率大大增加，有些已危及結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，有的地下工程裂滲已影響其使用功能。建設(shè)部對(duì)此十分重視，召開(kāi)多次學(xué)術(shù)研討會(huì)，工程界各方專家提出許多技術(shù)措施，認(rèn)為控制裂縫是個(gè)系統(tǒng)工程。針對(duì)地下工程裂滲比較普遍的現(xiàn)象，我國(guó)研制許多新型防水材料，建設(shè)部提出今后主要開(kāi)發(fā)應(yīng)用環(huán)保型的中、高檔防水材料，剛?cè)峤Y(jié)合，全面提高我國(guó)防水工程的質(zhì)量和耐久性。
　　本人根據(jù)長(zhǎng)期的科學(xué)研究和大量工程實(shí)踐，提出鋼筋砼結(jié)構(gòu)裂縫控制和防水一些新技術(shù)，供工程界參考，不妥之處請(qǐng)指正。
　　二、結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因
　　結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的調(diào)查資料，引起裂縫有兩大類原因，一種由外荷載（如靜、動(dòng)荷載）的直接應(yīng)力和結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫，其機(jī)率約20%；一種是結(jié)構(gòu)因溫度、膨脹、收縮、徐變和不均勻沉降等因素由變形變化引起的裂縫，其機(jī)率約80%。裂縫發(fā)生與材料、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)有關(guān)，現(xiàn)作以下分析。
　　（一）材料缺陷
　　在變形裂縫中收縮裂縫占有80%的比例，從砼的性質(zhì)來(lái)說(shuō)大概有：
　　1．干燥收縮
　　研究表明，水泥加水后變成水泥硬化體，其絕對(duì)體積減小。每100克水泥水化后的化學(xué)減縮值為7～9ml，如砼水泥用量為350kg/m3，則形成孔縫體積約25～30L/m3之巨。這是砼抗拉強(qiáng)度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明，每100克水泥漿體可蒸發(fā)水約6ml，如砼水泥用量為350kg/m3，當(dāng)砼在干燥條件下，則蒸發(fā)水量達(dá)21L/m3。毛細(xì)孔縫中水逸出產(chǎn)生毛細(xì)壓力，使砼產(chǎn)生“毛細(xì)收縮”。由此引起水泥砂漿的干縮值為0.1～0.2%；砼的干縮值為0.04～0.06%。而砼的極限拉伸值只有0.01～0.02%，故易引起干縮裂縫。
　　2．溫差收縮
　　水泥水化是個(gè)放熱過(guò)程，其水化熱為165～250焦?fàn)?克，隨砼水泥用量提高，其絕熱溫升可達(dá)50～80℃。研究表明，當(dāng)砼內(nèi)外溫差10℃時(shí)，產(chǎn)生的冷縮值εc=△T/α=10/110-5=0.01%，如溫差為20～30℃時(shí)，其冷縮值為0.02～0.03％，當(dāng)其大于砼的極限拉伸值時(shí)，則引起結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。
　　3．塑性收縮
　　砼初凝之前出現(xiàn)泌水和水份急劇蒸發(fā)，引起失水收縮，此時(shí)骨料與水泥之間也產(chǎn)生不均勻的沉縮變形，它發(fā)生在砼終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。其收縮量可達(dá)1％左右。在砼表面上，特別在抹壓不及時(shí)和養(yǎng)護(hù)不良的部位出現(xiàn)龜裂，寬度達(dá)1～2mm，屬表面裂縫。水灰比過(guò)大，水泥用量大，外加劑保水性差，粗骨料少，振搗不良，環(huán)境溫度高，表面失水大等都能導(dǎo)致砼塑性收縮而發(fā)生表面開(kāi)裂現(xiàn)象。
　　4．自生收縮
　　密封的砼內(nèi)部相對(duì)濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細(xì)孔中的水分不飽和而產(chǎn)生負(fù)壓，因而引起砼的自生收縮。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛細(xì)孔隙中貯存大量水分，自干燥引起的收縮壓力較小，所以自生收縮值較低而不被注意。但是，低水灰比的高性能砼（HPC）則不同，早期強(qiáng)度較高的發(fā)展率會(huì)使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對(duì)濕度低于80%。而HPC結(jié)構(gòu)致密，外界水泥很難滲入補(bǔ)充，在這種條件下開(kāi)始產(chǎn)生自干收縮。研究表明，齡期2個(gè)月水膠比為0.4的HPC，自干收縮率為0.01%，水膠比為0.3的HPC，自干收縮率為0.02%。HPC的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越小自收縮所占比例越大。由此可知，HPC的收縮性與OPC完全不同，OPC以干縮為主，而HPC以自干收縮為主。問(wèn)題的要害是：HPC自收縮過(guò)程開(kāi)始于水化速率處于高潮階段的頭幾天，濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內(nèi)部微裂縫，若砼變形受到約束，則進(jìn)一步產(chǎn)生收縮裂縫。這是高標(biāo)號(hào)砼容易開(kāi)裂的主要原因之一。
　　5．減水劑的影響
　　人們發(fā)現(xiàn)，自八十年代中期推廣商品（泵送）砼以來(lái)，結(jié)構(gòu)裂縫普遍增多，這是為什么呢？除了與砼的水泥用量和砂率提高有關(guān)外，人們忽視了減水劑引起的負(fù)面影響。例如過(guò)去干硬性及預(yù)制砼的收縮變形約為4～6×10-4，而現(xiàn)在泵送砼收縮變形約為6～8×10－4，使得砼裂縫控制的技術(shù)難度大大增加。研究表明，在砼配合比相同情況下，摻入減水劑的坍落度可增加100～150mm，但是它與基準(zhǔn)砼的收縮值相比，卻增加120～130%（見(jiàn)圖1）。所以，在《砼減水劑》規(guī)范GB138076-97中規(guī)定摻減水劑的砼與基準(zhǔn)砼的收縮比≤135%。研究表明，摻入不同類型的減水劑砼的收縮比是不相同的，一般是：木鈣減水劑>萘磺酸鹽減水劑>三聚氰胺減水劑>氨基磺酸減水劑>聚丙烯酸減水劑。這說(shuō)明商品砼澆筑的結(jié)構(gòu)開(kāi)裂機(jī)率大與減水劑帶來(lái)負(fù)面影響有關(guān)。其機(jī)理尚不清楚。
　　以上是從水泥砼物理化學(xué)特性分析其各種收縮現(xiàn)象，早期塑性收縮會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表面裂縫，砼進(jìn)入硬化階段后，砼水化熱使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫差收縮和干燥收縮（包括自干收縮），這是誘發(fā)裂縫的主要原因。近十年大量使用商品砼開(kāi)裂增加，除與單方砼水泥和摻合料用量增加外，減水劑增加砼收縮值變形的負(fù)面影響也是一個(gè)重要因素。
　　6．砼后期膨脹出現(xiàn)裂縫，主要是：
　?。?）水泥中游離CaO過(guò)高，Ca(OH)2體積膨脹所致；
　?。?）水泥中MgO過(guò)高，Mg(OH)2體積膨脹所致；
　?。?）水泥和外加劑堿含量過(guò)高，與集料中活性硅等發(fā)生堿-集料反應(yīng)所致；
　?。?）有害離子Cl-、SO4=、Mg++等侵入砼內(nèi)部，導(dǎo)致鋼筋銹蝕或形成二次鈣礬石膨脹破壞所致。
　　7．結(jié)構(gòu)物在任意內(nèi)應(yīng)力作用下，除瞬間彈性變形外，其變形值隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象稱為徐變變形。砼拉徐變時(shí)對(duì)抗裂有利，一般可以提高鋼筋砼極限拉伸值50％左右。而砼壓徐變很小，一般把收縮變形與徐變變形的計(jì)算一并加以考慮。砼收縮經(jīng)驗(yàn)公式很多，但是，實(shí)際工程所處條件變化較多。一般采用如下任意時(shí)間砼收縮計(jì)算公式。
　　εy(t)=3.2410-4(1-e-0.01t)M1.M2……Mn
　　式中M1.M2……Mn－為水泥品種、骨料，水灰比、溫度、養(yǎng)護(hù)和不同配筋率等修正系數(shù)。
　　其中不同配筋率的修正系數(shù)見(jiàn)表1。也即限制收縮與自由收縮之比，隨配筋率提高而減小。
　　表１
　　配筋率（％）　0.000.150.200.250.300.400.50
　　修正系數(shù)Ｍ　　1.000.680.610.550.500.430.40
　?。ǘ┰O(shè)計(jì)問(wèn)題
　　鋼筋砼結(jié)構(gòu)是由砼和鋼筋共同承擔(dān)極限狀態(tài)的承載力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師根據(jù)地基情況，靜、動(dòng)荷載、環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)耐久性等控制荷載裂縫。這里不作討論。從國(guó)內(nèi)外有關(guān)規(guī)范可知，對(duì)結(jié)構(gòu)變形作用引起的裂縫問(wèn)題，客觀上存在兩類學(xué)派：
第一類，設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定很靈活，沒(méi)有驗(yàn)算裂縫的明確規(guī)定，設(shè)計(jì)方法留給設(shè)計(jì)人員自由處理。基本上采取“裂了就堵、堵不住就排”的實(shí)際處理手法。
第二類，設(shè)計(jì)規(guī)范有明確規(guī)定，對(duì)于荷載裂縫有計(jì)算公式并有嚴(yán)格的允許寬度限制。對(duì)于變形裂縫沒(méi)有計(jì)算規(guī)定，只按規(guī)范留伸縮縫，即留縫就不裂的設(shè)計(jì)原則。
　　大量工程實(shí)踐證明，留縫與否，并不是決定結(jié)構(gòu)變形開(kāi)裂與否的唯一條件，留縫不一定不裂，不留縫不一定裂，是否開(kāi)裂與許多因素有關(guān)。我們認(rèn)為，控制裂縫應(yīng)該防患于未然，首先盡量預(yù)防有害裂縫，重點(diǎn)在防。我國(guó)結(jié)構(gòu)工程向長(zhǎng)大化、復(fù)雜化發(fā)展，砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)向C40～C60發(fā)展，設(shè)計(jì)師多注重結(jié)構(gòu)安全，而對(duì)變形裂縫控制考慮不周，這也是結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)生增多的原因之一。
　　（三）施工管理問(wèn)題
　　砼配合比設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理，水泥與外加劑是否相適應(yīng)，砂石級(jí)配及其含泥量是否符合規(guī)范要求，砼坍落度控制是否合理，這些都影響到砼的質(zhì)量及其收縮變形。
　　砼澆筑震搗不均勻密實(shí)，施工縫和細(xì)部處理馬虎，會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的后患；過(guò)震則使浮漿過(guò)厚，抹壓又不及時(shí)，則砼表面出現(xiàn)塑性裂縫，十分難看。
邊墻拆摸板過(guò)早（1～3d），砼水化熱正處于高峰，內(nèi)外溫差最大；砼易“感冒”開(kāi)裂。
　　砼養(yǎng)護(hù)十分重要，但許多施工單位忽視這一環(huán)節(jié)，尤其是墻體和柱梁的保溫保濕養(yǎng)護(hù)不到位，容易產(chǎn)生收縮裂縫。某些露天構(gòu)筑物盡管當(dāng)?shù)貪穸群艽?，但由于吹風(fēng)影響，加速了砼水分蒸發(fā)速度，亦即增加干縮速度，容易引起早期表面裂縫，風(fēng)速對(duì)水分蒸發(fā)速度的影響見(jiàn)表2。這也許是夏季比秋冬季，南方比北方出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫較多的原因。
　　從已建工程調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，底板養(yǎng)護(hù)較好，出現(xiàn)裂縫概率較低，而底板上外墻裂縫概率很高約占80％，這與保溫保濕養(yǎng)護(hù)不足有很大關(guān)系。
除上述技術(shù)因素外，施工管理不嚴(yán)，趕進(jìn)度，偷工減料，工人素質(zhì)差，施工馬虎等也是造成結(jié)構(gòu)裂縫的人為因素。
　?。ㄋ模?duì)維護(hù)缺乏認(rèn)識(shí)
　　我們發(fā)現(xiàn)不少結(jié)構(gòu)是在澆筑完3～6個(gè)月，甚至在1～2年內(nèi)出現(xiàn)裂縫。除荷載問(wèn)題外，主要是環(huán)境溫度和風(fēng)速引起的收縮變形所致。有些地下室不及時(shí)復(fù)土；上部結(jié)構(gòu)不及時(shí)做好封閉；出入口長(zhǎng)期敞開(kāi)，屋面防水層破壞不及時(shí)修補(bǔ)等。這些與施工和業(yè)主對(duì)結(jié)構(gòu)維護(hù)缺乏認(rèn)識(shí)有關(guān)。鋼筋砼結(jié)構(gòu)與其他物件一樣都存在“熱脹冷縮”的特征，尤其超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)更為明顯，所以，應(yīng)重視已澆結(jié)構(gòu)的保溫保濕維護(hù)工作。

　　三、有害裂縫與無(wú)害裂縫
　　裂縫按其形狀分為表面的、貫穿的、縱向的和橫向的等等。裂縫形狀與結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有直接關(guān)系。裂縫分為愈合、閉合、運(yùn)動(dòng)、穩(wěn)定的及不穩(wěn)定的等。例如寬度0.1～0.2mm裂縫，開(kāi)始有些滲漏，水通過(guò)裂縫同水泥結(jié)合，形成氫氧化鈣和C-S-H凝膠，經(jīng)一段時(shí)間裂縫自愈不滲了。有的裂縫在壓應(yīng)力作用下閉合了。有的裂縫在周期性溫差和周期性反復(fù)荷載作用下產(chǎn)生周期性的擴(kuò)展和閉合，稱為裂縫的運(yùn)動(dòng)，但這是穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。有些裂縫產(chǎn)生不穩(wěn)定的擴(kuò)展，視其擴(kuò)展部位，應(yīng)考慮加固措施。
　　根據(jù)國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范及有關(guān)試驗(yàn)資料，砼最大裂縫寬度的控制標(biāo)準(zhǔn)大致如下：
　　無(wú)侵蝕介質(zhì)無(wú)防滲要求，0.3～0.4mm。
　　輕微侵蝕，無(wú)防滲要求，0.2～0.3mm。
　　嚴(yán)重侵蝕，有防滲要求，0.1～0.2mm。
　　判斷裂縫有害還是無(wú)害，首先視它是否有害結(jié)構(gòu)安全和耐久性，其次是否影響使用功能（如防水，防潮）。例如地下和水工工程，小于0.1～0.2mm裂縫視為無(wú)害裂縫，作簡(jiǎn)單表面封閉即可，再作柔性防水層就更保險(xiǎn)了。樓面裂縫0.3～0.4mm，對(duì)結(jié)構(gòu)是安全，視為無(wú)害裂縫，可不作處理。對(duì)于受力的梁、柱，涉及結(jié)構(gòu)安全，裂縫要妥當(dāng)處理。
　　既然變形裂縫一般不影響承載力，但它防水問(wèn)題就值得研究了，根據(jù)工程調(diào)查，由裂縫引起的各種不利后果中，滲漏水占60％。水分子的直徑約0.310-6mm，可穿過(guò)任何肉眼可見(jiàn)的裂縫，從理論上講防水結(jié)構(gòu)物是不允許裂縫的，但實(shí)際情況不是這樣，工程實(shí)踐表明，裂縫寬0.2mm，開(kāi)始漏水量5L/h，一年后只有10mL/h，這說(shuō)明裂縫逐漸自愈。當(dāng)然，對(duì)有滲水裂縫要及時(shí)處理，這并不是難題。
　　工程實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生的原因很復(fù)雜，也是不可避免的。如對(duì)建筑物抗裂要求過(guò)嚴(yán)，必將付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。科學(xué)的要求應(yīng)是將其有害程度控制在允許范圍內(nèi)。這些關(guān)于裂縫的預(yù)測(cè)、預(yù)防和處理工作，統(tǒng)稱之為“建筑物的裂縫控制”。我國(guó)科技界和工程界正在不斷探索，有許多成功經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。