地下空间结构裂缝控制与防水新技术

　　摘要 本文分析建筑结构裂缝产生的各种原因，提出从材料、设计施工和维护方面控制裂缝的技术措施。介绍我国现行防水技术规范；新型防水材料及其应用技术。

　　一、前言

　　钢筋砼结构出现裂缝是不可避免的，在保证结构安全和耐久性的前提下，裂缝是人们可接受的材料特征。近十多年来，随着钢筋砼结构的长大化和复杂化，以及商品砼的大量推广和砼强度等级的提高，结构裂缝出现机率大大增加，有些已危及结构的安全性和耐久性，有的地下工程裂渗已影响其使用功能。建设部对此十分重视，召开多次学术研讨会，工程界各方专家提出许多技术措施，认为控制裂缝是个系统工程。针对地下工程裂渗比较普遍的现象，我国研制许多新型防水材料，建设部提出今后主要开发应用环保型的中、高档防水材料，刚柔结合，全面提高我国防水工程的质量和耐久性。

　　本人根据长期的科学研究和大量工程实践，提出钢筋砼结构裂缝控制和防水一些新技术，供工程界参考，不妥之处请指正。

　　二、结构裂缝产生的原因

　　结构裂缝产生的原因很复杂，根据国内外的调查资料，引起裂缝有两大类原因，一种由外荷载（如静、动荷载）的直接应力和结构次应力引起的裂缝，其机率约20%；一种是结构因温度、膨胀、收缩、徐变和不均匀沉降等因素由变形变化引起的裂缝，其机率约80%.裂缝发生与材料、设计、施工和维护有关，现作以下分析。

　　（一）材料缺陷

　　在变形裂缝中收缩裂缝占有80%的比例，从砼的性质来说大概有：

　　1.干燥收缩

　　研究表明，水泥加水后变成水泥硬化体，其绝对体积减小。每100克水泥水化后的化学减缩值为7～9ml，如砼水泥用量为350kg/m3，则形成孔缝体积约25～30L/m3之巨。这是砼抗拉强度低和极限拉伸变形小的根本原因。研究表明，每100克水泥浆体可蒸发水约6ml，如砼水泥用量为350kg/m3，当砼在干燥条件下，则蒸发水量达21L/m3.毛细孔缝中水逸出产生毛细压力，使砼产生“毛细收缩”。由此引起水泥砂浆的干缩值为0.1～0.2%；砼的干缩值为0.04～0.06%.而砼的极限拉伸值只有0.01～0.02%，故易引起干缩裂缝。

　　2.温差收缩

　　水泥水化是个放热过程，其水化热为165～250焦尔/克，随砼水泥用量提高，其绝热温升可达50～80℃。研究表明，当砼内外温差10℃时，产生的冷缩值εc=△T/α=10/110-5=0.01%，如温差为20～30℃时，其冷缩值为0.02～0.03％，当其大于砼的极限拉伸值时，则引起结构开裂。

　　3.塑性收缩

　　砼初凝之前出现泌水和水份急剧蒸发，引起失水收缩，此时骨料与水泥之间也产生不均匀的沉缩变形，它发生在砼终凝之前的塑性阶段，故称为塑性收缩。其收缩量可达1％左右。在砼表面上，特别在抹压不及时和养护不良的部位出现龟裂，宽度达1～2mm，属表面裂缝。水灰比过大，水泥用量大，外加剂保水性差，粗骨料少，振捣不良，环境温度高，表面失水大等都能导致砼塑性收缩而发生表面开裂现象。

　　4.自生收缩

　　密封的砼内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压，因而引起砼的自生收缩。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛细孔隙中贮存大量水分，自干燥引起的收缩压力较小，所以自生收缩值较低而不被注意。但是，低水灰比的高性能砼（HPC）则不同，早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快，以至使孔体系中的相对湿度低于80%.而HPC结构致密，外界水泥很难渗入补充，在这种条件下开始产生自干收缩。研究表明，龄期2个月水胶比为0.4的HPC，自干收缩率为0.01%，水胶比为0.3的HPC，自干收缩率为0.02%.HPC的总收缩中干缩和自收缩几乎相等，水胶比越小自收缩所占比例越大。由此可知，HPC的收缩性与OPC完全不同，OPC以干缩为主，而HPC以自干收缩为主。问题的要害是：HPC自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天，湿度梯度首先引发表面裂缝，随后引发内部微裂缝，若砼变形受到约束，则进一步产生收缩裂缝。这是高标号砼容易开裂的主要原因之一。

　　5.减水剂的影响

　　人们发现，自八十年代中期推广商品（泵送）砼以来，结构裂缝普遍增多，这是为什么呢？除了与砼的水泥用量和砂率提高有关外，人们忽视了减水剂引起的负面影响。例如过去干硬性及预制砼的收缩变形约为4～6×10-4，而现在泵送砼收缩变形约为6～8×10－4，使得砼裂缝控制的技术难度大大增加。研究表明，在砼配合比相同情况下，掺入减水剂的坍落度可增加100～150mm，但是它与基准砼的收缩值相比，却增加120～130%（见图1）。所以，在《砼减水剂》规范GB138076-97中规定掺减水剂的砼与基准砼的收缩比≤135%.研究表明，掺入不同类型的减水剂砼的收缩比是不相同的，一般是：木钙减水剂>萘磺酸盐减水剂>三聚氰胺减水剂>氨基磺酸减水剂>聚丙烯酸减水剂。这说明商品砼浇筑的结构开裂机率大与减水剂带来负面影响有关。其机理尚不清楚。

　　以上是从水泥砼物理化学特性分析其各种收缩现象，早期塑性收缩会导致结构出现表面裂缝，砼进入硬化阶段后，砼水化热使结构产生温差收缩和干燥收缩（包括自干收缩），这是诱发裂缝的主要原因。近十年大量使用商品砼开裂增加，除与单方砼水泥和掺合料用量增加外，减水剂增加砼收缩值变形的负面影响也是一个重要因素。

　　6.砼后期膨胀出现裂缝，主要是：

　　（1）水泥中游离CaO过高，Ca（OH）2体积膨胀所致；

　　（2）水泥中MgO过高，Mg（OH）2体积膨胀所致；

　　（3）水泥和外加剂碱含量过高，与集料中活性硅等发生碱-集料反应所致；

　　（4）有害离子Cl-、SO4=、Mg++等侵入砼内部，导致钢筋锈蚀或形成二次钙矾石膨胀破坏所致。

　　7.结构物在任意内应力作用下，除瞬间弹性变形外，其变形值随时间的延长而增加的现象称为徐变变形。砼拉徐变时对抗裂有利，一般可以提高钢筋砼极限拉伸值50％左右。而砼压徐变很小，一般把收缩变形与徐变变形的计算一并加以考虑。砼收缩经验公式很多，但是，实际工程所处条件变化较多。一般采用如下任意时间砼收缩计算公式。

　　εy（t）=3.2410-4（1-e-0.01t） M1.M2……Mn

　　式中M1.M2……Mn－为水泥品种、骨料，水灰比、温度、养护和不同配筋率等修正系数。

　　其中不同配筋率的修正系数见表1.也即限制收缩与自由收缩之比，随配筋率提高而减小。

　　表1

　　配筋率（％）　0.00 0.15 0.20 0.25 0.30 0.40 0.50

　　修正系数M　　1.00 0.68 0.61 0.55 0.50 0.43 0.40

　　（二）设计问题

　　钢筋砼结构是由砼和钢筋共同承担极限状态的承载力，结构设计师根据地基情况，静、动荷载、环境因素、结构耐久性等控制荷载裂缝。这里不作讨论。从国内外有关规范可知，对结构变形作用引起的裂缝问题，客观上存在两类学派：

　　第一类，设计规范规定很灵活，没有验算裂缝的明确规定，设计方法留给设计人员自由处理。基本上采取“裂了就堵、堵不住就排”的实际处理手法。

　　第二类，设计规范有明确规定，对于荷载裂缝有计算公式并有严格的允许宽度限制。对于变形裂缝没有计算规定，只按规范留伸缩缝，即留缝就不裂的设计原则。

　　大量工程实践证明，留缝与否，并不是决定结构变形开裂与否的唯一条件，留缝不一定不裂，不留缝不一定裂，是否开裂与许多因素有关。我们认为，控制裂缝应该防患于未然，首先尽量预防有害裂缝，重点在防。我国结构工程向长大化、复杂化发展，砼设计强度等级向C40～C60发展，设计师多注重结构安全，而对变形裂缝控制考虑不周，这也是结构裂缝发生增多的原因之一。

　　（三）施工管理问题

　　砼配合比设计是否科学合理，水泥与外加剂是否相适应，砂石级配及其含泥量是否符合规范要求，砼坍落度控制是否合理，这些都影响到砼的质量及其收缩变形。

　　砼浇筑震捣不均匀密实，施工缝和细部处理马虎，会带来结构开裂的后患；过震则使浮浆过厚，抹压又不及时，则砼表面出现塑性裂缝，十分难看。

　　边墙拆摸板过早（1～3d），砼水化热正处于高峰，内外温差最大；砼易“感冒”开裂。

　　砼养护十分重要，但许多施工单位忽视这一环节，尤其是墙体和柱梁的保温保湿养护不到位，容易产生收缩裂缝。某些露天构筑物尽管当地湿度很大，但由于吹风影响，加速了砼水分蒸发速度，亦即增加干缩速度，容易引起早期表面裂缝，风速对水分蒸发速度的影响见表2.这也许是夏季比秋冬季，南方比北方出现结构裂缝较多的原因。

　　从已建工程调查中发现，底板养护较好，出现裂缝概率较低，而底板上外墙裂缝概率很高约占80％，这与保温保湿养护不足有很大关系。

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