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地下空間結(jié)構(gòu)裂縫控制與防水新技術(shù)

2005-10-16 00:00    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  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)。

  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,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。

 。ㄒ唬┎牧先毕

  在變形裂縫中收縮裂縫占有80%的比例,從砼的性質(zhì)來說大概有:

  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。問題的要害是:HPC自收縮過程開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,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。這說明商品砼澆筑的結(jié)構(gòu)開裂機(jī)率大與減水劑帶來負(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:

  (1)水泥中游離CaO過高,Ca(OH)2體積膨脹所致;

 。2)水泥中MgO過高,Mg(OH)2體積膨脹所致;

  (3)水泥和外加劑堿含量過高,與集料中活性硅等發(fā)生堿-集料反應(yīng)所致;

 。4)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(%) 0.00 0.15 0.20 0.25 0.30 0.40 0.50

  修正系數(shù)M  1.00 0.68 0.61 0.55 0.50 0.43 0.40

 。ǘ┰O(shè)計(jì)問題

  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;旧喜扇 傲蚜司投隆⒍虏蛔【团拧钡膶(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。

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  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)帶來結(jié)構(gòu)開裂的后患;過震則使浮漿過厚,抹壓又不及時(shí),則砼表面出現(xiàn)塑性裂縫,十分難看。

  邊墻拆摸板過早(1~3d),砼水化熱正處于高峰,內(nèi)外溫差最大;砼易“感冒”開裂。

  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,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,開始有些滲漏,水通過裂縫同水泥結(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,可穿過任何肉眼可見的裂縫,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,開始漏水量5L/h,一年后只有10mL/h,這說明裂縫逐漸自愈。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。

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