地下空間結構裂縫控制與防水新技術

李　勇　王世展

摘 要：本文分析建筑結構裂縫產生的各種原因，提出從材料、設計施工和維護方面控制裂縫的技術措施。介紹我國現行防水技術規范；新型防水材料及其應用技術。

關鍵詞：地下空間結構；裂縫控制；防水新技術

1 前言

鋼筋砼結構出現裂縫是不可避免的，在保證結構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，隨著鋼筋砼結構的長大化和復雜化，以及商品砼的大量推廣和砼強度等級的提高，結構裂縫出現機率大大增加，有些已危及結構的安全性和耐久性，有的地下工程裂滲已影響其使用功能。建設部對此十分重視，召開多次學術研討會，工程界各方專家提出許多技術措施，認為控制裂縫是個系統工程。針對地下工程裂滲比較普遍的現象，我國研制許多新型防水材料，建設部提出今后主要開發應用環保型的中、高檔防水材料，剛柔結合，全面提高我國防水工程的質量和耐久性。

2 結構裂縫產生的原因

結構裂縫產生的原因很復雜，根據國內外的調查資料，引起裂縫有兩大類原因，一種由外荷載（如靜、動荷載）的直接應力和結構次應力引起的裂縫，其機率約20%；一種是結構因溫度、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，其機率約80%。裂縫發生與材料、設計、施工和維護有關，現作以下分析。

2.1 材料缺陷

在變形裂縫中收縮裂縫占有80%的比例，從砼的性質來說大概有：

2.1.1 干燥收縮

研究表明，水泥加水后變成水泥硬化體，其絕對體積減小。每100克水泥水化后的化學減縮值為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克水泥漿體可蒸發水約6ml，如砼水泥用量為350kg/m3，當砼在干燥條件下，則蒸發水量達21L/m3。毛細孔縫中水逸出產生毛細壓力，使砼產生“毛細收縮”。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。

2.1.2 溫差收縮

水泥水化是個放熱過程，其水化熱為165～250焦爾/克，隨砼水泥用量提高，其絕熱溫升可達50～80℃。研究表明，當砼內外溫差10℃時，產生的冷縮值εc=△T/α=10/110-5=0.01%，如溫差為20～30℃時，其冷縮值為0.02～0.03％，當其大于砼的極限拉伸值時，則引起結構開裂。

2.1.3 塑性收縮

砼初凝之前出現泌水和水份急劇蒸發，引起失水收縮，此時骨料與水泥之間也產生不均勻的沉縮變形，它發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1％左右。在砼表面上，特別在抹壓不及時和養護不良的部位出現龜裂，寬度達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，環境溫度高，表面失水大等都能導致砼塑性收縮而發生表面開裂現象。

2.2 自生收縮

密封的砼內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細孔中的水分不飽和而產生負壓，因而引起砼的自生收縮。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛細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，早期強度較高的發展率會使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對濕度低于80%。而HPC結構致密，外界水泥很難滲入補充，在這種條件下開始產生自干收縮。研究表明，齡期2個月水膠比為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，濕度梯度首先引發表面裂縫，隨后引發內部微裂縫，若砼變形受到約束，則進一步產生收縮裂縫。這是高標號砼容易開裂的主要原因之一。

2.3 減水劑的影響

人們發現，自八十年代中期推廣商品（泵送）砼以來，結構裂縫普遍增多，這是為什么呢？除了與砼的水泥用量和砂率提高有關外，人們忽視了減水劑引起的負面影響。例如過去干硬性及預制砼的收縮變形約為4～6×10-4，而現在泵送砼收縮變形約為6～8×10－4，使得砼裂縫控制的技術難度大大增加。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，但是它與基準砼的收縮值相比，卻增加120～130%。所以，在《砼減水劑》規范GB138076-97中規定摻減水劑的砼與基準砼的收縮比≤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構開裂機率大與減水劑帶來負面影響有關。其機理尚不清楚。

以上是從水泥砼物理化學特性分析其各種收縮現象，早期塑性收縮會導致結構出現表面裂縫，砼進入硬化階段后，砼水化熱使結構產生溫差收縮和干燥收縮（包括自干收縮），這是誘發裂縫的主要原因。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面影響也是一個重要因素。

2.4 砼后期膨脹出現裂縫，主要是：

水泥中游離CaO過高，Ca(OH)2體積膨脹所致；水泥中MgO過高，Mg(OH)2體積膨脹所致；水泥和外加劑堿含量過高，與集料中活性硅等發生堿-集料反應所致；有害離子Cl-、SO4、Mg++等侵入砼內部，導致鋼筋銹蝕或形成二次鈣礬石膨脹破壞所致。

3 施工管理問題

砼配合比設計是否科學合理，水泥與外加劑是否相適應，砂石級配及其含泥量是否符合規范要求，砼坍落度控制是否合理，這些都影響到砼的質量及其收縮變形。

砼澆筑震搗不均勻密實，施工縫和細部處理馬虎，會帶來結構開裂的后患；過震則使浮漿過厚，抹壓又不及時，則砼表面出現塑性裂縫，十分難看。

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

砼養護十分重要，但許多施工單位忽視這一環節，尤其是墻體和柱梁的保溫保濕養護不到位，容易產生收縮裂縫。某些露天構筑物盡管當地濕度很大，但由于吹風影響，加速了砼水分蒸發速度，亦即增加干縮速度，容易引起早期表面裂縫，這也許是夏季比秋冬季，南方比北方出現結構裂縫較多的原因。

從已建工程調查中發現，底板養護較好，出現裂縫概率較低，而底板上外墻裂縫概率很高約占80％，這與保溫保濕養護不足有很大關系。

除上述技術因素外，施工管理不嚴，趕進度，偷工減料，工人素質差，施工馬虎等也是造成結構裂縫的人為因素。

4 對維護缺乏認識

我們發現不少結構是在澆筑完3～6個月，甚至在1～2年內出現裂縫。除荷載問題外，主要是環境溫度和風速引起的收縮變形所致。有些地下室不及時復土；上部結構不及時做好封閉；出入口長期敞開，屋面防水層破壞不及時修補等。這些與施工和業主對結構維護缺乏認識有關。鋼筋砼結構與其他物件一樣都存在“熱脹冷縮”的特征，尤其超長結構更為明顯，所以，應重視已澆結構的保溫保濕維護工作。

總結

工程實踐表明，結構裂縫的發生的原因很復雜，也是不可避免的。如對建筑物抗裂要求過嚴，必將付出巨大的經濟代價。科學的要求應是將其有害程度控制在允許范圍內。這些關于裂縫的預測、預防和處理工作，統稱之為“建筑物的裂縫控制”。我國科技界和工程界正在不斷探索，有許多成功經驗值得借鑒。