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地下空间结构裂缝控制与防水新技术

来源:233网校 2008年4月8日

  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。

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