摘要：本文分析建筑結構裂縫產(chǎn)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(shù)措施。介紹我國現行防水技術(shù)規范；新型防水材料及其應用技術(shù)。 


關(guān)鍵詞：地下空間結構 裂縫控制 防水新技術(shù) 一、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(lái)，隨著(zhù)鋼筋砼結構的長(cháng)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(kāi)多次學(xué)術(shù)研討會(huì )，工程界各方專(zhuān)家提出許多技術(shù)措施，認為控制裂縫是個(gè)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(kāi)發(fā)應用環(huán)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(zhì)量和耐久性。
　　本人根據長(cháng)期的科學(xué)研究和大量工程實(shí)踐，提出鋼筋砼結構裂縫控制和防水一些新技術(shù)，供工程界參考，不妥之處請指正。
　　二、結構裂縫產(chǎn)生的原因
　　結構裂縫產(chǎn)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(lèi)原因，一種由外荷載（如靜、動(dòng)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(fā)生與材料、設計、施工和維護有關(guān)，現作以下分析。
　�。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(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，當砼在干燥條件下，則蒸發(fā)水量達21L/m3。毛細孔縫中水逸出產(chǎn)生毛細壓力，使砼產(chǎn)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．溫差收縮
　　水泥水化是個(gè)放熱過(guò)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(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％，當其大于砼的極限拉伸值時(shí)，則引起結構開(kāi)裂。


　　3．塑性收縮
　　砼初凝之前出現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(chēng)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(shí)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(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致砼塑性收縮而發(fā)生表面開(kāi)裂現象。
　　4．自生收縮
　　密封的砼內部相對濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低，稱(chēng)為自干燥。自干燥造成毛細孔中的水分不飽和而產(chǎn)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(fā)展率會(huì )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(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。這是高標號砼容易開(kāi)裂的主要原因之一。
　　5．減水劑的影響
　　人們發(fā)現，自八十年代中期推廣商品（泵送）砼以來(lái)，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(guān)外，人們忽視了減水劑引起的負面影響。例如過(guò)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(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，但是它與基準砼的收縮值相比，卻增加120～130%（見(jiàn)圖1）。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(lèi)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)明商品砼澆筑的結構開(kāi)裂機率大與減水劑帶來(lái)負面影響有關(guān)。其機理尚不清楚。
　　以上是從水泥砼物理化學(xué)特性分析其各種收縮現象，早期塑性收縮會(huì )導致結構出現表面裂縫，砼進(jìn)入硬化階段后，砼水化熱使結構產(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面影響也是一個(gè)重要因素。
　　6．砼后期膨脹出現裂縫，主要是：
　�。�1）水泥中游離CaO過(guò)高，Ca(OH)2體積膨脹所致；
　�。�2）水泥中MgO過(guò)高，Mg(OH)2體積膨脹所致；
　�。�3）水泥和外加劑堿含量過(guò)高，與集料中活性硅等發(fā)生堿-集料反應所致；


　�。�4）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。
　　7．結構物在任意內應力作用下，除瞬間彈性變形外，其變形值隨時(shí)間的延長(cháng)而增加的現象稱(chēng)為徐變變形。砼拉徐變時(shí)對抗裂有利，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算一并加以考慮。砼收縮經(jīng)驗公式很多，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、養護和不同配筋率等修正系數。
　　其中不同配筋率的修正系數見(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Ｍ　　1.000.680.610.550.500.430.40
　�。ǘ�）設計問(wèn)題
　　鋼筋砼結構是由砼和鋼筋共同承擔極限狀態(tài)的承載力，結構設計師根據地基情況，靜、動(dòng)荷載、環(huán)境因素、結構耐久性等控制荷載裂縫。這里不作討論。從國內外有關(guān)規范可知，對結構變形作用引起的裂縫問(wèn)題，客觀(guān)上存在兩類(lèi)學(xué)派：
第一類(lèi)，設計規范規定很靈活，沒(méi)有驗算裂縫的明確規定，設計方法留給設計人員自由處理�；�本上采取“裂了就堵、堵不住就排”的實(shí)際處理手法。
第二類(lèi)，設計規范有明確規定，對于荷載裂縫有計算公式并有嚴格的允許寬度限制。對于變形裂縫沒(méi)有計算規定，只按規范留伸縮縫，即留縫就不裂的設計原則。
　　大量工程實(shí)踐證明，留縫與否，并不是決定結構變形開(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)。我們認為，控制裂縫應該防患于未然，首先盡量預防有害裂縫，重點(diǎn)在防。我國結構工程向長(cháng)大化、復雜化發(fā)展，砼設計強度等級向C40～C60發(fā)展，設計師多注重結構安全，而對變形裂縫控制考慮不周，這也是結構裂縫發(fā)生增多的原因之一。
　�。ㄈ�）施工管理問(wèn)題
　　砼配合比設計是否科學(xué)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(zhì)量及其收縮變形。
　　砼澆筑震搗不均勻密實(shí)，施工縫和細部處理馬虎，會(huì )帶來(lái)結構開(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，內外溫差最大；砼易“感冒”開(kāi)裂。


　　砼養護十分重要，但許多施工單位忽視這一環(huán)節，尤其是墻體和柱梁的保溫保濕養護不到位，容易產(chǎn)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(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，南方比北方出現結構裂縫較多的原因。
　　從已建工程調查中發(fā)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(guān)系。
除上述技術(shù)因素外，施工管理不嚴，趕進(jìn)度，偷工減料，工人素質(zhì)差，施工馬虎等也是造成結構裂縫的人為因素。
　�。ㄋ模�對維護缺乏認識
　　我們發(fā)現不少結構是在澆筑完3～6個(gè)月，甚至在1～2年內出現裂縫。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)復土；上部結構不及時(shí)做好封閉；出入口長(cháng)期敞開(kāi)，屋面防水層破壞不及時(shí)修補等。這些與施工和業(yè)主對結構維護缺乏認識有關(guān)。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(cháng)結構更為明顯，所以，應重視已澆結構的保溫保濕維護工作。
　　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。裂縫形狀與結構受力狀態(tài)有直接關(guān)系。裂縫分為愈合、閉合、運動(dòng)、穩定的及不穩定的等。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。有的裂縫在壓應力作用下閉合了。有的裂縫在周期性溫差和周期性反復荷載作用下產(chǎn)生周期性的擴展和閉合，稱(chēng)為裂縫的運動(dòng)，但這是穩定的運動(dòng)。有些裂縫產(chǎn)生不穩定的擴展，視其擴展部位，應考慮加固措施。
　　根據國內外設計規范及有關(guān)試驗資料，砼最大裂縫寬度的控制標準大致如下：
　　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構安全和耐久性，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了。樓面裂縫0.3～0.4mm，對結構是安全，視為無(wú)害裂縫，可不作處理。對于受力的梁、柱，涉及結構安全，裂縫要妥當處理。
　　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，根據工程調查，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，從理論上講防水結構物是不允許裂縫的，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。當然，對有滲水裂縫要及時(shí)處理，這并不是難題。
　　工程實(shí)踐表明，結構裂縫的發(fā)生的原因很復雜，也是不可避免的。如對建筑物抗裂要求過(guò)嚴，必將付出巨大的經(jīng)濟代價(jià)�？茖W(xué)的要求應是將其有害程度控制在允許范圍內。這些關(guān)于裂縫的預測、預防和處理工作，統稱(chēng)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(jīng)驗值得借鑒。