建筑結(jié)構(gòu)變形縫密封設(shè)計(jì)及選材.doc

建筑結(jié)構(gòu)變形縫密封設(shè)計(jì)及選材馬啟元 教授級高級工程師，中國膠粘劑工業(yè)協(xié)會顧問，中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會門窗幕墻委員會專家組成員QYM2008YAHOO.COM,CN摘 要 結(jié)合示例分析變形縫間距和接縫寬度尺寸的合理設(shè)定，探討嵌縫密封材料的選擇及細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)原則。關(guān)鍵詞 建筑 接縫 密封 設(shè)計(jì) 選材1. 前言建筑裂縫和滲漏不僅影響住宅建筑使用功能，而且會加速鋼筋腐蝕、混凝土酸化和凍融破壞，成為影響結(jié)構(gòu)安全的隱患。建筑屋面、外墻面、外窗套、露臺、樓地面和地下室裂縫和滲漏是業(yè)主投訴較多的質(zhì)量問題，分析原因時往往較多地歸罪于施工和材料，較少涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“先天不足”缺陷 張廷榮等，建筑工程抗裂堵漏，河南科學(xué)技術(shù)出版社，2001。眾所周知，任一個建筑都設(shè)有變形縫，用以控制澆筑混凝土的收縮變形及各種變位可能產(chǎn)生的破壞應(yīng)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按可靠度和承載力極限設(shè)定伸縮縫的位置、寬度和構(gòu)造并在施工中預(yù)留，而對接縫防水密封常見的標(biāo)注是“嵌填密封膠保證密封”，缺失對密封材料位移承受能力的驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)尺寸的細(xì)化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致無效密封。本文試結(jié)合示例分析變形縫間距和接縫寬度尺寸的合理設(shè)定，探討嵌縫密封材料的選擇及細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)原則供業(yè)內(nèi)參考，不妥之處請給予指正。2. 結(jié)構(gòu)安全對變形縫設(shè)定的考慮1) 構(gòu)件接縫位移的基本考慮建筑材料尺寸隨溫度變化而變化，隨水分的吸收或喪失而膨脹或收縮，這種自然變形呈現(xiàn)的尺寸變化將集中引起相鄰構(gòu)件間接接縫尺寸伸縮變化，即接縫位移。在相同條件下，接縫位移量的大小取決于構(gòu)件長度和材料線膨脹系數(shù)，取決于材料對水及環(huán)境濕度的敏感程度。材料的自然膨脹或收縮受到約束或者相鄰構(gòu)件的間隙尺寸過小或連接無法調(diào)節(jié)時，構(gòu)件的形變（接縫位移）受到限制或阻撓，材料將會產(chǎn)生超過極限狀態(tài)的應(yīng)力，在一個或多個應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生裂縫或結(jié)構(gòu)性開裂或者造成構(gòu)件端部破壞，嚴(yán)重時出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性撓曲會造成難以控制的裂縫或更大的危害，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首要關(guān)注的問題。結(jié)構(gòu)變形和位移的調(diào)節(jié)和控制措施是限制結(jié)構(gòu)體的尺寸，設(shè)置伸縮縫將超長結(jié)構(gòu)合理地分隔成多個獨(dú)立單元，將變形位移量減小到能安全控制的程度，考慮到結(jié)構(gòu)防水就必須同時對貫通的變形縫進(jìn)行嵌填密封，保證變形和位移不受約束并防止?jié)B水對結(jié)構(gòu)的危害。2) 變形縫間隔距離的設(shè)定混凝土水化凝固過程中體積收縮，最終收縮率一般為0.04%0.08%，由于內(nèi)外的不均勻性，混凝土（特別是表面）的收縮受約束同時產(chǎn)生拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)配筋率影響混凝土的收縮應(yīng)力，配筋率越高混凝土的極限拉伸應(yīng)變越低，當(dāng)收縮變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過極限應(yīng)力時，必然造成混凝土開裂。規(guī)范已經(jīng)給出不同類型墻體變形縫最大間距限值 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，GB 50010 砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，GB 50003 建筑地面設(shè)計(jì)規(guī)范，GB 50037，可通過極限拉伸應(yīng)變來計(jì)算 張鐵夢，工程結(jié)構(gòu)裂縫控制，中國建筑工業(yè)出版社，1997。示例：高度3m的混凝土墻體在澆筑5d后的C30底板上澆筑，其水平阻力系數(shù)0.5N/mm3，混凝土水化熱溫升與環(huán)境平均溫度的綜合溫差為24，構(gòu)造配筋率P為0.69%，鋼筋直徑16mm?；炷恋膹椥阅Ａ?104 N/mm2，線膨脹系數(shù)1105/。按式1計(jì)算混凝土的極限拉伸應(yīng)變p：p0.5Rf(1+P/d)104 （1）式中：p混凝土的極限拉伸應(yīng)變RfC30混凝土拉伸強(qiáng)度（2.01N/mm2） P 配筋率（0.69%） d鋼筋直徑（16mm）代入數(shù)據(jù)：p0.52.01（10.69/1.6）1042.30104 變形縫最大間距按下式計(jì)算：L = （2）式中： L 變形縫的最大間距（即構(gòu)件最大長度），m E 混凝土的彈性模量（示例如：3104 N/mm2）H 墻體高度 （示例如：3000mm）Cx 水平阻力系數(shù) （示例如澆筑C30混凝土墻體，Cx 0.5 N/mm3）混凝土線膨脹系數(shù)，1105/T混凝土水化熱溫升與環(huán)境平均溫度的綜合溫差（示例如24）p混凝土的極限拉伸應(yīng)變，0.23代入示例數(shù)據(jù):L = 53346mm = 53.3 m對同類型墻體變形縫最大間距規(guī)范規(guī)定的限值為50 m, 略小于以上計(jì)算值。為保證結(jié)構(gòu)安全本示例縮短構(gòu)件長度，取變形縫的間距為30m。3) 極限拉應(yīng)力的復(fù)核驗(yàn)算取330d 混凝土的平均松弛系數(shù)h(t)為0.48，按式（3）驗(yàn)算變形縫間距L30m時結(jié)構(gòu)的極限拉應(yīng)力，復(fù)核結(jié)構(gòu)極限應(yīng)力的安全性。 （3）式中： h(t) 松弛系數(shù)0.48代入數(shù)據(jù)：= =7.45105max 31041105240.481-1/ch(7.4510-50.5350000.48 7.2(1-ch 1.30375) =1.7 N/mm2混凝土抗拉強(qiáng)度Rf=2.01, 計(jì)算安全系數(shù)（K）： KRf /max =2.01/1.7=1.18， 即K1.15驗(yàn)算表明本例變形縫間距35m能滿足抗裂要求。4) 伸縮縫寬度的設(shè)定變形縫主要考慮混凝土的收縮變形，伸縮縫要考慮使用條件下構(gòu)件由于溫度變化引起的伸縮變形?；炷两Y(jié)構(gòu)完全成型并基本停止收縮以后，對變形縫位移性質(zhì)的考慮將是溫度變化或干濕交變等因素引起的伸縮變形，為保證構(gòu)件變形自由伸縮，不被相鄰構(gòu)件約束而產(chǎn)生破壞應(yīng)力，這就要求伸縮縫寬度（B）至少應(yīng)大于給定的伸縮變形量（L）。伸縮縫的典型構(gòu)造型式如圖1，規(guī)范給出縫寬（B）的最低限值不小于30mm，給出式4計(jì)算變形位移量公式。如果夏季日照下構(gòu)件最高溫度為50，冬季最低溫度為10，已知混凝土線膨脹系數(shù)為1105/，構(gòu)件長度35m，則可按式4計(jì)算構(gòu)件的伸縮位移量并驗(yàn)證伸縮縫寬度選擇的充分性。圖1 伸縮縫典型構(gòu)造 L=F (T1-T2) L （4）式中：L結(jié)構(gòu)溫差位移伸縮量，mmF混凝土線膨脹系數(shù)（1105）/T1夏季構(gòu)件的最高溫度（50）T2冬季最低溫度， （10）L構(gòu)件長度（變形縫間距）（35000mm）代入數(shù)據(jù)：L=1105 (50（10）) 3500021 mm驗(yàn)算表明，伸縮縫寬度（B=30mm）大于結(jié)構(gòu)伸縮計(jì)算位移量（21mm），符合安全條件。5) 控制縫的設(shè)定圖2 控制縫典型構(gòu)造控制縫又稱縮縫，典型構(gòu)造如圖2，作用是將構(gòu)件的收縮變形誘導(dǎo)并集中在該接縫上，或沿該接縫預(yù)定方向開裂釋放收縮應(yīng)力，防止其他部位無序裂縫。規(guī)范條文說明混凝土和非燒結(jié)磚墻體的吸濕前后的干縮率較大，一般是0.20.4mm/m, 為燒結(jié)轉(zhuǎn)的23倍，建議將墻體分割成更小的區(qū)段并在砌體上設(shè)置控制縫，并以彈塑性密封膠嵌縫阻止控制縫的滲漏 砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 條文說明，中國建筑工業(yè)出版社，124126，2002?？刂瓶p的設(shè)定會加大工程量，提高施工成本，但有利于建筑安全和可靠的防水密封，減少建筑使用中為修補(bǔ)裂縫和防水堵漏帶來的花費(fèi)。如示例長度35m伸縮量為21mm構(gòu)件的接縫寬度必須設(shè)定為100mm以上才能將位移量控制在20%，但若設(shè)置控制縫，將構(gòu)件分成5個區(qū)段（分別為7m），各區(qū)段收縮位移量將減小為構(gòu)件的1/5即4mm，這樣設(shè)計(jì)將滿足規(guī)范對控制縫寬度不大于20mm的規(guī)定，并保證位移能力20的密封膠適用。3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與密封防水的相關(guān)性建筑結(jié)構(gòu)上的縫隙都可能成為滲漏水的通道，包括變形縫、伸縮縫、控制縫、膨脹縫、施工縫、后澆縫和穿墻管縫等，為防止溫度變化、干濕交變、變動荷載、不均勻沉降等諸多因素作用下接縫位移變形導(dǎo)致的滲漏，建筑設(shè)計(jì)規(guī)范及工程技術(shù)規(guī)范要求嵌填彈塑性材料保證密封 GB 50037建筑地面設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50208地下防水工程驗(yàn)收規(guī)范，問題是嵌縫材料能否嵌入？嵌入的材料能保證密封？這不僅取決于嵌縫材料自身的性能，而且與結(jié)構(gòu)預(yù)留的接縫是否適于密封相關(guān)，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)留接縫的尺寸不足或構(gòu)件的位移量過大，超出了現(xiàn)有密封材料的承受能力，這將成為防水工程的“先天缺陷”，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)了解建筑防水密封材料，了解建筑防水技術(shù)規(guī)范，提高結(jié)構(gòu)密封防水的耐久性，改善結(jié)構(gòu)的安全性。1) 密封材料承受接縫位移的能力密封材料是以非定型狀態(tài)嵌填接縫并與接縫表面粘接在一起實(shí)現(xiàn)密封的材料，在接縫伸縮運(yùn)動位移時產(chǎn)生彈性或塑性變形，在額定范圍內(nèi)不脫粘、不開裂并保持密封性。目前密封材料的類型有硅酮（SR）、聚硫(PS)、聚氨酯(PU)、丙烯酸(AC)、丁基(BR) 、瀝青、油性樹脂等，產(chǎn)品性能及價(jià)格水平差異甚大 建筑防水材料手冊,中國建筑出版社,2002年。如何選擇？主要依據(jù)是密封膠的功能和位移能力級別。以混凝土建筑接縫密封膠為例，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的位移能力級別有25級、20級、12.5級及7.5級，表1列出不同級別產(chǎn)品的主要性能差別，包括循環(huán)熱壓縮冷拉伸的位移幅度、彈性恢復(fù)能力、拉伸粘結(jié)性、恒定拉伸下的粘結(jié)穩(wěn)定性等。其中能表征嵌縫膠對位移承受能力的主要是熱壓縮冷拉伸循環(huán)位移幅度試驗(yàn)，即在70下保持壓縮7天（相當(dāng)于構(gòu)件熱膨脹持續(xù)壓縮嵌縫膠），然后在20下保持拉伸七天（相當(dāng)于構(gòu)件冷收縮持續(xù)拉伸嵌縫膠），檢驗(yàn)產(chǎn)品經(jīng)多次循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)位移能力（） 混凝土建筑接縫密封膠，JC/T 881-2001 11 ASTM C1472-06 Standard Guide for Calculating Movement and Other Effects When Establishing Sealant Joint Width。符合7.5級及12.5P級的產(chǎn)品一般是瑪蹄脂、瀝青油膏、塑料油膏及油灰等低檔熱塑性密封膏，承受熱壓縮冷拉位移能力最低級；12.5E級25級密封膠為彈性體，可承受位移量分別為12.525，包括乳液型丙烯酸密封膠及聚硫、聚氨酯及硅酮等橡膠性密封膠。不同功能及級別密封膠產(chǎn)品外包裝上有明顯標(biāo)記，如標(biāo)記為“1-N-25-LM JC/T881”即為單組分-非下垂型-25級-低模量-符合JC/T881標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，產(chǎn)品級別不同，耐久性差別明顯，價(jià)格懸殊。建筑工程應(yīng)不采購、不使用無標(biāo)記的密封膠或?qū)⑵湟暈樽畹图壆a(chǎn)品。表1 混凝土建筑接縫密封膠不同級別產(chǎn)品的主要性能差異序號項(xiàng) 目產(chǎn) 品 級 別25LM25HM20LM20HM12.5E12.5P7.53彈性恢復(fù)率，80604040404拉伸粘接性拉伸模量，MPa23-200.4和0.6（1000.4或0.6%）0.4和0.6（600.4或0.6%）-斷裂伸長率，%-100205定伸粘結(jié)性 標(biāo)準(zhǔn)條件伸長率100%無破壞伸長率60%無破壞-浸水后6熱壓-冷拉后粘結(jié)性（反復(fù)拉壓幅度，%）2525202012.5-7拉壓循環(huán)后粘結(jié)性（循環(huán)拉壓幅度，%）-12.57.5 8浸水后斷裂伸長率，%-100209質(zhì)量損失，% 10252510體積收縮率*，%2525252) 結(jié)構(gòu)密封接縫預(yù)留尺寸的驗(yàn)算和設(shè)定在對嵌縫密封膠基本性能了解的基礎(chǔ)上，應(yīng)通過驗(yàn)算設(shè)定結(jié)構(gòu)伸縮縫寬度，為嵌縫預(yù)留適宜的空間。規(guī)范規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)變形縫的最大寬度(W)30mm，若構(gòu)件的間距為35m，溫差位移量(w)21mm, 按圖1形式接縫，在溫差位移下嵌填的密封膠不能改變體積只能改變形狀（圖3），密封膠將被構(gòu)件拉長或壓縮，在寬度方向的最大變形量（%）按式（5）計(jì)算：%100b/ b （5）代入數(shù)據(jù)： %10021/ 3070若計(jì)算條件是假設(shè)結(jié)構(gòu)接縫僅承擔(dān)一個單元的位移量，或以每一單元分布在兩端的溫差位移量相等，則接縫密封膠承受35的變形位移（圖3a），已超出產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的位移能力級別，如果開發(fā)位移能力適用的密封膠（如50%/+100%的硅酮型嵌縫膠），價(jià)格較為昂貴。如果計(jì)算條件是假設(shè)結(jié)構(gòu)接縫承擔(dān)兩個單元的全部位移量，則密封膠將承受70位移，現(xiàn)在不僅沒有一種密封膠能承受這樣大的位移，而且過量的壓縮拉伸變形反復(fù)作用下密封膠能否完整存留將成問題（圖3b）。由圖3可見炎熱條件下嵌縫膠被過量壓縮并從接縫中擠出，典型情況常見于墻體、地面和路面瀝青油膏的嵌縫，受熱狀態(tài)下擠出的軟化嵌縫膠可能被磨蝕，在冬季低溫下開裂滲漏?？梢娊Y(jié)構(gòu)設(shè)定的接縫寬度過于狹窄，必須修改設(shè)計(jì)減小變形縫間距，加大接縫寬度，降低接縫的相對位移量。(a) 接縫位移量為35（b） 位移量為70 冷拉伸變形位移 熱壓縮變形位移圖3 位移接縫密封狀態(tài)接縫寬度尺寸及位移量設(shè)定應(yīng)同選用密封膠的位移能力級別相關(guān)聯(lián)。若優(yōu)先設(shè)定接縫寬度（WM），選用密封膠位移能力級別(S)必須按式6驗(yàn)算；若優(yōu)先選定密封膠的級別，則接縫寬度應(yīng)按式7驗(yàn)算： （6） （7） 式中：L接縫的線性位移量，mm S密封膠位移能力，（7.5 、12.5 、15 、25）以前例混凝土墻接縫間距7m，寬度20mm,位移量為4mm，驗(yàn)算密封膠級別應(yīng)為20級： 若選用密封耐久性較差的12.5級密封膠（價(jià)格低廉），驗(yàn)算接縫寬度應(yīng)為32mm： 即采用12.5級低檔密封膠必須增大接縫寬度為32mm，用膠量將增加一倍以上（因?yàn)楸仨毾鄳?yīng)增大接縫密封厚度），造價(jià)不一定合算，而且密封耐久性下降，將來的維護(hù)費(fèi)用增加，綜合經(jīng)濟(jì)成本并不合算。3) 對更多結(jié)構(gòu)因素的考慮為保證接縫密封可靠性，接縫密封設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)最不利狀態(tài)，考慮會引起構(gòu)件位移量增大的更多因素，以保證結(jié)構(gòu)有效密封，基本考慮有以下原則：1） 端部位移量取決于構(gòu)件有效長度，即該構(gòu)件在相繼方向上自由移動長度；2） 除設(shè)計(jì)中設(shè)有足夠的錨固者外，必須假定結(jié)構(gòu)接縫要承擔(dān)兩單元的全部位移量，這樣考慮較為安全；3） 計(jì)算接縫溫差位移量必須用構(gòu)件實(shí)際溫度，不能簡單采用環(huán)境氣溫計(jì)算；4） 當(dāng)被連接的兩個構(gòu)件使用不同類型材料時，計(jì)算它們對接縫位移量的影響應(yīng)分別使用不同材料相應(yīng)的計(jì)算系數(shù)。此外，按照接縫的形狀不同還應(yīng)考慮不同材料發(fā)生的位移量差異可能引起接縫構(gòu)造的次生變形；5） 參照類似結(jié)構(gòu)中類似接縫實(shí)際位移量的資料，新設(shè)計(jì)補(bǔ)充理論計(jì)算