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建筑结构变形缝密封设计及选材
马启元 教授级高级工程师，中国胶粘剂工业协会顾问，中国建筑金属结构协会门窗幕墙委员会专家组成员

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摘 要 结合示例分析变形缝间距和接缝宽度尺寸的合理设定，探讨嵌缝密封材料的选择及细部构造设计原则。
关键词 建筑 接缝 密封 设计 选材
1. 前言
建筑裂缝和渗漏不仅影响住宅建筑使用功能，而且会加速钢筋腐蚀、混凝土酸化和冻融破坏，成为影响结构安全的隐患。建筑屋面、外墙面、外窗套、露台、楼地面和地下室裂缝和渗漏是业主投诉较多的质量问题，分析原因时往往较多地归罪于施工和材料，较少涉及结构设计的“先天不足”缺陷 张廷荣等，建筑工程抗裂堵漏，河南科学技术出版社，2001
。众所周知，任一个建筑都设有变形缝，用以控制浇筑混凝土的收缩变形及各种变位可能产生的破坏应力。结构设计按可靠度和承载力极限设定伸缩缝的位置、宽度和构造并在施工中预留，而对接缝防水密封常见的标注是“嵌填密封胶保证密封”，缺失对密封材料位移承受能力的验算和结构尺寸的细化设计，导致无效密封。本文试结合示例分析变形缝间距和接缝宽度尺寸的合理设定，探讨嵌缝密封材料的选择及细部构造设计原则供业内参考，不妥之处请给予指正。
2. 结构安全对变形缝设定的考虑
1) 构件接缝位移的基本考虑
建筑材料尺寸随温度变化而变化，随水分的吸收或丧失而膨胀或收缩，这种自然变形呈现的尺寸变化将集中引起相邻构件间接接缝尺寸伸缩变化，即接缝位移。在相同条件下，接缝位移量的大小取决于构件长度和材料线膨胀系数，取决于材料对水及环境湿度的敏感程度。材料的自然膨胀或收缩受到约束或者相邻构件的间隙尺寸过小或连接无法调节时，构件的形变（接缝位移）受到限制或阻挠，材料将会产生超过极限状态的应力，在一个或多个应力集中区产生裂缝或结构性开裂或者造成构件端部破坏，严重时出现结构性挠曲会造成难以控制的裂缝或更大的危害，这是结构设计首要关注的问题。结构变形和位移的调节和控制措施是限制结构体的尺寸，设置伸缩缝将超长结构合理地分隔成多个独立单元，将变形位移量减小到能安全控制的程度，考虑到结构防水就必须同时对贯通的变形缝进行嵌填密封，保证变形和位移不受约束并防止渗水对结构的危害。
2) 变形缝间隔距离的设定
混凝土水化凝固过程中体积收缩，最终收缩率一般为0.04%～0.08%，由于内外的不均匀性，混凝土（特别是表面）的收缩受约束同时产生拉应力，结构配筋率影响混凝土的收缩应力，配筋率越高混凝土的极限拉伸应变越低，当收缩变形产生的拉应力超过极限应力时，必然造成混凝土开裂。规范已经给出不同类型墙体变形缝最大间距限值 混凝土结构设计规范，GB 50010
砌体结构设计规范，GB 50003
建筑地面设计规范，GB 50037
，可通过极限拉伸应变来计算 张铁梦工程结构裂缝控制，中国建筑工业出版社，1997
。示例：高度3m的混凝土墙体在浇筑5d后的C30底板上浇筑，其水平阻力系数0.5N/mm3，混凝土水化热温升与环境平均温度的综合温差为24℃，构造配筋率P为0.69%，钢筋直径16mm。混凝土的弹性模量3×104 N/mm2，线膨胀系数1×10－5/℃。按式1计算混凝土的极限拉伸应变εp：
εp＝0.5Rf(1+P/d)×10－4 （1）
式中：εp——混凝土的极限拉伸应变
Rf——C30混凝土拉伸强度（2.01N/mm2）
P ——配筋率（0.69%）
d——钢筋直径（16mm）

代入数据：
εp＝0.5×2.01×（1＋0.69/1.6）×10－4
＝2.30×10－4
变形缝最大间距按下式计算：
L = （2）
式中： L ——变形缝的最大间距（即构件最大长度），m
E ——混凝土的弹性模量（示例如：3×104 N/mm2）
H ——墙体高度 （示例如：3000mm）
Cx ——水平阻力系数 （示例如浇筑C30混凝土墙体，Cx ＝0.5
N/mm3）
α——混凝土线膨胀系数，1×10－5/℃
T——混凝土水化热温升与环境平均温度的综合温差（示例如24℃）
εp——混凝土的极限拉伸应变，0.23‰
代入示例数据:
『L』 =
＝53346mm = 53.3 m
对同类型墙体变形缝最大间距规范规定的限值为50 m, 略小于以上计算值。为保证结构安全本示例缩短构件长度，取变形缝的间距为30m。
3) 极限拉应力的复核验算
取3～30d 混凝土的平均松弛系数h(t)为0.48，按式（3）验算变形缝间距L＝30m时结构的极限拉应力，复核结构极限应力的安全性。
（3）
式中： h(t) ——松弛系数＝0.48
β——
代入数据：
β= =7.45×10－5
σmax＝ 3×104×1×10－5×24×0.48×[1-1/ch(7.45×10-5×0.5×35000×0.48]
＝7.2×(1-ch 1.30375) =1.7 N/mm2
混凝土抗拉强度Rf=2.01, 计算安全系数（K）：
K＝Rf /σmax =2.01/1.7=1.18， 即K>1.15
验算表明本例变形缝间距35m能满足抗裂要求。
4) 伸缩缝宽度的设定
变形缝主要考虑混凝土的收缩变形，伸缩缝要考虑使用条件下构件由于温度变化引起的伸缩变形。混凝土结构完全成型并基本停止收缩以后，对变形缝位移性质的考虑将是温度变化或干湿交变等因素引起的伸缩变形，为保证构件变形自由伸缩，不被相邻构件约束而产生破坏应力，这就要求伸缩缝宽度（B）至少应大于给定的伸缩变形量（ΔL伸缩缝的典型构造型式如图1，规范给出缝宽（B）的最低限值——不小于30mm，给出式4计算变形位移量公式。如果夏季日照下构件最高温度为50℃，冬季最低温度为－10℃，已知混凝土线膨胀系数为1×10－5/℃，构件长度35m，则可按式4计算构件的伸缩位移量并验证伸缩缝宽度选择的充分性。

图1 伸缩缝典型构造
ΔL=αF (T1-T2) L （4）
式中：ΔL——结构温差位移伸缩量，mm
αF——混凝土线膨胀系数（1×10－5）/℃
T1——夏季构件的最高温度℃（50℃）
T2——冬季最低温度， （－10℃）
L——构件长度（变形缝间距）（35000mm）
代入数据：
ΔL=1×10－5× (50－（－10）) ×35000＝21 mm
验算表明，伸缩缝宽度（B=30mm）大于结构伸缩计算位移量（21mm），符合安全条件。
5) 控制缝的设定

图2 控制缝典型构造
控制缝又称缩缝，典型构造如图2，作用是将构件的收缩变形诱导并集中在该接缝上，或沿该接缝预定方向开裂释放收缩应力，防止其他部位无序裂缝。规范条文说明混凝土和非烧结砖墙体的吸湿前后的干缩率较大，一般是0.2~0.4mm/m, 为烧结转的2～3倍，建议将墙体分割成更小的区段并在砌体上设置控制缝，并以弹塑性密封胶嵌缝阻止控制缝的渗漏 砌体结构设计规范 条文说明，中国建筑工业出版社，124～126，2002
。控制缝的设定会加大工程量，提高施工成本，但有利于建筑安全和可靠的防水密封，减少建筑使用中为修补裂缝和防水堵漏带来的花费。如示例长度35m伸缩量为21mm构件的接缝宽度必须设定为100mm以上才能将位移量控制在20%，但若设置控制缝，将构件分成5个区段（分别为7m），各区段收缩位移量将减小为构件的1/5即4mm，这样设计将满足规范对控制缝宽度不大于20mm的规定，并保证位移能力20％的密封胶适用。
3. 结构设计与密封防水的相关性
建筑结构上的缝隙都可能成为渗漏水的通道，包括变形缝、伸缩缝、控制缝、膨胀缝、施工缝、后浇缝和穿墙管缝等，为防止温度变化、干湿交变、变动荷载、不均匀沉降等诸多因素作用下接缝位移变形导致的渗漏，建筑设计规范及工程技术规范要求嵌填弹塑性材料保证密封 GB 50037建筑地面设计规范
GB 50208地下防水工程验收规范
，问题是嵌缝材料能否嵌入？嵌入的材料能保证密封？这不仅取决于嵌缝材料自身的性能，而且与结构预留的接缝是否适于密封相关，如果结构设计预留接缝的尺寸不足或构件的位移量过大，超出了现有密封材料的承受能力，这将成为防水工程的“先天缺陷”，所以结构设计应了解建筑防水密封材料，了解建筑防水技术规范，提高结构密封防水的耐久性，改善结构的安全性。
1) 密封材料承受接缝位移的能力
密封材料是以非定型状态嵌填接缝并与接缝表面粘接在一起实现密封的材料，在接缝伸缩运动位移时产生弹性或塑性变形，在额定范围内不脱粘、不开裂并保持密封性。目前密封材料的类型有硅酮（SR）、聚硫(PS)、聚氨酯(PU)、丙烯酸(AC)、丁基(BR) 、沥青、油性树脂等，产品性能及价格水平差异甚大 建筑防水材料手册,中国建筑出版社,2002年
。如何选择？主要依据是密封胶的功能和位移能力级别。
以混凝土建筑接缝密封胶为例，标准规定的位移能力级别有25级、20级、12.5级及7.5级，表1列出不同级别产品的主要性能差别，包括循环热压缩－冷拉伸的位移幅度、弹性恢复能力、拉伸粘结性、恒定拉伸下的粘结稳定性等。其中能表征嵌缝胶对位移承受能力的主要是热压缩－冷拉伸循环位移幅度试验，即在70℃下保持压缩7天（相当于构件热膨胀持续压缩嵌缝胶），然后在－20℃下保持拉伸七天（相当于构件冷收缩持续拉伸嵌缝胶），检验产品经多次循环往复试验位移能力（％） 混凝土建筑接缝密封胶，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级及12.5P级的产品一般是玛蹄脂、沥青油膏、塑料油膏及油灰等低档热塑性密封膏，承受热压缩－冷拉位移能力最低级；12.5E级～25级密封胶为弹性体，可承受位移量分别为±12.5％～±25％，包括乳液型丙烯酸密封胶及聚硫、聚氨酯及硅酮等橡胶性密封胶。不同功能及级别密封胶产品外包装上有明显标记，如标记为“1-N-25-LM JC/T881”即为单组分-非下垂型-25级-低模量-符合JC/T881标准的产品，产品级别不同，耐久性差别明显，价格悬殊。建筑工程应不采购、不使用无标记的密封胶或将其视为最低级产品。
表1 混凝土建筑接缝密封胶不同级别产品的主要性能差异
序
号
项 目
产 品 级 别
25LM
25HM
20LM
20HM
12.5E
12.5P
7.5
3
弹性恢复率，％
≥80
≥60
≥40
≥40
≥40

4

拉伸粘接性
拉伸模量，MPa
23℃

-20℃
≤0.4
和
≤0.6
（100
＞0.4
或
＞0.6
%）
≤0.4
和
≤0.6
（60
＞0.4
或
＞0.6
%）
-
--
断裂伸长率，%
--
≥100
≥20
5
定伸粘结性
标准条件
伸长率100%
无破坏
伸长率60%
无破坏
-
-
浸水后
6
热压-冷拉后粘结性（反复拉压幅度，%）
±25
±25
±20
±20
±12.5
-
-
7
拉压循环后粘结性（循环拉压幅度，%）
-
±12.5
±7.5
8
浸水后断裂伸长率，%
-
≥100
≥20
9
质量损失，%
≤10
≤25
≤25
10
体积收缩率*，%
≤25
≤25
≤25
2) 结构密封接缝预留尺寸的验算和设定
在对嵌缝密封胶基本性能了解的基础上，应通过验算设定结构伸缩缝宽度，为嵌缝预留适宜的空间。规范规定混凝土结构变形缝的最大宽度(W)30mm，若构件的间距为35m，温差位移量(Δw)21mm, 按图1形式接缝，在温差位移下嵌填的密封胶不能改变体积只能改变形状（图3），密封胶将被构件拉长或压缩，在宽度方向的最大变形量（%）按式（5）计算：
%＝100×Δb/ b （5）
代入数据： %＝100×21/ 30＝70％
若计算条件是假设结构接缝仅承担一个单元的位移量，或以每一单元分布在两端的温差位移量相等，则接缝密封胶承受±35％的变形位移（图3a），已超出产品标准规定的位移能力级别，如果开发位移能力适用的密封胶（如－50%/+100%的硅酮型嵌缝胶），价格较为昂贵。
如果计算条件是假设结构接缝承担两个单元的全部位移量，则密封胶将承受±70％位移，现在不仅没有一种密封胶能承受这样大的位移，而且过量的压缩－拉伸变形反复作用下密封胶能否完整存留将成问题（图3b）。
由图3可见炎热条件下嵌缝胶被过量压缩并从接缝中挤出，典型情况常见于墙体、地面和路面沥青油膏的嵌缝，受热状态下挤出的软化嵌缝胶可能被磨蚀，在冬季低温下开裂渗漏。可见结构设定的接缝宽度过于狭窄，必须修改设计减小变形缝间距，加大接缝宽度，降低接缝的相对位移量。

(a) 接缝位移量为±35％

（b） 位移量为±70％
冷拉伸变形位移 热压缩变形位移
图3 位移接缝密封状态

接缝宽度尺寸及位移量设定应同选用密封胶的位移能力级别相关联。若优先设定接缝宽度（WM），选用密封胶位移能力级别(S)必须按式6验算；若优先选定密封胶的级别，则接缝宽度应按式7验算：
（6）
（7）
式中：
ΔL——接缝的线性位移量，mm
S——密封胶位移能力，％（7.5 、12.5 、15 、25……）
以前例混凝土墙接缝间距7m，宽度20mm,位移量为4mm，验算密封胶级别应为20级：

若选用密封耐久性较差的12.5级密封胶（价格低廉），验算接缝宽度应为32mm：

即采用12.5级低档密封胶必须增大接缝宽度为32mm，用胶量将增加一倍以上（因为必须相应增大接缝密封厚度），造价不一定合算，而且密封耐久性下降，将来的维护费用增加，综合经济成本并不合算。
3) 对更多结构因素的考虑
为保证接缝密封可靠性，接缝密封设计应依据最不利状态，考虑会引起构件位移量增大的更多因素，以保证结构有效密封，基本考虑有以下原则
：
1） 端部位移量取决于构件有效长度，即该构件在相继方向上自由移动长度；
2） 除设计中设有足够的锚固者外，必须假定结构接缝要承担两单元的全部位移量，这样考虑较为安全；
3） 计算接缝温差位移量必须用构件实际温度，不能简单采用环境气温计算；
4） 当被连接的两个构件使用不同类型材料时，计算它们对接缝位移量的影响应分别使用不同材料相应的计算系数。此外，按照接缝的形状不同还应考虑不同材料发生的位移量差异可能引起接缝构造的次生变形；
5） 参照类似结构中类似接缝实际位移量的资料，新设计补充理论计算结果；
6） 确定尺寸公差必须考虑间隙构成及浇灌或安装构件所产生的实际误差；
7） 在对接缝中密封材料主要考虑适应垂直于接缝面的位移量的能力，即伸缩位移能力，如扭曲或弯曲较大时，必须考虑接缝内对的剪切变形。
按以上原则设计结构接缝工程量和施工成本会增大，但将更为安全。
4. 结语
建筑接缝密封多为隐蔽工程，一旦密封失效难以恢复，特别在幕墙工程上，寻找漏点、清除失效密封胶、重新涂胶并恢复密封性将要付出较大代价。结构设计应重视接缝密封，尽力实现最佳密封设计，实现无渗漏工程，为此，有必要建议参照国际先进标准11，编制建筑接缝密封胶应用技术规范，明确接缝密封尺寸、构造和选材的程序、验算及涂饰方法。