泵送混凝土楼板温度裂缝原因分析及预防措施
[摘 要] 目前我国正大力推广泵送混凝土,泵送混凝土不仅应能改善混凝土的施工性能,对薄壁密筋结构少振捣或不振捣施工,而且应能减少收缩、防止裂缝、提高抗渗性、改善耐久性。但是某些工程表明,泵送混凝土凝结异常时有发生,特别是温度裂缝普遍存在,在一定程度上影响结构的抗渗性和耐久性,值得引起足够的重视,本文结合作者的实践经验,重点分析其产生原因,找出防止和治理裂缝的措施。
[关键词] 泵送 混凝土 温度裂缝 成因 防治
1 泵送混凝土的特点
1.1 原材料和配合比
1)水泥用量较多
强度等级C20~C60范围为350~550kg/m3。
2)超细掺合料时有添加
为改善混凝土性能,节约水泥和降低造价,混凝土中掺加粉煤灰、矿渣、沸石粉等掺合料。
3)砂率偏高、砂用量多
为保证混凝土的流动性、粘聚性和保水性 ,以便于运输、泵送和浇筑,泵送混凝土的砂率要比普通流动性混凝土增大砂率6%以上,约为38~45%。
4)石子最大粒径
为满足泵送和抗压强度要求,与管道直径比1∶2.5(卵石)、1∶3(碎石)~1∶4、1∶5。
5)水灰比宜为0.4~0.6
水灰比小于0.4时,混凝土的泵送阻力急剧增大;大于0.6时,混凝土则易泌水、分层、离析,也影响泵送。
6)泵送剂
多为高效减水剂复合以缓凝剂、引气剂等,对混凝土拌合物流动性和硬化混凝土的性能有影响,因而对裂缝也有影响。
1.2 工艺
1)混凝土拌制在搅拌站(楼)进行,原材料计量准确,搅拌均匀,但也偶有失控情况。
2)多数搅拌站未设细掺合料、粉状泵送剂、粉状膨胀剂称量和料仑,采用人工或容积法,使计量与分散存在问题,影响混凝土的均匀性。
3)当混凝土拌合物过乾、过稀,运输时间过长、停留时间过长且未进行搅拌均匀前入泵时,混凝土拌合物乾稀不匀。
4)每个运输车中混凝土的坍落度相差过大,加入泵车内输送时,会浇筑的混凝土均匀性变坏。
5)混凝土浇筑后振捣不足、振捣过度,特别是面积系数很大的板材,采用振捣棒密实不均匀。
6)大体积混凝土施工,当技术措施不当或不完善时,易产生温度裂缝。
7)混凝土大面积板材,在浇筑后防风、防晒、养护不足时,易产生干缩裂缝。
8)混凝土拌合物过乾或人工、无称量加入高效减水剂或水时,混凝土质量不易保证。
2 有关裂缝的一些概念
混凝土是粗集料、细集料、水泥石、水和气体所组成的非均质堆聚结构。混凝土混合料在不同温湿度条件下凝结硬化,并同时产生体积变形。水泥石的干燥和冷却收缩大,集料的干燥和冷却收缩小,同时水泥石和集料之间相互粘结而约束,由于变形产生微裂缝。
2.1 按裂缝产生原因分类
1)由外荷载(静、动荷载)直接应力引起的裂缝和次应力引起的裂缝。
2)由变形变化引起的裂缝:包括结构因温度湿度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷等原因引起的裂缝。其特征是结构要求变形,当受到约束和限制时产生内应力,应力超过一定数值后产生裂缝,裂缝出现后变形得到满足,内应力松弛。这种裂缝宽度大、内应力小,对荷载的影响小,但对耐久性损害大。据国内外调查资料表明,工程结构产生属于变形变化(温湿度、收缩与膨胀、不均匀沉降)引起的裂缝约占80%;属于荷载引起的裂缝约占20%。
目前笔者已遇到多起是泵送混凝土工程变形的温度裂缝,这里仅就混凝土工程变形引起的温度裂缝进行一些探讨。
2.2 引起变形裂缝的主要原因
混凝土由于温度变化发生体积变形,膨胀或收缩,这是材料固有的物理特性。当这种体积变化受到约束时就会产生内应力,这种应力如果超过了混凝土的抗拉强度,就会引起开裂。
例如大体积混凝土浇筑后,在硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,使混凝土表面与内部温差很大,如果其内部与表面温差超过25℃时,就会产生裂缝。体积较大或者较长的混凝土结构,在施工后几天或几十天中出现大量裂缝,
这就是因为温度变化引起的裂缝。
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3.温度裂缝
3.1 产生的原因和特征
1)水泥水化过程中产生大量的热量,每克水泥放出502J的热量,如果以水泥用量350~550kg/m3来计算,每m3混凝土将放出17500~27500KJ的热量,从而使混凝土内部温度升高,在浇筑温度的基础上,通常升高35℃左右。如果按着我国施工验收规范规定浇筑温度为28℃ 则可使混凝土内部温度达到65℃左右。但是,如果没有降温措施或浇筑温度过高,混凝土内部温度高达80~90℃的情况也时有发生。水泥水化热在1~3天可放出热量的50%,由于热量的传递、积存,混凝土内部的最高温度大约发生在浇筑后的3~5天,因为混凝土内部和表面的散热条件不同,所以混凝土中心温度低,形成温度梯度,造成温度变形和温度应力。温度应力和温差成正比,温度越大,温度应力也越大。当这种温度应力超过混凝土的内外约束应力( 包括混凝土抗拉强度)时,就会产生裂缝。这种裂缝的特点是裂缝出现在混凝土浇筑后的3~5天,初期出现的裂缝很细,随着时间的发展而继续扩大,甚至达到贯穿的情况。
2)养护条件。养护是使水泥砼正常硬化的重要手段。养护条件对裂缝的出现有着关键的影响。在标准养护条件下,水泥砼硬化正常,不会开裂,但只适用于试块或是工厂的预制件生产,现场施工中不可能拥有这种条件。但是必须注意到,现场水泥砼养护越接近标准条件,水泥砼开裂可能性就越小。
3)施工质量。水泥砼浇筑施工中,振捣不均匀,或是漏振、过振等情况,会造成水泥砼离析、密实度差、降低结构的整体强度。水泥砼内部气泡不能完全排除时,裂缝在钢筋表面泡则降低了水泥砼与钢筋的粘结力。钢筋若受到过多振动,则水泥浆在钢筋周围密集,也将大大降低粘结力。
4)外加剂使用不当是最常见的一类事故,此类事故表现在:(1)混凝土浇筑后,局部或大部长时间不凝结硬化。(2)已浇筑完的混凝土结构物表面起鼓包。
根据水泥砼裂缝成因,采取适当措施进行预防要比事后补救有效的多。也就是说采取以防为主的方法,归纳起来,可以从以下几个方面着手:
3.3.2 混凝土原材料和配合比的选用
1)水泥品种选择和水泥用量控制
大体积钢筋混凝土引起裂缝的主要原因是水泥水化热的大量积聚,使混凝土出现早期升温和后期降温,产生内部和表面的温差。减少温差的措施是选用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥,在掺加泵送剂或粉煤灰时,也可选用矿渣硅酸盐水泥。再有,可充分利用混凝土后期强度,以减少水泥用量。根据大量试验研究和工程实践表明,每m3混凝土的水泥用量增减10kg,其水化热将使混凝土的温度相应升高或降低1℃。因此,为更好的控制水化热所造成的温度升高、减少温度应力,可以根据工程结构实际承受荷载的情况,对工程结构的强度和刚度进行复核与验算,并取得设计单位的同意后,可用56天或90天抗压强度代替28天抗压强度作为设计强度。由于过去土木建筑物层数不多、跨度不大,且多为现场搅拌,施工工期短,混凝土标准试验龄期定为28天,但对于具有大体积钢筋混凝土基础的高层建筑,大多数的施工期限很长,少则1~2年,多则4~5年,28天不可能向混凝土结构,特别是向大体积钢筋混凝土基础施加设计荷载,因此将试验混凝土标准强度的龄期推迟到56天或90天是合理的。如果充分利用混凝土的后期强度,则可使每m3混凝土的水泥用量减少40~70kg左右,则混凝土温度相应降低4~7℃。最后,为减少水泥水化热和降低内外温差的办法是减少水泥用量,将水泥用量尽量控制在450kg/m3以下。如果强 度允许,可采用掺加粉煤灰来调整。
2)掺加掺合料
国内外大量试验研究和工程实践表明,混凝土中掺入一定数量优质的粉煤灰后,不但能代替部分水泥,而且由于粉煤灰颗粒呈球状具有滚珠效应,起到润滑作用,可改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性,并且能够补充泵送混凝土中粒径在0.315mm以下的细集料达到占15%的要求,从而改善了可泵性。同时,依照大体积混凝土所具有的强度特点,初期处于较高温度条件下,强度增长较快、较高,但是后期强度增长缓慢。掺加粉煤灰后,其中的活性Al2O3、SiO2与水泥水化析出的CaO作用,形成新的水化产物,填充孔隙、增加密实度,从而改善了混凝土的后期强度。但是应当值得注意的是,掺加粉煤灰混凝土的早期抗拉强度和极限变形略有降低。因此,对早期抗裂要求较高的混凝土,粉煤灰掺量不宜太多,宜在10~15%以内。
特别重要的效果是掺加原状或磨细粉煤灰之后,可以降低混凝土中水泥水化热,减少绝热条件下的温度升高。掺加粉煤灰的水泥混凝土的温度和水化热,在1~28d龄期内,大致为:掺入粉煤灰的百分数就是温度和水化热降低的百分数,即掺加20%粉煤灰的水泥混凝土,其温升和水化热约为未掺粉煤灰的水泥混凝土的80%,可见掺加粉煤灰对降低混凝土的水化热和温升的效果是非常显著的。目前许多商品混凝土厂家,由于认识、技术、设备(料仓)等原因,尚未有效、充分地利用粉煤灰。
3)掺加外加剂
掺加具有减水、增塑、缓凝、引气的泵送剂,可以改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性。由于其减水作用和分散作用,在降低用水量和提高强度的同时,还可以降低水化热,推迟放热峰出现的时间,因而减少温度裂缝。
必须重视以下三方面的问题:
(1)外加剂与水泥的适应性。外加剂进场后,必须进行试配,掌握其特性:坍落度的耗时损失、凝结时间、减水率等,以确定能否使用;对于硬石膏做调凝剂的水泥,这点尤其重要,以免混凝土搅拌成后,发生速凝或坍落度损失过快的问题。
(2)外加剂的每一次投料,都必须严格按照配合比计量。计量器具必须经常进行校验,保证其灵敏度和准确度。
(3)粉状外加剂要保持干燥状态,防止受潮结块。已经结块的粉状外加剂,应烘干、碾碎,过0.6毫米筛后使用,以免含未碾成粉状的颗粒遇水膨胀,造成混凝土表面鼓包。
例如,在泵送混凝土中,掺入占水泥重量0.25%的木质素磺酸钙减水剂,不仅能使混凝土的泵送性能改善,而且可以减少拌合水和水泥用量,从而降低水化热,延迟了水化热释放速度,推迟放热峰。因此,不但减少了温度应力,而且使初凝和终凝时间延缓3~8h,降低了大体积混凝土施工中出现冷缝的可能性。
4)选用质量优良的粗细集料
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粗集料
根据结构最小断面尺寸和泵送管道内径,选择合理的最大粒径,尽可能选用较大的粒径。要优先选用天然连续级配的粗集料、使混凝土具有较好的可泵性,减少用水量、水泥用量,进而减少水化热。
例如5~40mm粒径可比5~25mm粒径的碎石或卵石混凝土可减少用水量6~8kg/m3,降低水泥用量15kg/m3,因而减少泌水、收缩和水化热。
细集料
以采用级配良好的中砂为宜。实践证明,采用细度模数2.8的中砂比采用细度模数2.3的中砂,可减少用水量20~25kg/ m3,可降低水泥用量28~35kg/m3,因而降低了水泥水化热、混凝土温升和收缩。
泵送混凝土应注意选用合理砂率,砂率过大,不仅会影响混凝土的工作度和强度,而且能增大收缩和裂缝。
3.3.3 泵送混凝土施工工艺改进
1)控制混凝土出机温度和浇筑温度
为了降低混凝土的总温升,减少大体积工程结构的内外温差,控制混凝土的出机温度和浇筑温度也是一个重要措施。
对于出机温度和浇筑温度的控制,世界各国都非常重视,并有较明确的规定:我国《水工混凝土施工规范》(SDJ207-82)中规定:高温季节施工时,混凝土最高浇筑温度,不得超过28℃。为求得统一,《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204-92)也规定了这个温度值。日本规范规定,暑期混凝土的搅拌温度为30℃以下,浇筑时的混凝土温度应低于35℃;对于大体积混凝土的温度,规定拌制时为25℃以下,浇筑时要在30℃以下。前苏联规范规定,暑期施工时,当浇筑表面系数大于3的结构混凝土时,混凝土拌合物从搅拌站运出时的温度应当不超过30~35℃,而对于表面系数小于3的大体积结构,混凝土拌合物温度应尽可能降低,且不超过20℃。美国规范规定,在炎热的气候条件下,浇筑温度不得超过32℃。德国规范规定,在炎热气候时,新拌混凝土温度,在卸车时不得超过30℃。
为了降低混凝土的出机温度和浇筑温度。最有效的方法是降低原料温度,混凝土中石子比热较小,但每m3混凝土中石子所占重量最大,所以最有效的办法是降低石子温度。在气温较高时,为了防止太阳直接照射,可以在砂石堆场搭设简易遮阳棚,必要时可向集料喷淋雾状水,或者在使用前用冷水冲洗集料。国外也有的搅拌混凝土时加冰块冷却。除此之外,搅拌运输车罐体、泵送管道保温、冷却也是必要的措施。
2)改进工艺
搅拌工艺
采用二次投料的净浆裹石或砂浆裹石工艺,可以有效地防止水分聚集在水泥砂浆和石子的界面上,使硬化后界面过渡层结构致密、粘结力增大,从而提高混凝土强度10%或节约水泥5%,并进一步减少水化热和裂缝。
振动工艺
浇捣时,振捣捧要快插慢拔,根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间,避免过振或漏振,应提倡采用二次振捣、二次抹面技术加强混凝土的浇灌振捣,提高密实度。以排除泌水、混凝土内部的水分和气泡。对已浇筑的混凝土,在终凝前进行的二次振动,可排除混凝土因泌水,在石子、水平钢筋下部形成的空隙和水分,提高粘结力和抗拉强度,并减少内部裂缝与气孔,提高抗裂性。
养护工艺
为了严格控制大体积混凝土的内外温差,确保混凝土质量,减少裂缝,养护是一个十分重要和关键的工序,必须切实做好。新浇混凝土早期养护尤为重要,可保证混凝土在早期尽可能少产生收缩。
混凝土养护主要是保持适当的温度和湿度条件。保温能减少混凝土表面的热扩散,降低混凝土表层的温差,防止表面裂缝。由于散热时间延长,混凝土强度和松弛作用得到充分发挥,使混凝土总温差产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度,防止了贯穿裂缝的产生。浇筑时间不长的混凝土,仍然处于凝结、硬化过程,水泥水化速度较快,适宜的潮湿条件可防止混凝土表面脱水而产生收缩裂缝。同时在潮湿条件下,可使水泥的水化充分、完全,从而提高混凝土的抗拉强度。
对大体积混凝土加强保温养护,是减少温度裂缝的最有效措施。大体积混凝土的保温养护,最常用的是采用草袋同塑料薄膜联合使用,用草袋进行保温,用塑料薄膜保湿,保温层的拆除应根据测温情况而定,要确认内外温度差低于25℃时方能拆除,同时应分层逐步拆除,应尽量避免因为降温速度过快而引起混凝土开裂。
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对于厚大体积混凝土,施工时应充分考虑水泥水化热问题。采取必要的降温措施(埋设散热孔、通水排热等),避免水化热高峰的集中出现、降低峰值。浇捣成型后,应采取必要的蓄水保温措施,表面覆盖薄膜、湿麻袋等进行养护,以防止由于混凝土内外温差过大而引起的温度裂缝。
3)施工方案方面。良好的施工方案与预防、控制裂缝有很大的关系。施工方案主要应确定一定浇筑量、施工缝间距、位置及构造、浇筑时间、运输及振捣等。一次浇筑长度由垂直施工缝分割,最好是设置在变截面处或承受拉、剪、弯应力较小的部位。除控制一次浇筑厚度外,分层位置即水平施工缝留设位置也应加以注意,一般来说,因尽量留在变截面处,或远离受拉钢筋部位而设在水泥砼的受压区。浇筑前应注意钢筋绑扎质量,并采取措施保证钢筋的保护层厚度,浇筑混凝土时严禁施工人员在钢筋网上踩踏。确定浇筑时间的原则应尽量避开炎热天气和昼夜温差大的日子。夏季应注意混凝土的浇捣温度,采用低温入模、低温养护,必要时经试验可采用冰块,以降低混凝土原材料的温度。避免在雨中或大风中浇灌混凝土。根据工程特点,充分利用混凝土后期强度,可以减少用水量,减少水化热和收缩。混凝土尽可能晚拆模,拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上,拆模后要立即覆盖或及时回填,避开外界气候的影响,养护期应以水泥砼强度增长最快的阶段为准,即7至28天,最好能长些。
4.钢筋混凝土结构或构件出现温度裂缝,虽对承载能力无多大影响,但会引起钢筋锈蚀,降低耐久性,或发生渗漏,影响使用,尤其是在住宅建筑中,现浇梁、板或剪力墙出现的裂缝会给居民造成不安全感,而且裂缝不仅会影响抗渗效果,也易造成水分侵蚀钢筋,影响使用耐久性。因此,应对裂缝及时治理。常采用的裂缝治理方法有以下几种:
4.1.表面修补法
适用于对承载能力没有影响的表面裂缝的处理,也适用于大面积细裂缝防渗、防漏的处理。
1)表面涂抹水泥砂浆:将裂缝附近的混凝土表面凿毛,或沿裂缝凿成深15~20mm,宽150~200mm的凹槽,扫净并洒水湿润,先刷水泥净浆一层,然后用1:2的水泥砂浆分2~3层涂抹,总厚度控制在10~20mm左右,并用铁抹抹平压光。有防水要求时应用2mm厚水泥净浆及5mm厚1:2的水泥砂浆交替抹压4~5层,刚性防水层涂抹3~4小时后进行覆盖,洒水养护。在水泥砂浆中掺入占水泥重量1~3%的氯化铁防水剂,可起到促凝和提高防水性能的效果。为了使砂浆与混凝土表面结合良好,抹光后的砂浆面应覆盖塑料薄膜,并用支撑模板顶紧加压。
2)表面涂抹环氧胶泥:涂抹环氧胶泥前,先将裂缝附近80~100mm宽度范围内的灰尘、浮渣用压缩空气吹净,或用钢丝刷、砂纸、毛刷清除干净并洗净,油污可用二甲苯或丙酮擦洗一遍,如表面潮湿,应用喷灯烘烤干燥、预热,以保证环氧胶泥与混凝土粘结良好。若基层难以干燥,则用环氧煤焦油胶泥涂抹。涂抹时,用毛刷或刮板均匀蘸取胶泥,并涂刮在裂缝表面。
3)采用环氧粘贴玻璃布:玻璃布使用前应在碱水中煮沸30~60分钟,然后用清水漂净并晾干,以除去油脂,保证粘结。一般贴1~2层玻璃布。第二层玻璃布的周边应比下面一层宽10~12mm,以便压边。
4)表面涂刷油漆、沥青:涂刷前混凝土表面应干燥。
5)表面凿槽嵌补:沿混凝土裂缝凿一条深槽,槽内嵌水泥砂浆或环氧胶泥、聚氯乙烯胶泥、沥青油膏等,表面作砂浆保护层。槽内混凝土面应修理平整并清洗干净,不平处用水泥砂浆填补,保持槽内干燥,否则应先导渗、烘干,待槽内干燥后再行嵌补。环氧煤焦油胶泥可在潮湿情况下填补,但不能有淌水现象。嵌补前先用素水泥浆或稀胶泥在基层刷一层,然后用抹子或刮刀将砂浆或环氧胶泥、聚氯乙烯胶泥嵌入槽内压实,最后用1:2水泥砂浆抹平压光。在侧面或顶面嵌填时,应使用封槽托板逐段嵌托并压紧,待凝固后再将托板去掉。
4.2内部修补法
内部修补法是用压浆泵将胶结料压入裂缝中,由于其凝结、硬化而起到补缝作用,以恢复结构的整体性。这种方法适用于对结构整体性有影响,或有防水、防渗要求的裂缝修补。常用的灌浆材料有水泥和化学材料,可按裂缝的性质、宽度、施工条件等具体情况选用。一般对宽度大于0.5mm的裂缝,可采用水泥灌浆,对宽度小于0.5mm的裂缝,或较大的温度收缩裂缝,宜采用化学灌浆。
1)水泥灌浆:一般用于大体积混凝土结构的修补,主要施工程序是钻孔、冲洗、止浆、堵漏、埋管、试水、灌浆。钻孔采用风钻或打眼机进行,孔距l~1.5m,除浅孔采用骑缝孔外,—般钻孔轴线与裂缝呈30~45度斜角,孔深应穿过裂缝面0.5m以上,当有两排或两排以上的孔时,宜交错或呈梅花形布置,但应注意防止沿裂缝钻孔。冲洗在每条裂缝钻孔完毕后进行,其顺序按竖向排列自上而下逐孔冲洗。止浆及堵漏待缝面冲洗干净后,在裂缝表面用1:2的水泥砂浆或用环氧胶泥涂抹。埋管(一般用直径19~38mm的钢管作灌浆管,钢管上部加工丝扣)安装前应在外壁裹上旧棉絮并用麻丝缠紧,然后旋入孔中,孔口管壁周围的孔隙用旧棉絮或其它材料塞紧,并用水泥砂浆或硫磺砂浆封堵,防止冒浆或灌浆管从孔口脱出。试水是用0.098~0.196MPa压力水作渗水试验,采取灌浆孔压水、排气孔排水的方法,检查裂缝和管路畅通情况,然后关闭排气孔,检查止浆堵漏效果,并湿润缝面以利于粘结。灌浆应采用425号以上的普通水泥,细度要求经6400孔/cm2的标准筛过筛,筛余量在2%以下,可使用2:1、1:1、0.5:1等几种水灰比的水泥净浆或1:0.54:0.3(即水泥:粉煤灰:水)的水泥粉煤灰浆,灌浆压力一般为0.294~0.491MPa,压浆完毕时浆孔内应充满灰浆,并填入湿净砂,用棒捣实,每条裂缝应按压浆顺序依次进行,当出现大量渗漏情况时,应立即停泵堵漏,然后继续压浆。
2)化学灌浆:化学灌浆能控制凝结时间,有较高粘结强度和一定的弹性,恢复结构整体性效果较好,适用于各种情况下的裂缝修补及堵漏、防渗处理。灌浆材料应根据裂缝性质、裂缝宽度和干燥情况选用。常用的灌浆材料有环氧树脂浆液(能修补缝宽0.2mm以下的干燥裂缝)、甲凝(能灌0.03~0.1mm的干燥细微裂缝)、丙凝(用于堵水、止漏及渗水裂缝的修补,能灌0.1mm以下的细裂缝)等。环氧树脂浆液具有粘结强度高、施工操作方便、成本低等优点,应用最广。灌浆操作主要工序是表面处理(布置灌浆嘴和试气)、灌浆、封孔,一般采取骑缝直接用灌浆嘴施灌,不用另外钻孔。配制环氧浆液时,应根据气温控制材料温度和浆液的初凝时间(1小时左右)。灌浆时,操作人员要戴上防毒口罩,以防中毒。
保证工程质量,既是一个技术问题,又是一个管理问题,我们必须以规范、规程为标准,严格操作、科学管理,用认真的态度控制好每一个环节,只有这样,才能够真正解决混凝土楼板的裂缝问题。
参考文献
1 建筑施工手册.北京:中国建筑工业出版社,2003年第四版
2 建筑结构设计综合手册.河南:河南科学技术出版社,1990
3 混凝土结构设计规范GB50010-2002.北京:中国建筑工业出版社,2002
4 地下工程防水技术规范GB50108-2001.北京:中国计划出版社,2001
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