淺談膨脹混凝土的工作機理以及在工程中的應用

李雙祥 趙德榮

隨著我國建筑事業的發展，建筑物使用功能的需要，鋼筋混凝土房屋超長結構越來越多，例如：北京首都國際機場航站樓，平面呈工字型，南北長747.5米，東西長342.9米；北京西客站主樓336米×102米，東西配樓179米×104米；北京金地花園地上5幢住宅，地下連車庫東西長171米，南北寬146米；大慶麗景住宅107棟長129米等，這些建筑均采用了無縫設計的設計理念。

當建筑物地下水位較高的地下結構的體量較大或超長時，設計、施工應綜合解決結構抗滲與設置溫度縫兩大技術難題。多年來我們一直習慣于普通抗滲混凝土加設后澆帶，用來取代橡膠止水帶伸縮縫。但設計中后澆帶應布置在適當部位且應連續交圈，將整體結構劃分成若干臨時性獨立單元，致使設計復雜化、難度增大。特別是在澆灌后澆帶前的一段時間，很難排除地下水對施工質量的影響，并需處理一系列技術性問題，諸如：對后澆帶部位進行長期圍護、設置臨時支撐、清理后澆帶、鋼筋除銹、就位焊接等，致使工序管理復雜化、施工難度增加，工程質量難以保證、延誤工期、增加投資。上述實際問題多年以來未能解決。因此，綜合解決無縫（不設伸縮縫后澆帶）砼結構的抗裂問題，確系當務之急。近幾年來的科研成果和工程實踐表明，研制新型膨脹劑，采用膨脹砼是綜合解決上述技術問題的有效手段。

一、膨脹砼的抗滲、抗裂機理

⒈膨脹砼結構，當未承受外荷載時，其物理、力學狀態。由于在砼中配置鋼筋，特別是工程實際中不可避免地存在著結構邊界條件的約束作用（沿結構尺寸的較長方向是主要約束方向），結構中產生的各類變形均處于受限狀態，故普通砼的干縮、蠕變、溫差等收縮變形將引發裂縫。而膨脹砼在硬化過程中產生體積膨脹，體內產生壓應力和壓應變，補償了各類收縮變形，抵消或部分抵消了相應的拉應力，從而提高了砼的抗裂性。由于膨脹變形及其所釋放的能量的主要部分均發生在砼養護的初期階段，基本處于塑性狀態，故其孔隙的空間易于被大量壓縮；加之，游離的鈣礬石結晶顆粒具有直填充孔隙的作用，使孔隙進一步減小，密實度明顯提高。上述多種因素的綜合作用，有效地改善了砼的微觀結構，從而使其具有良好的抗滲性能。

⒉抗裂性機理的深化剖析。前文僅從補償收縮的角度闡述膨脹砼的抗裂性，這是多年以來眾所共識的傳統學術觀點。綜合近年來黑龍江省大量工程實踐積累的檢測資料及中國建筑材料科學研究院的試驗研究成果以及國外有關文獻，對抗裂機理可做如下進一步的深化理解，即：膨脹砼本身具有的下列特性，是其獲得良好抗裂性的重要因素。其特性一：在受限狀態下砼凈膨脹率（按膨脹值與收縮值之差計算）e=f(t)的發展過程延續相當長的時間，曲線呈緩降收斂狀態；在此過程中凈膨脹率的變化為約在100天左右的齡期前，e為正值，體內產生壓應變；其后e轉變為負值，體內產生拉應變。其特性二：初期膨脹量達到高峰值，是決定凈膨脹率負值出現時間推遲的關鍵。當凈膨脹率負值出現時，砼的抗拉極限強度、極限應變值已大幅度增長足以抵抗收縮產生的拉應力、拉應變。綜上，剖析膨脹砼的抗裂性機理及評估其抗裂性能，不宜單純針對其膨脹值的大小，而應綜合分析凈膨脹率發展全過程的延續時間、初期峰值的大小以及在此全過程中凈膨脹率的變化規律。

二、關于工程實踐若干問題的探討

大量工程實踐表明：在各類工程項目中（諸如大型地下鍋爐房墻、板結構、游泳池和地下貯水池、高層建筑的地下室墻、板結構及箱型基礎等），采用無縫整體現澆膨脹砼結構方案均取得了良好的抗滲抗裂效果。但在實踐中尚存在若干技術性問題，應妥善處理。

⒈重視并加強砼早期養護（約14d）。在此期間，應保持連續補給充足的水分，以保證膨脹率達到較高的峰值，這是提高抗裂性和抗滲性的關鍵。施工中往往由于忽視加強早期養護的機理未采取必要的養護措施，致使膨脹砼的抗裂、抗滲性能遭受不同程度的影響，甚至出現質量問題。

⒉摻膨脹劑的補償收縮混凝土的膨脹效能在限制條件下才能產生予壓應力，構造（溫度）鋼筋的設計和特殊部位的附加筋的處理，對控制結構的有害裂縫十分重要。墻體易于出現縱向收縮裂縫，其水平構造筋的配筋率宜在0.4%～0.6%，水平筋的間距應小于150mm，并宜于在墻體的中部或頂端設一道暗梁。

⒊嚴格控制水灰比。黑龍江省實踐經驗表明：水灰比不應超過0.5l～0.52。水灰比過高則孔隙率增大，鈣礬石結晶顆粒的填孔效果受到影響，不利于抗滲。膨脹量的絕大部分發生在早期，砼尚處于塑性狀態，當孔隙率過大時，膨脹能量的大部分消耗于壓縮塑性體的大量孔隙和釋放到其他非主要受限方向，而沿主要受限方向（沿該方向收縮變形值較大，是抗裂設防的主要方向，常首先出現裂縫）的有效壓應變和預壓應力的初始峰值明顯降低；故，沿該方向孔隙的有效壓縮量也相對降低，終將導致抗裂、抗滲性能同時下降。

⒋控制振搗質量。其必要性不言而喻，且混凝土應連續澆灌，間隔時間不宜超過1小時，當氣候干熱運距較長時可摻入緩凝劑，且忌任意加水。澆灌自由落距不宜超過2m。

⒌為保證工程質量應采用不低于425號的普通硅酸鹽水泥，用量不宜低于300～350kg／m3。粗骨料粒徑不宜大于 32mm，含泥量應小于l%；細骨料以選用含泥量小于l%的中粗砂為佳。

⒍膨脹劑的選型與摻量是影響工程質量的關鍵。其中，以中國建筑材料科學研究院研制開發的U型膨脹劑為最佳。應視工程具體情況具體分析后確定。情況一：U型膨脹劑摻量10%～14%（占水泥比重），可獲得良好的膨脹性能，適用于以抗裂為主要目標的工程。當取此摻量時，膨脹砼在非受限狀態下自由膨脹的強度（自由強度）與普通砼自由強度相比，約降低5%～10%。但可不考慮其影響。因為，實際工程中砼均不可避免地處于受限狀態。在此狀態下膨脹砼的強度與普通砼相比約提高10%~30%（與受限狀態的強弱及膨脹劑摻量相關），故，在一般受限狀態下膨脹砼的實際強度（當摻量為10%～14%）常高于相同強度等級的普通砼的自由強度。但當膨脹劑的摻量遠大于±4%且結構處于非強化受限狀態時，上述不利影響則不可忽略；情況二：U型膨脹劑摻量8%~10%，膨脹率偏低，但砼的強度有所提高并有良好的抗滲性能，適用于以抗滲為主要目標的承重結構。當同時提高砼的抗裂性時，膨脹劑摻量可增加到14%。為慎重計，建議將砼強度等級適當提高；情況三：膨脹劑摻量14%～16%，膨脹率明顯提高，但砼自由強度下降幅度超過10%，不應忽視。故，取此摻量時僅適用于大體量且處于很強受限狀態的填充混凝土。由于受限狀態的強化，混凝土的實際強度提高幅度較大，足以補償其自由強度的損失。

⒎黑龍江省處于嚴寒地區。膨脹砼（摻U型膨脹劑）對早強劑和抗凍劑一般是相容的。為慎重計，上述外加劑的選型及摻量應參照黑龍江省類似工程的經驗或必要時經試驗后確定。

三、結 語

黑龍江省在工程實踐中采用膨脹砼新技術，解決了地下砼結構抗滲抗裂問題，簡化了設計與施工程序，確保了工程質量，加快施工進度，節約投資，產生了明顯的技術、經濟與社會效益。這標志著該項技術在黑龍江省已進入一個新的發展階段。在總結成功經驗的同時也應看到，在該領域的技術理論與實踐方面，尚有許多課題，需要深入探討、解決，以求進取。

1993年以來，中國建筑材料科學研究院采用UEA膨脹劑，在許多工程中實施了“超長鋼筋混凝土結構無縫設計施工新技術”，為不設置永久伸縮縫開創了新局面。