補償收縮膨脹混凝土在超長地下室結構中應用

張 兵

0 引言

近年來,隨著我國經濟的發展,許多大型建筑也越來越多,超長混凝土結構也是越來越普遍,而且大家對控制混凝土結構裂縫的要求也越來越高;尤其對超長地下室結構,由于混凝土在硬化過程中不可控制的收縮特性,導致混凝土結構容易出現溫度收縮裂縫,所以控制地下室外圍混凝土構件裂縫是一個非常關鍵的環節。針對普通混凝土硬化過程中的收縮特性,為了補償這種收縮,在1990年,北京市建筑設計研究院就提出了利用補償收縮混凝土的補償收縮作用,在超長結構中可否少設或不設縫的設想,經過20年的發展,現在補償收縮膨脹混凝土在超長混凝土結構中應用的越來越廣泛,技術越來越成熟,在這里針對補償收縮膨脹混凝土在超長地下室混凝土結構中的應用作個系統的總結,供大家參考。

1 超長地下室混凝土結構容易出現裂縫的原因及裂縫分析

鋼筋混凝土結構產生的裂縫原因很復雜,就材料而言,混凝土干縮和溫差收縮是主要原因,尤其對超長混凝土結構更容易出現收縮裂縫,超長地下室底板和側板的裂縫形成也主要是由各種因素帶來的收縮應力所導致的。現以地下室底板裂縫開展為對象作個簡單的分析,從已建的地下室混凝土結構看,超長地下室底板收縮裂縫分布的基本規律:裂縫垂直于底板的長向,并且沿長向按一定的間距分布。下面從收縮應力的角度分析超長地下室底板裂縫的成因,超長地下室底板在溫度收縮變形作用下,混凝土會產生由兩端向中心收縮運動的趨勢,這一趨勢必然受到地基土的約束,因此底板混凝土的全截面將出現拉應力,即水平法向應力σx。從工程實踐可知,σx是設計主要控制應力,是引起混凝土板內垂直裂縫的主要應力。此外地基土對地下室底板約束為沿底板長向的連續式約束,因此從端部向中心,混凝土截面上的水平法向應力σx將由于這種約束的不斷積累而越來越大,因此,水平法向應力的最大值σmax出現在板截面的中點處,具體如圖1所示。當σmax超過混凝土的抗拉強度(ft),板中部將出現第一條垂直裂縫;混凝土板開裂后,每塊板的水平裂縫將重新分布,最大應力σx′將出現在每塊板的中部,當 σx′＞ft時,又形成第二批裂縫,如此繼續,直到σx′＜ft,如圖2所示。

2 摻膨脹劑的補償收縮混凝土的作用機理

普通混凝土摻入膨脹劑后,混凝土適度膨脹,混凝土中的鋼筋對它的膨脹產生限制作用,鋼筋本身也因為與混凝土一起膨脹而產生拉應力,同時混凝土產生壓應力。根據國內常用的補償收縮混凝土的技術要求,混凝土在濕養期間,在配筋率μ=0.8%試驗條件下,它產生的限制膨脹率為0.02%～0.03%,在混凝土中形成的預壓應力為0.2 MPa～0.7 MPa,這一預壓應力能夠抵消導致混凝土開裂的全部或大部分應力,與此同時,推遲了混凝土收縮的產生過程,抗拉強度在此期間能獲得較大幅度的增長,當混凝土收縮開始時,其抗拉應力已經增長到足以抵抗收縮應力,從而防止或減少混凝土收縮開裂,并使混凝土致密化,提高了結構的防滲能力,達到結構自防水的效果,這就是摻膨脹劑補償收縮混凝土的作用機理,我們就是依靠這種“補償收縮”來控制混凝土收縮裂縫的。

3 地下室混凝土結構對限制膨脹率及膨脹劑摻量的要求

既然補償收縮膨脹混凝土有如此的功效,那么在實際中我們如何來配比“補償收縮膨脹混凝土”這種材料。補償收縮膨脹混凝土實際就是普通混凝土中摻入適量的膨脹劑,通過試驗檢測是否符合以下三項設計要求:1)膨脹劑產品是否合格;2)膨脹劑摻量是否符合設計要求;3)各結構部位混凝土的限制膨脹率是否符合設計要求。

目前在國內市場上的膨脹劑的品種很多,質量參差不齊,甚至還存在不合格產品。在合格的膨脹劑中,產品的性能也不盡相同,有的膨脹率雖然高,但干燥的收縮率很大,存在膨脹與收縮“落差”太大的現象。根據JC 476混凝土膨脹劑標準的確定,應檢查其三項指標:1)堿含量不大于0.75%;2)水中7 d限制膨脹率不小于0.025%;3)最大摻量(替代水泥率)不大于12%。凡是經檢驗不符合此三項的產品均屬不合格產品,不得使用。

此外,對膨脹劑的摻量規范也有相應的要求,膨脹劑主要功能是補償混凝土硬化過程中的干縮拉應力和部分水化熱引起的溫差應力,從而能使混凝土中的孔隙減少,毛細孔徑減小,提高混凝土的密實性,防止或減少結構產生有害裂縫。所以要真正發揮混凝土補償收縮的作用,膨脹劑的選用及摻量是關鍵。國家現行標準GB 50119-2003混凝土外加劑應用技術規范規定,補償收縮混凝土的膨脹劑摻量不宜大于12%,不宜小于6%;填充用膨脹混凝土的膨脹劑摻量不宜大于15%,不宜小于10%。

根據國家新發布的GB 50119-2003混凝土外加劑應用技術規范,摻膨脹劑補償收縮混凝土及填充用膨脹混凝土的特性指標見表1,表2。

表1 補償收縮混凝土的性能要求

表2 填充用膨脹混凝土的性能要求

在設計時我們一般注明:補償收縮混凝土在水中養護14 d的混凝土限制膨脹率不小于0.025%,填充用膨脹混凝土在水中養護14 d的混凝土限制膨脹率不小于0.035%;同時在不同結構部位要滿足表3要求。

表3 不同結構部位混凝土限制膨脹率

4 在設計上針對超長地下室混凝土結構裂縫所采取的方法

1)設置后澆帶、采用摻膨脹劑補償收縮混凝土控制混凝土裂縫。按規范,對超長地下室混凝土結構,每隔20 m～40 m需設置一條后澆帶;后澆帶應從基礎至頂板頂,即從基礎梁、地下室底板、頂板、內外墻、各層樓蓋及頂板的梁板水平及垂直貫通留設,帶寬800 mm～1 000 mm,鋼筋在此處貫通不斷,并增設相應各構件的附加鋼筋(地下室后澆帶詳細做法見國標04FG02 P138頁);同時采用摻膨脹劑補償收縮混凝土來限制裂縫的開展。現階段大部分的地下室均是采用此種方法來設計施工的。實踐證明,此種方法是合理的,可以解決大部分的混凝土收縮裂縫;但也存在一些缺點,每隔20 m～40 m設置一條后澆帶,會延長工期,而且后澆帶的清理、灌縫非常麻煩,處理不好會成為滲漏的隱患;此外,后澆帶一般要等到一兩個月才能澆筑,不施工完,降水就不能停止,這會增加大量的降水費用。

2)設置膨脹加強帶、采用摻膨脹劑補償收縮混凝土控制混凝土裂縫。設置膨脹加強帶實際是一種無縫設計思想,所謂“無縫設計”是個相對概念,根據結構情況,可無縫或少縫,是專指釋放收縮應力的伸縮或后澆縫,不是指也不包括沉降縫。根據前面補償收縮混凝土工作機理分析,超長結構收縮應力集中于跨中,所以膨脹加強帶一般設在跨中部,每隔30 m左右設置一道,根據板的厚度,帶寬為2 m～3 m,帶兩側設密孔鐵絲網,并用立筋φ 16@300～φ 18@300加固,目的是防止兩側混凝土流入帶內。這樣就可實現混凝土連續澆筑或稱無縫施工。施工時,帶外用小膨脹的補償收縮混凝土,澆筑到加強帶時,改用大膨脹混凝土,其強度等級比兩側混凝土高一個等級。澆筑到另一側時,又改為澆筑小膨脹混凝土。如此循環,可連續澆筑100 m～200 m的超長結構。

在施工組織中,可根據現場情況確定采取整體連續澆筑或局部為連續澆筑式膨脹加強帶,這可以通過不同形式的膨脹加強帶來實現。具體分以下幾種類型:圖3為連續施工膨脹加強帶,圖4為間歇式膨脹加強帶,圖5為后澆式膨脹加強帶(在主裙樓交接處也按此設計,此時該加強帶的設置除控制收縮裂縫外,還能緩解主樓與裙房之間的差異沉降,澆筑時間同主裙樓之間設置的后澆帶)。另外,對于超長地下室側墻,考慮養護困難,環境溫度、濕度變化大,易收縮開裂,宜用后澆式加強帶,分段澆筑14 d后,再用大膨脹混凝土澆筑回填,見圖6。

根據以上幾種節點大樣,結合實際工程所需的補償收縮混凝土連續澆筑的結構長度和厚度,按表4可確定所設膨脹加強帶的條數、構造形式、澆筑方式。

表4 膨脹加強帶分布表

5 結語

補償收縮混凝土結構與普通混凝土結構的標志區別是混凝土必須提供初期的有效膨脹,抵制混凝土本身在硬化過程中的收縮。在實際工程應用上,還有很多要注意的地方,因為引起混凝土收縮裂縫的因素是多方面的。

針對補償收縮膨脹混凝土這方面的應用,只要我們在實際施工時認真應用合格的膨脹劑,按設計要求配比出合格的補償收縮混凝土,并進行合理的澆筑、養護,合理控制超長混凝土結構的收縮裂縫是有很大效果的。本文通過實際工程的設計經驗及有關國家現行規范,對如何合理采用補償收縮膨脹混凝土來控制超長地下室混凝土結構收縮裂縫作個系統的總結,希望能給設計人員一點有益的參考。

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