補償收縮混凝土在某工程中的實際應用

張旭

福建廈門（361000）

補償收縮混凝土在某工程中的實際應用

張旭

福建廈門（361000）

這里主要結合筆者多年工作經驗，分析了補償收縮混凝土在某寫字樓地下室工程中的施工應用。

補償收縮混凝土；混凝土；預應力

0 引言

某寫字樓建筑面積8萬m2,其中地下2.6萬m2。工程結構類型屬于框筒結構結合鋼結構、預應力結構，地下室2層，底板埋深約10.0m，主樓地上32層，混凝土設計強度等級C40，抗滲標號P8，屬大體積混凝土。地下室屬于超長的鋼筋混凝土結構，結構及工程地質條件復雜，施工技術要求高。除必須滿足強度、剛度、整體性和耐久性要求外，還存在超長結構裂縫控制機結構防水問題。如何控制混凝土硬化期間，由于水泥水化過程釋放的水化熱所產生的溫度應力和混凝土失水干燥所產生的干縮應力的共同作用,導致混凝土結構的開裂，破壞結構防水密封性及耐久性,將成為混凝土配合比設計、施工技術的關鍵。為了提高工程地下室結構的抗裂防滲能力,地下室底板、外墻、頂板及后澆帶均采用SBTJM-Ⅲ(C)低堿型混凝土膨脹劑，配制補償收縮混凝土施工。這里結合此工程討論如何正確使用補償收縮混凝土。

1 補償收縮原理

目前用來解釋補償收縮混凝土的基本抗裂原理主要有3種。用膨脹來抵消全部或部分收縮，這種說法容易被誤認為混凝土的自由膨脹率大于自由收縮率就可以保證不出現收縮,即混凝土不開裂。事實上,只有自由收縮被限制才會導致混凝土開裂，而自由膨脹率大的混凝土不一定具有足夠的膨脹能來產生足夠的限制膨脹。第二種解釋是用適量的限制膨脹來補償最大的限制收縮。這是經過長期對膨脹混凝土的實踐和認識，直到20世紀60年代才被廣泛接受的補償收縮原理。第三種解釋是用膨脹能概念，不論是補償收縮還是自應力，產生這兩種功能的根源均是混凝土的膨脹能。膨脹能產生的限制膨脹用來抵消干燥、降溫、荷載、結構形式等原因引起的限制收縮。

2 超長混凝土無縫施工技術設計原則

出于工期及結構整體性考慮，工程上都不希望留后澆帶，根據《混凝土結構設計規范》，使用普通混凝土現澆地下室墻壁等結構時，鋼筋混凝土結構伸縮縫最大間距僅為20～30m，而使用補償收縮混凝土可延長澆筑長度，依據《補償收縮混凝土應用技術規范》規定，其澆筑長度可延長到60m以上。圖1為混凝土澆筑長度與收縮應力關系模型示意圖，其中普通混凝土的收縮應力曲線為ABCDE，補償收縮混凝土的收縮應力曲線為AFGHE,補償收縮混凝土與膨脹加強帶混凝土聯合使用時的收縮應力曲線為AIJKE。從圖1中可以看出，當超長混凝土結構使用普通混凝土時，其收縮應力σ從兩邊向中間增長到B、D兩點時，σ≥ftk（混凝土抗拉強度），開始發生開裂，釋放能量，由此表明普通混凝土不能用于澆筑超長結構。當采用小摻量膨脹劑配制補償收縮混凝土澆筑超長混凝土結構時，補償收縮混凝土產生的膨脹應力能夠抵消部分收縮應力，其收縮應力從σ兩邊向中間隨結構長度的延伸而增長，達到F、H兩點時，σ≥ftk，開始產生開裂，此情況一定程度上降低了開裂風險，增大了混凝土結構連續澆筑長度。當采用小摻量膨脹劑配制補償收縮混凝土，并在適當部位局部加大膨脹劑摻量配制膨脹加強帶，通過組合膨脹對超長混凝土結構收縮應力進行疊加式重復補償時,其收縮應力曲線為AIJKE，理論而言最大收縮應力σ小于混凝土極限抗拉強度，可以實現超長混凝土結構無縫施工。

圖1 混凝土澆筑長度與收縮應力關系模型示意圖

3 計算機模擬補償收縮混凝土抗裂效果

著名混凝土裂縫控制專家王鐵夢教授調查發現，高層建筑地下室底板出現裂縫的數量約占被調查工程底板總數的10%，而地下室外側墻混凝土開裂的數量約占被調查工程總數的85%以上，這里選取側墻混凝土作為研究對象,采用計算機模擬技術，運用有限元分析軟件考察補償收縮混凝土抗裂效果。假定側墻混凝土從澆筑的20℃歷時1.5d升溫到50℃，然后在齡期7d降溫到30℃，由于混凝土早期處于塑性-硬化階段，彈性模量較低，取安全考慮升溫階段不人為產生膨脹壓應力，降溫階段取線膨脹系數10×10-6/℃。由試驗室測試數據可知，普通混凝土7d收縮應變150×10-6，摻SBTJM-Ⅲ(C)低堿型混凝土膨脹劑混凝土7d膨脹應變200×10-6，假定兩種混凝土應力松弛系數均為0.3。普通混凝土長度方向拉應力有限元分析拉應力呈現從兩端到中間迅速增大然后穩定的趨勢，且底部拉應力大于頂部拉應力。采用有限元分析軟件，以墻體高度中部（3m）處為例對比普通混凝土與補償收縮混凝土拉應力，如圖2所示。普通混凝土最大拉應力達2.6mPa，遠超設計強度，因此混凝土開裂的風險很大，而摻膨脹劑混凝土最大拉應力僅為0.7mPa，低于設計強度，開裂風險很低。可見膨脹劑可有效補償混凝土的干燥收縮及溫降收縮，選取限制膨脹率為200×10-6的補償收縮混凝土可以有效抑制側墻混凝土開裂。

圖2 普通混凝土與補償收縮混凝土拉應力對比

4 補償收縮混凝土配合比設計

依據國家標準《混凝土外加劑應用技術規范》、《地下防水工程質量驗收規范》、行業標準《補償收縮混凝土應用技術規程》等相關規范的要求，結合寫字樓地下工程底板和墻體的實際情況，為確保本工程澆筑混凝土的耐久性和施工質量，對工程不同部位提出了不同的要求。1）底板混凝土:入模坍落度130～150mm，水中養護14d限制膨脹率0.020%～ 0.025%；2）側墻、頂板混凝土:入模坍落度150～170mm，水中養護14d限制膨脹率0.025%～0.030%；3）膨脹加強帶混凝土:入模坍落度160～180mm，水中養護14d限制膨脹率0.035%～0.040%。從試驗結果可以看出，混凝土配合比設定合理，滿足標準規范要求。

5 補償收縮混凝土施工技術要點

5.1 原材料計量

補償收縮混凝土配合比設計的關鍵是確定膨脹劑的摻量，以獲得合適的限制膨脹率，在混凝土結構中基于早期膨脹產生一定的預壓應力，用來抵消收縮，防止混凝土開裂。因此補償混凝土的各種原材料應采用專用計量設備進行準確計量。計量設備應定期校驗，使用前進行零點校核。原材料每盤稱量的允許偏差應符合下列要求:水泥、粉煤灰、礦粉、膨脹劑、水、減水劑的稱量允許偏差±1%以內；砂、碎石的稱量允許偏差±2%以內。為了進一步精確控制膨脹劑的量，針對底板、側墻及膨脹加強帶混凝土的配合比試配方案，通過與膨脹劑生產廠家溝通,定制生產32 kg/袋、42 kg/袋和58 kg/袋的SBTJM-Ⅲ(C)低堿型混凝土膨脹劑產品，確保每方混凝土使用1袋。

5.2 混凝土攪拌

膨脹劑的投料應做到準確可靠，嚴格執行混凝土配合比設計要求。試驗室技術人員應對膨脹劑、減水劑的投料進行24 h跟班監督。

及時監測砂、碎石的含水量，以便及時調整混凝土拌合水用量，嚴禁隨意增加用水量，保證混凝土坍落度的精確控制。

對混凝土配合比的執行及膨脹劑、減水劑的計量準確性建立定期或不定期抽查制度，確保混凝土質量穩定性。補償收縮混凝土攪拌時間應在普通混凝土攪拌時間的基礎上延長30 s以上，以確保膨脹劑在混凝土拌合物中均勻分散。

5.3 混凝土澆筑

訂購混凝土時應注明使用部位，防止不同部位的混凝土澆錯。在計劃澆筑區段內連續澆筑，不得中斷；混凝土澆筑以階梯式推進，澆筑間隔時間不得超過混凝土的初凝時間。澆筑現場嚴禁加水，保證混凝土坍落度符合配合比設計要求。超長無縫設計關鍵技術在后澆膨脹加強帶上，膨脹加強帶澆筑前,應將先期澆筑的混凝土表面清理干凈，充分濕潤。混凝土澆筑時，膨脹加強帶的兩側需用密孔鐵絲網攔隔，以防小膨脹混凝土混入加強帶。注意嚴防其他部位混凝土進入膨脹后澆帶內，以免影響設置效果，同時，嚴禁混凝土散落在尚未澆筑的部位，以免形成潛在的冷縫或薄弱點。

補償收縮混凝土振搗必須密實，不能漏振、欠振、也不可過振。混凝土應采用高頻機械振搗密實，振搗時間一般10 s為宜,應使混凝土表面浮漿、無氣泡，不下沉為止。使用插入式振動器應做到快插慢拔，插點要均勻排列，逐點移動，按順序進行，不得遺漏，做到均勻密實。移動間距不大于振動棒作用半徑的1.5倍，與模板的距離不應大于其作用半徑的0.5倍。嚴禁用振動棒振動鋼筋下料，鋼板止水帶的部位應采用人工插搗。

底板、頂板混凝土澆筑完畢，在混凝土終凝前必須用木抹刀或鋼抹刀搓壓混凝土表面，以防止表面出現裂縫(主要是沉降裂縫、塑性收縮裂縫)，抹壓共2～3遍。底板、頂板混凝土原漿收面后，應立即進行養護。

5.4 混凝土養護

補償收縮混凝土的養護對其使用效果的影響是非常大的，必須加以重視，每個施工段均設立專人負責養護工作。底板、頂板混凝土采用覆蓋塑料薄膜和防火草簾的保溫保濕的養護方式；側墻混凝土采用帶模養護7d以上；冬季施工期間，側墻混凝土拆模后要及時覆土回填，頂板混凝土要采用保溫覆蓋的方式越冬。

5.5 混凝土施工質量控制

為了控制混凝土裂縫，必須加強混凝土質量檢查，保證施工質量。在澆筑混凝土期間，值班人員要負責檢查混凝土的調配、澆筑和養護，使其始終處于控制狀態。混凝土施工工藝檢查的重點是膨脹加強帶的預留、混凝土澆筑、施工縫的處理、底板和頂板混凝土表面的二次抹面，養護覆蓋是否符合設計與施工方案的規定。混凝土澆筑時應控制好拆除模板、撤除養護覆蓋物中申請的執行情況，并檢查混凝土的凝結時間是否滿足連續作業需要。

6 結語

由于采用科學的混凝土配合比設計及合理的施工組織方案，有力地保證了補償收縮混凝土技術在寫字樓地下工程中的成功應用，底板、側墻和頂板混凝土均未出現有害裂縫，得到建設方、設計單位、監理單位的一致認可。通過本工程的成功應用表明，應用補償收縮混凝土技術，可以同時收到抗裂與結構自防水的雙重效果，從膨脹劑這種抗裂材料入手，實現“抗”與“放”的有機結合，是解決混凝土收縮開裂的一種有效途徑。該工程的成功歸功于建設方、設計院、施工方和監理的通力協作，證明了科學的設計方案、良好的施工技術、優質的膨脹劑以及嚴格的施工與養護要求是可以解決地下室超長結構開裂的難題,對類似工程具有一定的借鑒意義。

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