補償收縮混凝土應用注意事項

李可斌，鈕旋敏，李長成

（1. 東莞市光泰混凝土有限公司，廣東 東莞 523518；2. 天津華北地質勘查局，天津 300170；3. 中國建筑材料科學研究總院，北京 100024）

補償收縮混凝土應用注意事項

李可斌1，鈕旋敏2，李長成3

（1. 東莞市光泰混凝土有限公司，廣東 東莞 523518；2. 天津華北地質勘查局，天津 300170；3. 中國建筑材料科學研究總院，北京 100024）

針對補償收縮混凝土工程應用過程中存在的問題，從補償收縮混凝土與防水混凝土的關系、膨脹劑的選擇、膨脹加強帶的設置，以及膨脹性能現場檢測四方面介紹了補償收縮混凝土的應用注意事項。

補償收縮混凝土；限制膨脹率；膨脹劑；膨脹加強帶；現場檢測

混凝土結構自防水、超長結構無縫施工和大體積混凝土裂滲控制是補償收縮混凝土應用的三個主要方向[1]，并且得到工程界的認可。但補償收縮混凝土應用過程中還存在諸多問題，如補償能力不足、無法評判膨脹性能等，制約了補償收縮混凝土行業的健康發展。本文介紹了補償收縮混凝土應用過程中的幾點注意事項，有助于提高工程質量。

1　補償收縮混凝土≠防水混凝土

隨著人口增多，城市化進程的推進，大量農村和欠發達地區人口涌進都市，城市的地上土地資源已難以滿足人類對生活品質需求的增加，大力發展地下工程是解決目前困境的強有力手段。地下工程因其位置所限，不滲不漏是保證地下工程正常發揮其功效的前提條件。然而，近年來因各種原因造成的地下工程滲漏事件逐年增多，該類投訴占工程質量投訴的 25% 以上。因此，采用經濟合理的技術手段防止地下工程發生滲漏是工程界所面臨的難題。

防水混凝土是以調整混凝土的配合比、摻外加劑或使用新品種水泥等方法提高自身的密實性、憎水性和抗滲性，使其滿足抗滲壓力大于 0.6MPa 的不透水性混凝土。GB 50108—2008《地下工程防水技術規范》規定，一級、二級防水設防要求的地下工程，無論是明挖法還是暗挖法，主體結構都是應選或必選防水混凝土。顯然，采用防水混凝土是提高地下工程防水效果的重要技術途徑之一。從防水混凝土定義可以看出，防水混凝土自身可以保證水不滲透。但地下工程是一個由防水混凝土和其他建筑材料構建的一個整體的構筑物，它在建設、使用作過程中會受到因濕度變化引起的干燥收縮、溫度變化引起的溫度應力或者荷載應力等，當它們超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會發生開裂。當裂縫寬度達到一定時，外界水就會在壓力作用下通過裂縫進入地下工程，防水混凝土則失去其效用。

一個地下工程是否滲漏，不僅僅取決于混凝土的抗滲性和防水性，更重要的在于混凝土是否抗裂。補償收縮混凝土是由膨脹劑或膨脹水泥配制的膨脹水泥混凝土，一方面生成的水化產物鈣礬石或氫氧化鈣密實混凝土，提高混凝土的抗滲性。另一方面，在約束狀態下儲存 0.2～1.0MPa 自應力，可以抵消由于干縮或溫度應力在混凝土中引起的拉應力，從而提高混凝土構筑物的抗裂防滲效果。顯然，從技術途徑來看，補償收縮混凝土屬于防水混凝土范疇，而且結構自防水也是補償收縮混凝土的重要用途之一，并且也廣泛應用于國內重點工程和民用工程。但是，補償收縮混凝土≠防水混凝土，補償收縮混凝土不僅具有防水混凝土的特性，更在于其抗裂性能。工程師應時時牢記，地下工程抗裂比抗滲重要，抗裂的混凝土基本都抗滲，但抗滲的混凝土不一定抗裂。設計師進行工程設計時，如果確定采用補償收縮混凝土，則應注重的是其補償收縮的功效，而不僅僅是看作一種簡單的防水混凝土。

2　膨脹劑的選擇

限制膨脹率是補償收縮混凝土的關鍵設計參數，結合配筋率，通過計算可以估算導入混凝土內部的膨脹應力。因此，限制膨脹率的大小一定程度上反應了補償收縮混凝土的補償能力。當構筑物使用補償收縮混凝土技術時，建筑設計師會結合工程特點，依據 JGJ 178—2009《補償收縮混凝土應用技術規程》中的 4.0.2 規定的補償收縮混凝土限制膨脹率設計取值（見表 1），進行適當調整，給出不同部位的限制膨脹率。

表1　限制膨脹率的設計取值

補償收縮混凝土內部儲存的 0.2～1.0MPa 自應力來源于膨脹劑自身和其與水泥組份之間的水化反應生成的膨脹產物。顯然，膨脹劑是制備補償收縮混凝土的最重要原材料。

目前，國內混凝土膨脹劑生產廠家較多，品牌眾多，如 UEA、CEA、CSA、ZY 和 HCSA 等。如何正確選擇膨脹劑不僅決定著補償收縮混凝土能否發揮其效能，還直接影響著工程的經濟性。GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》將膨脹劑按限制膨脹率大小可分為Ⅰ型產品（7d 水中限制膨脹率≥0.025%）和 Ⅱ 型產品（7d 水中限制膨脹率≥0.050%）。膨脹劑按膨脹源又可以分為硫鋁酸鈣類（鈣礬石）、氧化鈣類（氫氧化鈣）和硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑（鈣礬石和氫氧化鈣）三種。即使相同膨脹源、相同限制膨脹率的膨脹劑，如硫鋁酸鈣類國標Ⅰ型產品，因其采用的鋁質材料 Al2O3來源不同，不同地域的不同廠家生產的膨脹劑的膨脹特性也存在較大差異[1]。

混凝土工程師，依據設計圖紙給出的限制膨脹率設計值，對膨脹劑進行篩選，并確定最佳摻量。篩選指標依據《混凝土膨脹劑》規定的限制膨脹率、膨脹源。

（1）限制膨脹率。膨脹劑的限制膨脹率是將 10% 膨脹劑摻入灰砂比為 1:2 的砂漿中（水灰比為 0.4）測量得到的，砂子、用水量、水泥都是基準不變的。而補償收縮混凝土的限制膨脹率則是按配合比設計的膨脹劑摻量測試得到的，膨脹劑摻量、原材料、混凝土強度等級和水灰比都不同，此外還有各種外加劑的影響。顯然，明確膨脹劑的限制膨脹率與補償收縮混凝土的限制膨脹率關系是篩選膨脹劑的首要前提。研究表明，在相同水膠比和養護條件下，膠砂與混凝土限制膨脹率存在一定的比例關系，比例系數約為 1.8～2.2（見圖 1）[2]。

圖1　相同條件下膠砂與混凝土限制膨脹率比例系數

顯然，要配制出符合表 1 規定限制膨脹率的補償收縮混凝土，則膨脹劑自身的限制膨脹率至少分別為 0.030%、0.040% 和 0.050%。然而，目前很多建設方、施工方，甚至包括一些混凝土工程師還沒有認識到這一點，他們認為只要通過提高摻量，即使低限制膨脹率的膨脹劑也可以配制出符合要求的補償收縮混凝土。例如，采用Ⅰ型膨脹劑配制限制膨脹率為 0.025% 后澆帶部位使用的補償收縮混凝土，其結果只能是假的，工程因使用不合格的補償收縮混凝土，也就達不到預期效果。讓不知真相的人對補償收縮混凝土的作用產生懷疑，這對整個行業發展都是不利的。因此，當膨脹劑廠家或混凝土工程師遇到類似情況時，應對有困惑的人進行解釋，促進行業可持續發展。

（2）膨脹源。混凝土工程師對膨脹劑的膨脹源進行優選時主要以工程特點和使用環境來判定。以鈣礬石作為主要膨脹源或輔助膨脹源的膨脹劑，不得用于長期處于環境溫度高于 80℃ 的鋼筋混凝土工程。其原因在于鈣礬石在 70℃ 左右條件下會發生分解[3]，生成單硫型水化硫鋁酸鈣，當溫度降低時，鈣礬石會再次生成，產生延遲膨脹，形成一定的膨脹應力。如果這種延遲膨脹發生在補償收縮混凝土內部，則對混凝土結構就有可能產生災難性的破壞。以氧化鈣為膨脹源的膨脹劑，比較適用于難以進行水養護的混凝土結構或無法進行水養護的冬季施工。鈣礬石生成途徑是一個溶解-析晶反應，對于水的需求量較大、無外部水養護條件下，硫鋁酸鈣類膨脹劑配制的補償收縮混凝土基本無膨脹。而氧化鈣類膨脹劑的膨脹源——氫氧化鈣反應則屬于固相反應，依靠拌合水即可發生水化反應形成膨脹相[4]，因此氧化鈣類膨脹劑具有絕濕膨脹特性。此外，隨著混凝土技術的進步，粉煤灰、礦渣等礦物摻合料大量應用于混凝土當中，混凝土普遍存在“貧鈣”問題。而氧化鈣類膨脹劑水化反應生成的氫氧化鈣既可以產生膨脹，為體系補充氫氧化鈣，又可以參與水化，生成更多的 C-S-H 凝膠，改善混凝土性能。有一點需要指出，膨脹劑中的氧化鈣是經過特殊工藝煅燒而成的，而非市場上銷售的普通生石灰。

因此，選擇膨脹劑時應依據補償收縮混凝土的限制膨脹率設計值、工程結構特點和使用環境綜合判定。

3　膨脹加強帶或后澆帶設置

后澆帶是解決混凝土結構因溫度、收縮或沉降引起開裂而采用的一種常用技術手段。溫度、收縮設置的后澆帶通常需要 42d 或者 2 個月以后才能澆筑，而沉降后澆帶則需要等主體結構封頂、沉降穩定后才能回填，歷時長久，降水費用高昂。此外，后澆帶清理十分繁瑣，滲漏隱患大。

采用補償收縮混凝土，通過設置膨脹加強帶替代溫度、收縮后澆帶，可以實現超長結構無縫施工，簡化工藝、節約成本，該技術已在超長結構中得到廣泛應用。膨脹加強帶分為間歇式、后澆式和連續式三種，其中，采用間歇式和后澆式膨脹加強帶時，但凡是涉及到防水要求的，膨脹加強帶必需留置鋼板止水帶，否則該處就會漏水。地下車庫頂板厚度200mm 左右，當采用密肋模殼結構時，頂板的混凝土厚度在 100mm 左右，鋼板止水帶放置較難。施工過程中，為了省事，有的項目部私自取消鋼板止水帶，認為在該處多做幾層柔性外防水即可。然而，結果適得其反，滲漏往往就發生在這些無止水鋼板的部位，這一點應引起施工人員的注意。

此外，目前我國廣泛使用的鋼板止水帶構造見圖 2-a，施工圖集中要求止水鋼板帶的“開口”朝向迎水面。則底板部位設置的鋼板止水帶 “開口”朝下，振搗混凝土時，非密實混凝土中的夾帶的空氣排出，但止水鋼板的向下開口會阻礙空氣向上運動，產生孔洞等缺陷（見圖 2-b），反而為水滲漏增加了通道。因此，建議底板鋼板止水帶構造為“V”字型，兩端向上 5°角即可。

圖2-b　孔洞缺陷

超前止水措施是解決沉降后澆帶回填時間長、無法撤降水的一種方法。傳統的超前止水做法中，底板需要進行下挖處理，施工復雜、工序多、工期長，并且，其采用的橡膠止水帶在安裝過程中極易發生破損，或者偏移，影響防水效果。中國建筑材料科學研究總院開發一種新型后澆帶超前止水構造[5]，該技術直接在沉降后澆帶位置鋪設超前止水鋼板，止水鋼板的兩側止水構造隨混凝土澆筑直接埋在混凝土中，既防水又起到模板作用（外墻），施工簡便、費用低，具體作法見圖 3。

圖3　后澆帶超前止水新構造

4　膨脹劑及補償收縮混凝土膨脹性能的現場抽查

混凝土工程師確定膨脹劑種類后，結合補償收縮混凝土強度、限制膨脹率和施工性能，給出適合工程用的混凝土配合比。如何保證膨脹劑廠家供應的膨脹劑與送樣檢測樣品質量相同、混凝土攪拌站是否嚴格執行配合比、運到工地的補償收縮混凝土其限制膨脹率是否滿足設計要求，是建設方、施工方和監理重點關注的要點。

2009年以前，國內沒有統一的膨脹劑和補償收縮混凝土現場檢測手段，往往等到工程出現質量問題后，才能采取補救措施，嚴重制約了行業的健康發展。GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》附錄 C 給出了混凝土膨脹劑和摻膨脹劑的混凝土膨脹性能快速試驗方法——啤酒瓶法和燒杯法。其中，啤酒瓶法是將 10% 膨脹劑水泥凈漿（水灰比 0.45）裝入啤酒瓶中，觀察瓶子開裂時間。燒杯法則是將運至工地現場的混凝土裝入 500mL 玻璃燒杯中，終凝后澆水觀察開裂時間。依據啤酒瓶和燒杯開裂時間的長短，可以定性判定膨脹劑和混凝土的膨脹特性[6]，該方法簡便、直觀、易操作，并且價格便宜。隨著《混凝土膨脹劑》頒布實施，越來越多的工程人員使用上述快速檢測方法，讓人們認識到什么是真正的膨脹，對補償收縮混凝土質量提高起到很大促進作用。

快速檢測方法只能定性判別是否有膨脹，但無法給出膨脹的具體數值，也就無法識別否達到設計值。傳統的混凝土限制膨脹率測試方法需要成型帶縱向限制器的試件，對成型溫度、脫模時間、養護條件都要求嚴格，測完水中 3d、7d、14d 長度變化后，還需移至恒溫恒濕養護室中。上述條件工地基本都不具備，也就造成現場無法定量測試混凝土限制膨脹率。為此，中國建筑材料科學研究總院于 2010 年開始研發現場水泥基材料變形測量裝置[7]，現場成型后直接連接千分表和數據采集器，定期澆水，即可實現限制膨脹率現場測量，可以監控混凝土的全程變形，數據采集后直接發到網絡服務器，通過訪問網絡即可查看數據。同時，可避免數據造假，見圖 4。

圖4　現場測量裝置及網絡數據圖

5　小結

（1）補償收縮是補償收縮混凝土的本質和出發點，其補償能力大小可以通過混凝土的限制膨脹率來衡量。

（2）牢記膨脹劑限制率與混凝土限制膨脹率的2倍關系，是配制符合設計要求補償收縮混凝土的前提。

（3）對涉及防水要求的施工縫必須設置鋼板止水帶，外防水無用。

（4）采用超前止水鋼板的超前止水構造施工簡便、經濟，有效解決無法回填地下室和提前撤降水難題。

（5）膨脹性能快速定性檢測方法、膨脹率測量方法是判別膨脹劑質量好壞、工程用混凝土限制膨脹率是否達標的利器。

工程建設過程中，建設方、施工方、監理三方把握好上述幾點，可顯著提高補償收縮混凝土工程質量。

[1] 趙順增，游寶坤．補償收縮混凝土裂滲控制技術及其應用[M]．北京；中國建筑工業出版社，2010: 203-219,+17-18．

[2] 吳翠娥，吳文選．膠砂與混凝土限制膨脹率相關性研究[J].膨脹劑與膨脹混凝土，2014, 1: 5-8．

[3] 閻培渝．科學使用膨脹劑需要注意的問題[C]．第四屆全國混凝土膨脹劑學術交流會論文集-混凝土膨脹劑及其應用.北京；中國建材工業出版社，2006, 33-36．

[4] 趙順增，劉立，吳勇，等. HCSA 高性能混凝土膨脹劑性能研究[C]．第四屆全國混凝土膨脹劑學術交流會論文集——混凝土膨脹劑及其應用．北京；中國建材工業出版社，2006, 52-59．

[5] 趙順增，劉立．一種地下工程后澆帶超前止水的方法及超前止水鋼板構造[P]．中國專利: CN102226345 A，2011-10-26.

[6] 程杰，程彥，劉建光，等．膨脹劑及膨脹混凝土膨脹性能現場快速檢測方法[J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2014, 4:24-26+23．

[7] 趙順增．圖解說明現場檢測補償收縮混凝土限制膨脹率的方法和儀器[J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2012, 3:28-30．

［通訊地址］東莞市企石鎮東興民營工業邨 （523518）

李可斌（1983-），男，工程師。