硫鋁酸鈣類膨脹劑在地下工程剛性防水施工中的應用

穆艷君，賈福杰，何有磊，葛志強，李濤

（1.山東聊建集團有限公司，山東　聊城　252000；2.中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京100024；3.山東華泰股權投資管理有限公司，山東　聊城　252000）

硫鋁酸鈣類膨脹劑在地下工程剛性防水施工中的應用

穆艷君1，賈福杰2，何有磊1，葛志強3，李濤3

（1.山東聊建集團有限公司，山東聊城252000；2.中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京100024；3.山東華泰股權投資管理有限公司，山東聊城252000）

本文介紹了硫鋁酸鈣類膨脹劑在某建筑項目地下工程剛性防水施工中的應用，通過對膨脹劑的選擇、膨脹混凝土的配合比設計、施工過程中的節點處理等措施，提高了地下建筑工程混凝土的抗裂防滲性能，達到了的剛性防水的設計目標。

剛性防水；硫鋁酸鈣；裂縫控制；節點處理

0　工程概況

本工程為聊城市艾科農產品大市場金融能源中心地下工程項目，采用框架剪力墻結構，基礎類型為筏板基礎。整個建筑物形狀為 L 型，南北長65.5m，東西長50.4m。分為主樓和裙樓，結構設計參數見表1，后澆帶設置見圖1。

表1　設計參數

圖1　后澆帶設置

1　剛性防水設計

1.1膨脹混凝土剛性防水概念

高延繼[1]將剛性防水技術劃分為三類：

（1）混凝土結構本體自防水：主體是防水混凝土，一般使用減水劑、膨脹劑、防水劑、密實劑等。

（2）混凝土結構表面防水：主體是表面涂防水層、防滲層，一般使用樹脂涂料，聚合物水泥涂料，防水砂漿，滲透結晶型材料等。

（3）注漿灌漿：主要是針對構造節點和缺陷進行灌注處理，采用特種水泥、樹脂等；也包括新建工程的預處理。

現在我們國家常用的兩類地下室防水技術包括柔性防水和剛性防水。在大量的工程中發現柔性防水存在很多問題：（1）壽命與結構不同步，結構設計壽命多為50～70年，甚至百年耐久，而有機類柔性防水材料的壽命最多十幾年；（2）對施工操作依賴度高，需要良好的施工操作才能保證質量，這點在工程中往往很難實現，而且在樁頭等節點部位很難處理好；（3）不可維修，地下室回填后發現滲漏，則不可能將土挖開，對卷材防水進行修補。

而結構自防水恰恰在這些方面表現出了優勢：（1）耐久性好，與結構壽命同步；（2）節點部位容易處理；（3）可維修，后期發現滲漏點可在背水面進行防水處理。實際上 GB50208－2011《地下防水工程質量驗收規范》也將防水混凝土列為應選項目，提醒重視混凝土結構自身防水質量。

結構自防水是建筑物防水環節中最重要的永久防線，是從根本上解決建筑結構混凝土的抗裂防滲功能。

1.2膨脹混凝土剛性防水的發展概況

建筑工程防水技術的發展包括以下三個階段：（1）以排為主；（2）防排結合；（3）以防為基礎。這是建筑工程師們在長期的防水施工實踐中摸索出來的經驗。現在業界的統一認識為，以防為基礎，其根本在于實現建筑物的剛性防水，我國在設計規范上也將剛性防水作為必選項。在國外防水工程的設計與施工中，亦大多采用剛性結構自防水，剛性結構自防水實現的技術途徑就是使用防水混凝土。

防水混凝土的歷史發展大致包括以下四個時間階段：

（1）集料連續級配（1950－1960）：該技術最早由德國提出，調整混凝土配合比集料的級配以得到最小空隙率，提高混凝土密實度，以此來提高混凝土抗滲防水性能。我國最早使用是在解放初期，由于此技術路線對石子的級配要求非常嚴格，需要按照自然級配或者級配計算選擇相應級配的石子，十分繁瑣且成本較高，不切合實際，在實際應用過程中難以推廣。

（2）富砂漿（1960－1970）：主要通過提高水泥用量和砂率實現剛性防水。該技術最早由我國冶金部建筑研究總院等提出，認為混凝土抗滲防水能力主要取決于砂漿的密實性，其中調整混凝土中的灰砂比、砂率、石子粒徑、水灰比為關鍵，另外需加強早期養護以保證表面漿體強度和密實性。

（3）外加劑防水混凝土（1970－1980）：主要通過摻入各種外加劑，減少孔隙率等實現剛性防水。上世紀70年代后，外加劑防水混凝土得到了大規模應用，主要技術途徑是在混凝土中加入三乙醇胺、有機硅防水劑和高效減水劑等外加劑。提高混凝土的和易性，減小毛細孔數量，提高混凝土的密實度，增加了混凝土的抗滲防水性。

（4）補償收縮混凝土（1980－）：主要為膨脹混凝土，通過摻入膨脹劑，實現抗裂防滲。

地下工程的滲漏水主要是由于混凝土結構開裂導致，混凝土裂縫約20% 為荷載裂縫，與荷載應力和不均勻沉降有關，其余80% 為變形導致的裂縫，主要是由于混凝土干燥收縮、溫度收縮、自收縮及化學收縮等變形引起的。

對于解決水泥收縮問題，工程師們很早就提出了利用各種膨脹水泥或膨脹劑使混凝土產生適度體積膨脹，以補償混凝土的收縮。經過40多年的研究[2]，膨脹水泥和膨脹劑的生產制備工藝、膨脹速率和膨脹量的可調控性、膨脹混凝土的性能和應用技術已得到全面解決，先后在俄、美、日和我國投入生產，我國在80年代已進入實用化階段，形成了補償收縮混凝土結構自防水技術的新階段。

1.3補償收縮混凝土結構自防水技術

從結構的防水功能角度看，抗裂比抗滲重要，對于大部分的結構，在大多數情況下，不開裂就不會滲漏。一般的防水混凝土僅在原有基礎上提高了自身的抗滲性，不具有膨脹性能，起不到補償收縮抵抗變形開裂的功能，這樣的防水混凝土結構抗滲性很高，可是一旦結構由于收縮而開裂，就會產生滲漏水，影響使用，甚至銹蝕鋼筋，使鋼筋混凝土產生耐久性問題。綜上所述，抗裂才是混凝土結構剛性防水的根本，是解決防水問題的關鍵環節，具有抗裂和防滲雙重功能的補償收縮混凝土將是實現混凝土結構自防水的關鍵。

經過大量的工程應用實踐工作，1992年《UEA 補償收縮混凝土防水工法》被建設部施工管理司列為國家級工法(YJGF22－92)。GB50108－2001《地下工程防水技術規范》把膨脹劑列為防水混凝土的首選外加劑。這是我國結構自防水技術的重大進展。2009年制定的建工行業標準 JGJ/T178－2009《補償收縮混凝土應用技術規程》，明確規定：當地下結構或水工結構采用補償收縮混凝土作結構自防水時，在施工保證措施完善的前提下，迎水面可不做柔性防水[2]。

2　膨脹劑類型的選擇

硫酸酸鈣類膨脹劑[2]是指與水泥、水拌合后經水化反應生成鈣礬石的混凝土膨脹劑。比較有代表性的產品是日本電氣化學工業公司的 CSA、我國的 UEA、ZY、FEA、PNC、CSA 等。目前我國市場上銷售的膨脹劑大都屬于硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑。采取固定 SO3，變換 Al2O3的技術路線，SO3一般由硬石膏提供，通過改變 Al2O3來源，如鋁酸鈣、硫鋁酸鈣、明礬石、含鋁礦渣、煅燒礬土、高鋁煤矸石、高鋁粉煤灰、煅燒高嶺土、地開石等，各生產廠據此制定不同的生產配方，形成不同品牌的膨脹劑。另外，根據 W.L.Repette , N.P.Mailvaganam 的研究結果，硫鋁酸鈣類膨脹劑在中等強度混凝土（30～35MPa）中補償收縮效果顯著[3]，本工程選用的是壽光利飛外加劑混凝土有限公司提供的 UEA-D 混凝土膨脹劑，檢測結果見表2。

表2　UEA-D 檢測結果

3　膨脹混凝土配合比設計

根據工程的實際情況，結合混凝土試配結果，制定膨脹混凝土配合比如表3所示。

表3　膨脹混凝土配合比　kg/m3

3　施工過程中存在的問題

對于使用膨脹劑的補償收縮混凝土，在工程應用環節有一些需要特別注意的關鍵點：

3.1補償收縮混凝土的攪拌

膨脹劑均勻的摻到混凝土中產生體積微膨脹可以補償結構自身的變形收縮，然而，混合不均勻會造成局部膨脹量過大而造成局部強度損傷，所以在使用膨脹劑生產補償收縮混凝土的時候應延長攪拌時間，并在運輸的過程中利用罐車繼續攪拌。

3.2養護

硫鋁酸鈣類膨脹劑需要及早與水發生反應才能產生膨脹，并建立預壓應力，在混凝土后期發生收縮時可以補償收縮，標準及規范要求混凝土施工完后要養護14d，而在實際操作過程中，很少有工程能做到，一般能養護3d 就不錯了。而早期的保濕和水養護恰恰直接決定了混凝土結構可以儲存膨脹效能，所以，在使用膨脹劑生產補償混凝土過程中，應務必注意加強養護，以確保膨脹劑可以發揮效應。

3.3膨脹劑的檢驗

施工過程中對膨脹劑產品的檢驗是為了保證所設計的補償收縮混凝土補償性能的實現，而往往在實際應用過程中，由于現場監理以及質檢部門缺乏專業的檢測手段和設備，亦或是檢測過程繁瑣而忽視了膨脹劑的檢測，這也導致了很多不良廠商銷售假冒偽劣膨脹劑，或以次充好，結果就是摻了膨脹劑的混凝土并沒有產生補償收縮的效果，使業主蒙受了損失。GB23439－2009《混凝土膨脹劑》附錄 C，提出了燒杯法和啤酒瓶法等簡單的試驗方法，操作性非常好，非常適合現場對膨脹劑和摻膨脹劑的補償收縮混凝土進行膨脹率的定性檢測，結合權威質檢部門的定量檢測，可以有效的檢測出膨脹的質量，從而保證補償收縮混凝土的質量。

4　工程效果

基礎筏板和地下室外墻施工如圖2、圖3所示，拆模后觀察，沒有發現有害裂縫，通過對膨脹劑的選擇、膨脹混凝土的配合比設計、及施工環節的管控，后期對施工缺陷的處理，達到了地下室剛性防水的目的。

圖2　基礎筏板施工圖

圖3　地下室外墻施工圖

[1] 高延繼，趙順增，邵高峰．剛性防水技術闡述．剛性防水技術[M]．北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2] 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.

[3] W.L.Repette, N.P.Mailvaganam, 劉立譯．硫鋁酸鈣類膨脹劑的綜述[J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2005(1).

［通訊地址］山東省聊城市東昌路139號山東聊建集團有限公司（252000）

穆艷君（1966－），女，工程師。