浅谈膨胀混凝土的工作机理以及在工程中的应用

李双祥 赵德荣

随着我国建筑事业的发展，建筑物使用功能的需要，钢筋混凝土房屋超长结构越来越多，例如：北京首都国际机场航站楼，平面呈工字型，南北长747.5米，东西长342.9米；北京西客站主楼336米×102米，东西配楼179米×104米；北京金地花园地上5幢住宅，地下连车库东西长171米，南北宽146米；大庆丽景住宅107栋长129米等，这些建筑均采用了无缝设计的设计理念。

当建筑物地下水位较高的地下结构的体量较大或超长时，设计、施工应综合解决结构抗渗与设置温度缝两大技术难题。多年来我们一直习惯于普通抗渗混凝土加设后浇带，用来取代橡胶止水带伸缩缝。但设计中后浇带应布置在适当部位且应连续交圈，将整体结构划分成若干临时性独立单元，致使设计复杂化、难度增大。特别是在浇灌后浇带前的一段时间，很难排除地下水对施工质量的影响，并需处理一系列技术性问题，诸如：对后浇带部位进行长期围护、设置临时支撑、清理后浇带、钢筋除锈、就位焊接等，致使工序管理复杂化、施工难度增加，工程质量难以保证、延误工期、增加投资。上述实际问题多年以来未能解决。因此，综合解决无缝（不设伸缩缝后浇带）砼结构的抗裂问题，确系当务之急。近几年来的科研成果和工程实践表明，研制新型膨胀剂，采用膨胀砼是综合解决上述技术问题的有效手段。

一、膨胀砼的抗渗、抗裂机理

⒈膨胀砼结构，当未承受外荷载时，其物理、力学状态。由于在砼中配置钢筋，特别是工程实际中不可避免地存在着结构边界条件的约束作用（沿结构尺寸的较长方向是主要约束方向），结构中产生的各类变形均处于受限状态，故普通砼的干缩、蠕变、温差等收缩变形将引发裂缝。而膨胀砼在硬化过程中产生体积膨胀，体内产生压应力和压应变，补偿了各类收缩变形，抵消或部分抵消了相应的拉应力，从而提高了砼的抗裂性。由于膨胀变形及其所释放的能量的主要部分均发生在砼养护的初期阶段，基本处于塑性状态，故其孔隙的空间易于被大量压缩；加之，游离的钙矾石结晶颗粒具有直填充孔隙的作用，使孔隙进一步减小，密实度明显提高。上述多种因素的综合作用，有效地改善了砼的微观结构，从而使其具有良好的抗渗性能。

⒉抗裂性机理的深化剖析。前文仅从补偿收缩的角度阐述膨胀砼的抗裂性，这是多年以来众所共识的传统学术观点。综合近年来黑龙江省大量工程实践积累的检测资料及中国建筑材料科学研究院的试验研究成果以及国外有关文献，对抗裂机理可做如下进一步的深化理解，即：膨胀砼本身具有的下列特性，是其获得良好抗裂性的重要因素。其特性一：在受限状态下砼净膨胀率（按膨胀值与收缩值之差计算）e=f(t)的发展过程延续相当长的时间，曲线呈缓降收敛状态；在此过程中净膨胀率的变化为约在100天左右的龄期前，e为正值，体内产生压应变；其后e转变为负值，体内产生拉应变。其特性二：初期膨胀量达到高峰值，是决定净膨胀率负值出现时间推迟的关键。当净膨胀率负值出现时，砼的抗拉极限强度、极限应变值已大幅度增长足以抵抗收缩产生的拉应力、拉应变。综上，剖析膨胀砼的抗裂性机理及评估其抗裂性能，不宜单纯针对其膨胀值的大小，而应综合分析净膨胀率发展全过程的延续时间、初期峰值的大小以及在此全过程中净膨胀率的变化规律。

二、关于工程实践若干问题的探讨

大量工程实践表明：在各类工程项目中（诸如大型地下锅炉房墙、板结构、游泳池和地下贮水池、高层建筑的地下室墙、板结构及箱型基础等），采用无缝整体现浇膨胀砼结构方案均取得了良好的抗渗抗裂效果。但在实践中尚存在若干技术性问题，应妥善处理。

⒈重视并加强砼早期养护（约14d）。在此期间，应保持连续补给充足的水分，以保证膨胀率达到较高的峰值，这是提高抗裂性和抗渗性的关键。施工中往往由于忽视加强早期养护的机理未采取必要的养护措施，致使膨胀砼的抗裂、抗渗性能遭受不同程度的影响，甚至出现质量问题。

⒉掺膨胀剂的补偿收缩混凝土的膨胀效能在限制条件下才能产生予压应力，构造（温度）钢筋的设计和特殊部位的附加筋的处理，对控制结构的有害裂缝十分重要。墙体易于出现纵向收缩裂缝，其水平构造筋的配筋率宜在0.4%～0.6%，水平筋的间距应小于150mm，并宜于在墙体的中部或顶端设一道暗梁。

⒊严格控制水灰比。黑龙江省实践经验表明：水灰比不应超过0.5l～0.52。水灰比过高则孔隙率增大，钙矾石结晶颗粒的填孔效果受到影响，不利于抗渗。膨胀量的绝大部分发生在早期，砼尚处于塑性状态，当孔隙率过大时，膨胀能量的大部分消耗于压缩塑性体的大量孔隙和释放到其他非主要受限方向，而沿主要受限方向（沿该方向收缩变形值较大，是抗裂设防的主要方向，常首先出现裂缝）的有效压应变和预压应力的初始峰值明显降低；故，沿该方向孔隙的有效压缩量也相对降低，终将导致抗裂、抗渗性能同时下降。

⒋控制振捣质量。其必要性不言而喻，且混凝土应连续浇灌，间隔时间不宜超过1小时，当气候干热运距较长时可掺入缓凝剂，且忌任意加水。浇灌自由落距不宜超过2m。

⒌为保证工程质量应采用不低于425号的普通硅酸盐水泥，用量不宜低于300～350kg／m3。粗骨料粒径不宜大于 32mm，含泥量应小于l%；细骨料以选用含泥量小于l%的中粗砂为佳。

⒍膨胀剂的选型与掺量是影响工程质量的关键。其中，以中国建筑材料科学研究院研制开发的U型膨胀剂为最佳。应视工程具体情况具体分析后确定。情况一：U型膨胀剂掺量10%～14%（占水泥比重），可获得良好的膨胀性能，适用于以抗裂为主要目标的工程。当取此掺量时，膨胀砼在非受限状态下自由膨胀的强度（自由强度）与普通砼自由强度相比，约降低5%～10%。但可不考虑其影响。因为，实际工程中砼均不可避免地处于受限状态。在此状态下膨胀砼的强度与普通砼相比约提高10%~30%（与受限状态的强弱及膨胀剂掺量相关），故，在一般受限状态下膨胀砼的实际强度（当掺量为10%～14%）常高于相同强度等级的普通砼的自由强度。但当膨胀剂的掺量远大于±4%且结构处于非强化受限状态时，上述不利影响则不可忽略；情况二：U型膨胀剂掺量8%~10%，膨胀率偏低，但砼的强度有所提高并有良好的抗渗性能，适用于以抗渗为主要目标的承重结构。当同时提高砼的抗裂性时，膨胀剂掺量可增加到14%。为慎重计，建议将砼强度等级适当提高；情况三：膨胀剂掺量14%～16%，膨胀率明显提高，但砼自由强度下降幅度超过10%，不应忽视。故，取此掺量时仅适用于大体量且处于很强受限状态的填充混凝土。由于受限状态的强化，混凝土的实际强度提高幅度较大，足以补偿其自由强度的损失。

⒎黑龙江省处于严寒地区。膨胀砼（掺U型膨胀剂）对早强剂和抗冻剂一般是相容的。为慎重计，上述外加剂的选型及掺量应参照黑龙江省类似工程的经验或必要时经试验后确定。

三、结 语

黑龙江省在工程实践中采用膨胀砼新技术，解决了地下砼结构抗渗抗裂问题，简化了设计与施工程序，确保了工程质量，加快施工进度，节约投资，产生了明显的技术、经济与社会效益。这标志着该项技术在黑龙江省已进入一个新的发展阶段。在总结成功经验的同时也应看到，在该领域的技术理论与实践方面，尚有许多课题，需要深入探讨、解决，以求进取。

1993年以来，中国建筑材料科学研究院采用UEA膨胀剂，在许多工程中实施了“超长钢筋混凝土结构无缝设计施工新技术”，为不设置永久伸缩缝开创了新局面。