补偿收缩混凝土在某工程中的实际应用

张旭

福建厦门（361000）

补偿收缩混凝土在某工程中的实际应用

张旭

福建厦门（361000）

这里主要结合笔者多年工作经验，分析了补偿收缩混凝土在某写字楼地下室工程中的施工应用。

补偿收缩混凝土；混凝土；预应力

0 引言

某写字楼建筑面积8万m2,其中地下2.6万m2。工程结构类型属于框筒结构结合钢结构、预应力结构，地下室2层，底板埋深约10.0m，主楼地上32层，混凝土设计强度等级C40，抗渗标号P8，属大体积混凝土。地下室属于超长的钢筋混凝土结构，结构及工程地质条件复杂，施工技术要求高。除必须满足强度、刚度、整体性和耐久性要求外，还存在超长结构裂缝控制机结构防水问题。如何控制混凝土硬化期间，由于水泥水化过程释放的水化热所产生的温度应力和混凝土失水干燥所产生的干缩应力的共同作用,导致混凝土结构的开裂，破坏结构防水密封性及耐久性,将成为混凝土配合比设计、施工技术的关键。为了提高工程地下室结构的抗裂防渗能力,地下室底板、外墙、顶板及后浇带均采用SBTJM-Ⅲ(C)低碱型混凝土膨胀剂，配制补偿收缩混凝土施工。这里结合此工程讨论如何正确使用补偿收缩混凝土。

1 补偿收缩原理

目前用来解释补偿收缩混凝土的基本抗裂原理主要有3种。用膨胀来抵消全部或部分收缩，这种说法容易被误认为混凝土的自由膨胀率大于自由收缩率就可以保证不出现收缩,即混凝土不开裂。事实上,只有自由收缩被限制才会导致混凝土开裂，而自由膨胀率大的混凝土不一定具有足够的膨胀能来产生足够的限制膨胀。第二种解释是用适量的限制膨胀来补偿最大的限制收缩。这是经过长期对膨胀混凝土的实践和认识，直到20世纪60年代才被广泛接受的补偿收缩原理。第三种解释是用膨胀能概念，不论是补偿收缩还是自应力，产生这两种功能的根源均是混凝土的膨胀能。膨胀能产生的限制膨胀用来抵消干燥、降温、荷载、结构形式等原因引起的限制收缩。

2 超长混凝土无缝施工技术设计原则

出于工期及结构整体性考虑，工程上都不希望留后浇带，根据《混凝土结构设计规范》，使用普通混凝土现浇地下室墙壁等结构时，钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距仅为20～30m，而使用补偿收缩混凝土可延长浇筑长度，依据《补偿收缩混凝土应用技术规范》规定，其浇筑长度可延长到60m以上。图1为混凝土浇筑长度与收缩应力关系模型示意图，其中普通混凝土的收缩应力曲线为ABCDE，补偿收缩混凝土的收缩应力曲线为AFGHE,补偿收缩混凝土与膨胀加强带混凝土联合使用时的收缩应力曲线为AIJKE。从图1中可以看出，当超长混凝土结构使用普通混凝土时，其收缩应力σ从两边向中间增长到B、D两点时，σ≥ftk（混凝土抗拉强度），开始发生开裂，释放能量，由此表明普通混凝土不能用于浇筑超长结构。当采用小掺量膨胀剂配制补偿收缩混凝土浇筑超长混凝土结构时，补偿收缩混凝土产生的膨胀应力能够抵消部分收缩应力，其收缩应力从σ两边向中间随结构长度的延伸而增长，达到F、H两点时，σ≥ftk，开始产生开裂，此情况一定程度上降低了开裂风险，增大了混凝土结构连续浇筑长度。当采用小掺量膨胀剂配制补偿收缩混凝土，并在适当部位局部加大膨胀剂掺量配制膨胀加强带，通过组合膨胀对超长混凝土结构收缩应力进行叠加式重复补偿时,其收缩应力曲线为AIJKE，理论而言最大收缩应力σ小于混凝土极限抗拉强度，可以实现超长混凝土结构无缝施工。

图1 混凝土浇筑长度与收缩应力关系模型示意图

3 计算机模拟补偿收缩混凝土抗裂效果

著名混凝土裂缝控制专家王铁梦教授调查发现，高层建筑地下室底板出现裂缝的数量约占被调查工程底板总数的10%，而地下室外侧墙混凝土开裂的数量约占被调查工程总数的85%以上，这里选取侧墙混凝土作为研究对象,采用计算机模拟技术，运用有限元分析软件考察补偿收缩混凝土抗裂效果。假定侧墙混凝土从浇筑的20℃历时1.5d升温到50℃，然后在龄期7d降温到30℃，由于混凝土早期处于塑性-硬化阶段，弹性模量较低，取安全考虑升温阶段不人为产生膨胀压应力，降温阶段取线膨胀系数10×10-6/℃。由试验室测试数据可知，普通混凝土7d收缩应变150×10-6，掺SBTJM-Ⅲ(C)低碱型混凝土膨胀剂混凝土7d膨胀应变200×10-6，假定两种混凝土应力松弛系数均为0.3。普通混凝土长度方向拉应力有限元分析拉应力呈现从两端到中间迅速增大然后稳定的趋势，且底部拉应力大于顶部拉应力。采用有限元分析软件，以墙体高度中部（3m）处为例对比普通混凝土与补偿收缩混凝土拉应力，如图2所示。普通混凝土最大拉应力达2.6mPa，远超设计强度，因此混凝土开裂的风险很大，而掺膨胀剂混凝土最大拉应力仅为0.7mPa，低于设计强度，开裂风险很低。可见膨胀剂可有效补偿混凝土的干燥收缩及温降收缩，选取限制膨胀率为200×10-6的补偿收缩混凝土可以有效抑制侧墙混凝土开裂。

图2 普通混凝土与补偿收缩混凝土拉应力对比

4 补偿收缩混凝土配合比设计

依据国家标准《混凝土外加剂应用技术规范》、《地下防水工程质量验收规范》、行业标准《补偿收缩混凝土应用技术规程》等相关规范的要求，结合写字楼地下工程底板和墙体的实际情况，为确保本工程浇筑混凝土的耐久性和施工质量，对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，水中养护14d限制膨胀率0.020%～ 0.025%；2）侧墙、顶板混凝土:入模坍落度150～170mm，水中养护14d限制膨胀率0.025%～0.030%；3）膨胀加强带混凝土:入模坍落度160～180mm，水中养护14d限制膨胀率0.035%～0.040%。从试验结果可以看出，混凝土配合比设定合理，满足标准规范要求。

5 补偿收缩混凝土施工技术要点

5.1 原材料计量

补偿收缩混凝土配合比设计的关键是确定膨胀剂的掺量，以获得合适的限制膨胀率，在混凝土结构中基于早期膨胀产生一定的预压应力，用来抵消收缩，防止混凝土开裂。因此补偿混凝土的各种原材料应采用专用计量设备进行准确计量。计量设备应定期校验，使用前进行零点校核。原材料每盘称量的允许偏差应符合下列要求:水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂、水、减水剂的称量允许偏差±1%以内；砂、碎石的称量允许偏差±2%以内。为了进一步精确控制膨胀剂的量，针对底板、侧墙及膨胀加强带混凝土的配合比试配方案，通过与膨胀剂生产厂家沟通,定制生产32 kg/袋、42 kg/袋和58 kg/袋的SBTJM-Ⅲ(C)低碱型混凝土膨胀剂产品，确保每方混凝土使用1袋。

5.2 混凝土搅拌

膨胀剂的投料应做到准确可靠，严格执行混凝土配合比设计要求。试验室技术人员应对膨胀剂、减水剂的投料进行24 h跟班监督。

及时监测砂、碎石的含水量，以便及时调整混凝土拌合水用量，严禁随意增加用水量，保证混凝土坍落度的精确控制。

对混凝土配合比的执行及膨胀剂、减水剂的计量准确性建立定期或不定期抽查制度，确保混凝土质量稳定性。补偿收缩混凝土搅拌时间应在普通混凝土搅拌时间的基础上延长30 s以上，以确保膨胀剂在混凝土拌合物中均匀分散。

5.3 混凝土浇筑

订购混凝土时应注明使用部位，防止不同部位的混凝土浇错。在计划浇筑区段内连续浇筑，不得中断；混凝土浇筑以阶梯式推进，浇筑间隔时间不得超过混凝土的初凝时间。浇筑现场严禁加水，保证混凝土坍落度符合配合比设计要求。超长无缝设计关键技术在后浇膨胀加强带上，膨胀加强带浇筑前,应将先期浇筑的混凝土表面清理干净，充分湿润。混凝土浇筑时，膨胀加强带的两侧需用密孔铁丝网拦隔，以防小膨胀混凝土混入加强带。注意严防其他部位混凝土进入膨胀后浇带内，以免影响设置效果，同时，严禁混凝土散落在尚未浇筑的部位，以免形成潜在的冷缝或薄弱点。

补偿收缩混凝土振捣必须密实，不能漏振、欠振、也不可过振。混凝土应采用高频机械振捣密实，振捣时间一般10 s为宜,应使混凝土表面浮浆、无气泡，不下沉为止。使用插入式振动器应做到快插慢拔，插点要均匀排列，逐点移动，按顺序进行，不得遗漏，做到均匀密实。移动间距不大于振动棒作用半径的1.5倍，与模板的距离不应大于其作用半径的0.5倍。严禁用振动棒振动钢筋下料，钢板止水带的部位应采用人工插捣。

底板、顶板混凝土浇筑完毕，在混凝土终凝前必须用木抹刀或钢抹刀搓压混凝土表面，以防止表面出现裂缝(主要是沉降裂缝、塑性收缩裂缝)，抹压共2～3遍。底板、顶板混凝土原浆收面后，应立即进行养护。

5.4 混凝土养护

补偿收缩混凝土的养护对其使用效果的影响是非常大的，必须加以重视，每个施工段均设立专人负责养护工作。底板、顶板混凝土采用覆盖塑料薄膜和防火草帘的保温保湿的养护方式；侧墙混凝土采用带模养护7d以上；冬季施工期间，侧墙混凝土拆模后要及时覆土回填，顶板混凝土要采用保温覆盖的方式越冬。

5.5 混凝土施工质量控制

为了控制混凝土裂缝，必须加强混凝土质量检查，保证施工质量。在浇筑混凝土期间，值班人员要负责检查混凝土的调配、浇筑和养护，使其始终处于控制状态。混凝土施工工艺检查的重点是膨胀加强带的预留、混凝土浇筑、施工缝的处理、底板和顶板混凝土表面的二次抹面，养护覆盖是否符合设计与施工方案的规定。混凝土浇筑时应控制好拆除模板、撤除养护覆盖物中申请的执行情况，并检查混凝土的凝结时间是否满足连续作业需要。

6 结语

由于采用科学的混凝土配合比设计及合理的施工组织方案，有力地保证了补偿收缩混凝土技术在写字楼地下工程中的成功应用，底板、侧墙和顶板混凝土均未出现有害裂缝，得到建设方、设计单位、监理单位的一致认可。通过本工程的成功应用表明，应用补偿收缩混凝土技术，可以同时收到抗裂与结构自防水的双重效果，从膨胀剂这种抗裂材料入手，实现“抗”与“放”的有机结合，是解决混凝土收缩开裂的一种有效途径。该工程的成功归功于建设方、设计院、施工方和监理的通力协作，证明了科学的设计方案、良好的施工技术、优质的膨胀剂以及严格的施工与养护要求是可以解决地下室超长结构开裂的难题,对类似工程具有一定的借鉴意义。

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