補(bǔ)償收縮混凝土在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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1概述

在工程建設(shè)及建筑材料的使用中，普通混凝土得到了極其廣泛的運(yùn)用，但是，由于普通混凝土的極限延伸率較低，當(dāng)有干縮、徐變、溫度等因素作用時(shí)，其容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，從而使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏、鋼筋發(fā)生銹蝕，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)的使用功能及壽命受到嚴(yán)重的影響。普通混凝土存在的這一問題在大體積及超長混凝土結(jié)構(gòu)中尤為突出，為解決這一問題，工程中常用的方法包括設(shè)置伸縮縫、后澆帶以及使用補(bǔ)償收縮混凝土等。伸縮縫和后澆帶在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用比較普遍，而對于補(bǔ)償收縮混凝土，由于設(shè)計(jì)深度不夠或者后期操作上的不規(guī)范，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件開裂的事故也偶有發(fā)生，這值得我們思考并在工程實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、完善項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。補(bǔ)償收縮混凝土是由膨脹劑或膨脹水泥配制的自應(yīng)力為0.2~1.0MPa的混凝土。目前，我國的補(bǔ)償收縮混凝土主要用于結(jié)構(gòu)自防水、填充性膨脹混凝土工程、延長建筑物伸縮縫或后澆帶間距的連續(xù)澆筑的鋼筋混凝土工程以及大體積的混凝土工程。從我國多年來應(yīng)用補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行各種抗裂防滲工程的建設(shè)實(shí)踐看來，補(bǔ)償收縮混凝土在總體上具有良好的效果，其是代替普通混凝土的較理想材料。

2補(bǔ)償收縮混凝土控制裂縫的原理

當(dāng)受到鋼筋或其它約束力的作用時(shí)，混凝土的膨脹會受到一定的限制，同時(shí)，鋼筋又會因?yàn)榛炷恋呐蛎浂扉L，在這種條件下，鋼筋中會產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力，而混凝土中則會產(chǎn)生相應(yīng)的壓應(yīng)力（大小約為0.2MPa～1.0MPa），這種壓應(yīng)力能夠抵消混凝土開裂的全部或部分拉應(yīng)力，有效地補(bǔ)償混凝土的干縮和冷縮，從而避免混凝土的開裂。同時(shí)，膨脹劑與水、水泥拌合后經(jīng)水化反應(yīng)會生成鈣礬石晶體，這些晶體會填充混凝土的毛細(xì)孔，使其變細(xì)、減少甚至消失，從而增強(qiáng)混凝土的致密性，進(jìn)而大幅度的提高混凝土的抗裂防滲能力，使其耐久性及抵抗侵蝕的性能得到明顯的增強(qiáng)。如果僅僅只是簡單的向普通混凝土中摻加膨脹劑，并不能有效的控制混凝土產(chǎn)生裂縫，與普通混凝土一樣，在摻加膨脹劑，進(jìn)行補(bǔ)償收縮混凝土的配置時(shí)，也必須嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)、施工、材料三者緊密結(jié)合的原則?；炷恋南拗婆蛎浡适呛饬炕炷裂a(bǔ)償收縮能力的重要指標(biāo)。因此，在進(jìn)行補(bǔ)償收縮混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)原材料（如：所采用的水泥、外加劑等）的情況、混凝土的標(biāo)號及塌落度、配筋的分布、構(gòu)件的尺寸、工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的約束狀態(tài)、粉煤灰的摻加量及膨脹劑的質(zhì)量等進(jìn)行嚴(yán)格的控制；同時(shí)，在設(shè)計(jì)及試配的過程中，要根據(jù)工程構(gòu)件不同部位的約束情況，合理設(shè)計(jì)混凝土限制膨脹率的大小、進(jìn)行嚴(yán)格的測試，在確?；炷翉?qiáng)度及抗?jié)B能力的基礎(chǔ)上，有效確定膨脹劑的合理摻量。

3補(bǔ)償收縮混凝土的配合比設(shè)計(jì)

在進(jìn)行補(bǔ)償收縮混凝土的配合比設(shè)計(jì)時(shí)，除了對膨脹劑進(jìn)行合理的選擇，還應(yīng)充分了解影響混凝土限制膨脹率的因素。

3.1膨脹劑的選擇

目前，市場上可供選擇的膨脹劑種類十分繁多，不同膨脹劑的質(zhì)量也不盡相同。同時(shí)，在合格的膨脹劑產(chǎn)品中，膨脹劑的性能及其膨脹率的大小也存在許多的差異，例如：一些膨脹劑具有較高的膨脹率，但其在干空中的收縮率也較大，這就會產(chǎn)生膨脹、收縮落差較大等現(xiàn)象，從而影響混凝土的質(zhì)量。因此，在進(jìn)行膨脹劑選擇時(shí)，必須對膨脹劑的質(zhì)量進(jìn)行充分的了解，對膨脹劑的質(zhì)量及其膨脹率的大小進(jìn)行嚴(yán)格的分析、檢查，從而篩選出合適的膨脹劑產(chǎn)品。

3.2補(bǔ)償收縮混凝土配合比的影響因素

在膨脹劑摻量固定的情況下，砂漿的限制膨脹率要遠(yuǎn)小于凈漿，而混凝土的限制膨脹率又要遠(yuǎn)小于砂漿，這主要是因?yàn)橛绊懟炷料拗婆蛎浡实囊蛩厥謴?fù)雜。一般來說，影響混凝土限制膨脹率的因素除了水、水泥、砂、石外，還包括外加劑、混凝土的塌落度及其凝結(jié)時(shí)間、膨脹劑的摻量以及粉煤灰的摻量等。

（1）膨脹劑的摻量。一些觀點(diǎn)認(rèn)為，只要簡單的向普通混凝土中摻加膨脹劑，就能配制微膨脹的混凝土，從而有效的控制混凝土產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象，顯然，這種觀點(diǎn)是錯誤的。在進(jìn)行補(bǔ)償收縮混凝土配制時(shí)，如果膨脹劑的摻入量不足或膨脹劑的膨脹率過低，其在混凝土中產(chǎn)生的鈣礬石晶體就會偏少，雖然所產(chǎn)生的鈣礬石晶體也能部分的填充混凝土的毛細(xì)孔、提高混凝土的抗?jié)B能力，但其所產(chǎn)生的膨脹是比較微小的，其補(bǔ)償混凝土收縮的能力是遠(yuǎn)不夠的，在此情況下，混凝土剩余的收縮變形會遠(yuǎn)大于混凝土的極限延伸率，使得補(bǔ)償收縮混凝土的效果遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此，在進(jìn)行補(bǔ)償收縮混凝土配制時(shí)，只有根據(jù)混凝土的限制膨脹率大小來確定膨脹劑的摻量，產(chǎn)生足夠的鈣礬石晶體，才能顯著提高混凝土的膨脹率，使混凝土的膨脹性達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。顯改善混凝土的和易性，降低大體積混凝土的水化熱，控制混凝土的溫差收縮應(yīng)力。因此，在配制補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，為了使配制的補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率不至于偏低，技術(shù)人員需要在計(jì)算膨脹劑摻量時(shí)，將粉煤灰的量計(jì)入到膠凝材料中，從而使混凝土的限制膨脹率達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。

（3）外加劑。混凝土外加劑標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，一等品外加劑28天的混凝土收縮率比不大于125%，合格率28天的混凝土收縮率比不大于135%。一般情況下，28天外加劑推薦摻量下的混凝土與空白混凝土的收縮率比應(yīng)當(dāng)在115%~129%之間，由此可見，外加劑的使用可以大幅度的加大混凝土的收縮，并且，當(dāng)外加劑摻量越多時(shí)，混凝土的收縮就越明顯；與此同時(shí)，外加劑的使用已經(jīng)成為泵送混凝土施工時(shí)的重要組成部分，因此，為了達(dá)到泵送混凝土施工的要求，混凝土膨脹劑的選擇及摻量也應(yīng)得到相應(yīng)的提高。

（4）混凝土塌落度。在同一膨脹劑摻量下，混凝土的塌落度越大，混凝土的膨脹率就越小。故采用泵送混凝土?xí)r，要配制抗裂性好的補(bǔ)償收縮混凝土，必須提高膨脹劑的摻量。

（5）混凝土凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間較短時(shí)，水泥的水化反應(yīng)就比較快，混凝土早期的收縮現(xiàn)象也就比較明顯；而混凝土凝結(jié)時(shí)間過長，膨脹劑的膨脹能就會消耗在混凝土的塑性階段。從實(shí)際的工程實(shí)踐應(yīng)用來看，補(bǔ)償收縮混凝土的凝結(jié)時(shí)間最好控制在10-18小時(shí)內(nèi)，大體積混凝土要采用時(shí)間的上限。綜上可知，影響限制膨脹率的因素是多方面的。對于設(shè)計(jì)來說，應(yīng)在設(shè)計(jì)圖紙中說明哪些結(jié)構(gòu)部位采用補(bǔ)償收縮混凝土，并提出設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級、抗?jié)B等級以及14天水中限制膨脹率指標(biāo)。由于不同廠家的膨脹劑質(zhì)量有所不同，因此，施工單位可以通過實(shí)驗(yàn)來確定膨脹劑的摻量。對于大體積混凝土工程或地下工程，補(bǔ)償收縮混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)可以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60d或90d的強(qiáng)度為準(zhǔn)；除此以外，應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的強(qiáng)度為準(zhǔn)。

4設(shè)計(jì)中補(bǔ)償收縮混凝土的合理使用

現(xiàn)行《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T178-2009）規(guī)定：設(shè)計(jì)使用補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r，應(yīng)在設(shè)計(jì)圖紙中明確注明不同結(jié)構(gòu)部位的限制膨脹率指標(biāo)要求。即在進(jìn)行膨脹劑及摻量選擇時(shí)，應(yīng)該根據(jù)不同工程結(jié)構(gòu)部位的受約束程度及補(bǔ)償收縮所需的膨脹能，明確限制膨脹率的取值?！堆a(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中對不同結(jié)構(gòu)部位的限制膨脹率設(shè)計(jì)取值，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，在同一結(jié)構(gòu)中，由于不同部位的約束程度和收縮應(yīng)力不同，其限制膨脹率的設(shè)計(jì)取值也不相同，例如：墻體結(jié)構(gòu)的約束程度要高于水平梁板結(jié)構(gòu)、養(yǎng)護(hù)條件相比較差，故其限制膨脹率取值相對較高。另外，大的限制應(yīng)該用大的膨脹進(jìn)行補(bǔ)償，故后澆帶、膨脹加強(qiáng)帶的取值最大；同時(shí)，對于強(qiáng)度等級大于等于C50的混凝土、約束程度大的樁基礎(chǔ)底板、結(jié)構(gòu)總長度大于120m、環(huán)境相對濕度低、收縮變形大的部位，限制膨脹率取值要適當(dāng)提高。對于大體積、大面積及超長混凝土結(jié)構(gòu)可采用膨脹加強(qiáng)帶的措施來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的無縫或少縫設(shè)計(jì)。在施工組織中，可根據(jù)現(xiàn)場情況采取整體連續(xù)澆筑或局部連續(xù)澆筑，通過設(shè)置連續(xù)式、間歇式或后澆式膨脹加強(qiáng)帶來實(shí)現(xiàn)。膨脹加強(qiáng)帶的設(shè)置間距可按照常規(guī)后澆帶的設(shè)置原則進(jìn)行，寬度取為2000mm，兩側(cè)用密孔鋼絲將帶內(nèi)外混凝土分開；非沉降的后澆式膨脹加強(qiáng)帶可在兩側(cè)補(bǔ)償收縮混凝土澆筑28d后澆筑，大體積混凝土的膨脹加強(qiáng)帶應(yīng)在兩側(cè)的混凝土中心溫度降至環(huán)境溫度時(shí)澆筑。對于補(bǔ)償收縮混凝土而言，均衡配筋可以保證在需要補(bǔ)償收縮的部位產(chǎn)生均勻有效的膨脹，因此強(qiáng)調(diào)在全截面應(yīng)雙層雙向配筋，對于混凝土底板，鋼筋間距在150~200mm范圍內(nèi)；對于樓板，鋼筋間距在100~200mm范圍內(nèi)；對于屋面板、墻體水平筋，鋼筋間距在100~150mm范圍內(nèi)。當(dāng)?shù)叵率彝鈮Φ膬舾叨却笥?.6m時(shí)，在墻體高度的水平中線部位上下500mm范圍內(nèi)，水平筋的間距不應(yīng)大于100mm；當(dāng)房屋平面形體凹凸時(shí)，在房屋凹角處的樓板、房屋兩端陽角處及山墻處的樓板、與周圍梁墻和柱等構(gòu)件整體澆筑且受約束較強(qiáng)的樓板，宜加強(qiáng)配筋；建筑的出入口位置，結(jié)構(gòu)截面變化處、構(gòu)造復(fù)雜的突出部位、樓板空洞、標(biāo)高不同的相鄰構(gòu)件連接處，宜加強(qiáng)配筋。實(shí)際工程項(xiàng)目中，不少工程的地下部分存在結(jié)構(gòu)超長問題，設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常采用摻膨脹劑的方法進(jìn)行處理，但在表述上往往還不夠準(zhǔn)確，現(xiàn)將設(shè)計(jì)中常見的兩條按照《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》整理如下：

（1）基礎(chǔ)筏板及地下室外墻、頂板混凝土內(nèi)需摻加低堿抗裂型防水膨脹劑，摻量8%~10%（具體摻量須經(jīng)試驗(yàn)確定，要求膨脹率≥0.015%），且均需摻加抗裂纖維0.9kg/m3防裂。重新表述為：基礎(chǔ)筏板、地下室外墻及地下室頂部梁板采用摻抗裂纖維的補(bǔ)償收縮混凝土，抗裂纖維的摻量為0.9kg/m3，不同結(jié)構(gòu)部位補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率見表1，各部位的混凝土強(qiáng)度等級及抗?jié)B等級應(yīng)符合相關(guān)要求。

（2）地下部分設(shè)置后澆帶，寬度800mm，位置詳見具體施工平面圖，后澆帶處梁板鋼筋均應(yīng)貫通；后澆帶內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級提高一級，后澆帶內(nèi)摻低堿型微膨脹劑，具體摻入量由產(chǎn)品說明及試驗(yàn)確定，并應(yīng)符合規(guī)范《混凝土膨脹劑》的規(guī)定。重新表述為：本工程地下部分設(shè)置后澆帶，寬度800mm，位置詳見具體施工平面圖，后澆帶處梁板墻鋼筋均應(yīng)貫通，后澆帶內(nèi)采用補(bǔ)償收縮混凝土，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級比兩側(cè)混凝土提高一級，補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率見表1，抗?jié)B等級符合相關(guān)要求。

5結(jié)束語

補(bǔ)償收縮混凝土可以有效地防止和減輕混凝土開裂，為控制大體積及超長混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫提供了一種手段，但補(bǔ)償收縮混凝土的設(shè)計(jì)尚存在需要完善的地方。文章在介紹補(bǔ)償收縮混凝土控制裂縫原理、配合比影響因素的基礎(chǔ)上，對補(bǔ)償收縮混凝土的設(shè)計(jì)提出了建議，希望對補(bǔ)償收縮混凝土在工程設(shè)計(jì)中的合理應(yīng)用有所幫助。

作者：周濤 單位：山東英才學(xué)院