补偿收缩膨胀混凝土在超长地下室结构中应用

张 兵

0 引言

近年来,随着我国经济的发展,许多大型建筑也越来越多,超长混凝土结构也是越来越普遍,而且大家对控制混凝土结构裂缝的要求也越来越高;尤其对超长地下室结构,由于混凝土在硬化过程中不可控制的收缩特性,导致混凝土结构容易出现温度收缩裂缝,所以控制地下室外围混凝土构件裂缝是一个非常关键的环节。针对普通混凝土硬化过程中的收缩特性,为了补偿这种收缩,在1990年,北京市建筑设计研究院就提出了利用补偿收缩混凝土的补偿收缩作用,在超长结构中可否少设或不设缝的设想,经过20年的发展,现在补偿收缩膨胀混凝土在超长混凝土结构中应用的越来越广泛,技术越来越成熟,在这里针对补偿收缩膨胀混凝土在超长地下室混凝土结构中的应用作个系统的总结,供大家参考。

1 超长地下室混凝土结构容易出现裂缝的原因及裂缝分析

钢筋混凝土结构产生的裂缝原因很复杂,就材料而言,混凝土干缩和温差收缩是主要原因,尤其对超长混凝土结构更容易出现收缩裂缝,超长地下室底板和侧板的裂缝形成也主要是由各种因素带来的收缩应力所导致的。现以地下室底板裂缝开展为对象作个简单的分析,从已建的地下室混凝土结构看,超长地下室底板收缩裂缝分布的基本规律:裂缝垂直于底板的长向,并且沿长向按一定的间距分布。下面从收缩应力的角度分析超长地下室底板裂缝的成因,超长地下室底板在温度收缩变形作用下,混凝土会产生由两端向中心收缩运动的趋势,这一趋势必然受到地基土的约束,因此底板混凝土的全截面将出现拉应力,即水平法向应力σx。从工程实践可知,σx是设计主要控制应力,是引起混凝土板内垂直裂缝的主要应力。此外地基土对地下室底板约束为沿底板长向的连续式约束,因此从端部向中心,混凝土截面上的水平法向应力σx将由于这种约束的不断积累而越来越大,因此,水平法向应力的最大值σmax出现在板截面的中点处,具体如图1所示。当σmax超过混凝土的抗拉强度(ft),板中部将出现第一条垂直裂缝;混凝土板开裂后,每块板的水平裂缝将重新分布,最大应力σx′将出现在每块板的中部,当 σx′＞ft时,又形成第二批裂缝,如此继续,直到σx′＜ft,如图2所示。

2 掺膨胀剂的补偿收缩混凝土的作用机理

普通混凝土掺入膨胀剂后,混凝土适度膨胀,混凝土中的钢筋对它的膨胀产生限制作用,钢筋本身也因为与混凝土一起膨胀而产生拉应力,同时混凝土产生压应力。根据国内常用的补偿收缩混凝土的技术要求,混凝土在湿养期间,在配筋率μ=0.8%试验条件下,它产生的限制膨胀率为0.02%～0.03%,在混凝土中形成的预压应力为0.2 MPa～0.7 MPa,这一预压应力能够抵消导致混凝土开裂的全部或大部分应力,与此同时,推迟了混凝土收缩的产生过程,抗拉强度在此期间能获得较大幅度的增长,当混凝土收缩开始时,其抗拉应力已经增长到足以抵抗收缩应力,从而防止或减少混凝土收缩开裂,并使混凝土致密化,提高了结构的防渗能力,达到结构自防水的效果,这就是掺膨胀剂补偿收缩混凝土的作用机理,我们就是依靠这种“补偿收缩”来控制混凝土收缩裂缝的。

3 地下室混凝土结构对限制膨胀率及膨胀剂掺量的要求

既然补偿收缩膨胀混凝土有如此的功效,那么在实际中我们如何来配比“补偿收缩膨胀混凝土”这种材料。补偿收缩膨胀混凝土实际就是普通混凝土中掺入适量的膨胀剂,通过试验检测是否符合以下三项设计要求:1)膨胀剂产品是否合格;2)膨胀剂掺量是否符合设计要求;3)各结构部位混凝土的限制膨胀率是否符合设计要求。

目前在国内市场上的膨胀剂的品种很多,质量参差不齐,甚至还存在不合格产品。在合格的膨胀剂中,产品的性能也不尽相同,有的膨胀率虽然高,但干燥的收缩率很大,存在膨胀与收缩“落差”太大的现象。根据JC 476混凝土膨胀剂标准的确定,应检查其三项指标:1)碱含量不大于0.75%;2)水中7 d限制膨胀率不小于0.025%;3)最大掺量(替代水泥率)不大于12%。凡是经检验不符合此三项的产品均属不合格产品,不得使用。

此外,对膨胀剂的掺量规范也有相应的要求,膨胀剂主要功能是补偿混凝土硬化过程中的干缩拉应力和部分水化热引起的温差应力,从而能使混凝土中的孔隙减少,毛细孔径减小,提高混凝土的密实性,防止或减少结构产生有害裂缝。所以要真正发挥混凝土补偿收缩的作用,膨胀剂的选用及掺量是关键。国家现行标准GB 50119-2003混凝土外加剂应用技术规范规定,补偿收缩混凝土的膨胀剂掺量不宜大于12%,不宜小于6%;填充用膨胀混凝土的膨胀剂掺量不宜大于15%,不宜小于10%。

根据国家新发布的GB 50119-2003混凝土外加剂应用技术规范,掺膨胀剂补偿收缩混凝土及填充用膨胀混凝土的特性指标见表1,表2。

表1 补偿收缩混凝土的性能要求

表2 填充用膨胀混凝土的性能要求

在设计时我们一般注明:补偿收缩混凝土在水中养护14 d的混凝土限制膨胀率不小于0.025%,填充用膨胀混凝土在水中养护14 d的混凝土限制膨胀率不小于0.035%;同时在不同结构部位要满足表3要求。

表3 不同结构部位混凝土限制膨胀率

4 在设计上针对超长地下室混凝土结构裂缝所采取的方法

1)设置后浇带、采用掺膨胀剂补偿收缩混凝土控制混凝土裂缝。按规范,对超长地下室混凝土结构,每隔20 m～40 m需设置一条后浇带;后浇带应从基础至顶板顶,即从基础梁、地下室底板、顶板、内外墙、各层楼盖及顶板的梁板水平及垂直贯通留设,带宽800 mm～1 000 mm,钢筋在此处贯通不断,并增设相应各构件的附加钢筋(地下室后浇带详细做法见国标04FG02 P138页);同时采用掺膨胀剂补偿收缩混凝土来限制裂缝的开展。现阶段大部分的地下室均是采用此种方法来设计施工的。实践证明,此种方法是合理的,可以解决大部分的混凝土收缩裂缝;但也存在一些缺点,每隔20 m～40 m设置一条后浇带,会延长工期,而且后浇带的清理、灌缝非常麻烦,处理不好会成为渗漏的隐患;此外,后浇带一般要等到一两个月才能浇筑,不施工完,降水就不能停止,这会增加大量的降水费用。

2)设置膨胀加强带、采用掺膨胀剂补偿收缩混凝土控制混凝土裂缝。设置膨胀加强带实际是一种无缝设计思想,所谓“无缝设计”是个相对概念,根据结构情况,可无缝或少缝,是专指释放收缩应力的伸缩或后浇缝,不是指也不包括沉降缝。根据前面补偿收缩混凝土工作机理分析,超长结构收缩应力集中于跨中,所以膨胀加强带一般设在跨中部,每隔30 m左右设置一道,根据板的厚度,带宽为2 m～3 m,带两侧设密孔铁丝网,并用立筋φ 16@300～φ 18@300加固,目的是防止两侧混凝土流入带内。这样就可实现混凝土连续浇筑或称无缝施工。施工时,带外用小膨胀的补偿收缩混凝土,浇筑到加强带时,改用大膨胀混凝土,其强度等级比两侧混凝土高一个等级。浇筑到另一侧时,又改为浇筑小膨胀混凝土。如此循环,可连续浇筑100 m～200 m的超长结构。

在施工组织中,可根据现场情况确定采取整体连续浇筑或局部为连续浇筑式膨胀加强带,这可以通过不同形式的膨胀加强带来实现。具体分以下几种类型:图3为连续施工膨胀加强带,图4为间歇式膨胀加强带,图5为后浇式膨胀加强带(在主裙楼交接处也按此设计,此时该加强带的设置除控制收缩裂缝外,还能缓解主楼与裙房之间的差异沉降,浇筑时间同主裙楼之间设置的后浇带)。另外,对于超长地下室侧墙,考虑养护困难,环境温度、湿度变化大,易收缩开裂,宜用后浇式加强带,分段浇筑14 d后,再用大膨胀混凝土浇筑回填,见图6。

根据以上几种节点大样,结合实际工程所需的补偿收缩混凝土连续浇筑的结构长度和厚度,按表4可确定所设膨胀加强带的条数、构造形式、浇筑方式。

表4 膨胀加强带分布表

5 结语

补偿收缩混凝土结构与普通混凝土结构的标志区别是混凝土必须提供初期的有效膨胀,抵制混凝土本身在硬化过程中的收缩。在实际工程应用上,还有很多要注意的地方,因为引起混凝土收缩裂缝的因素是多方面的。

针对补偿收缩膨胀混凝土这方面的应用,只要我们在实际施工时认真应用合格的膨胀剂,按设计要求配比出合格的补偿收缩混凝土,并进行合理的浇筑、养护,合理控制超长混凝土结构的收缩裂缝是有很大效果的。本文通过实际工程的设计经验及有关国家现行规范,对如何合理采用补偿收缩膨胀混凝土来控制超长地下室混凝土结构收缩裂缝作个系统的总结,希望能给设计人员一点有益的参考。

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