补偿收缩混凝土应用注意事项

2015-12-20李可斌钮旋敏李长成

商品混凝土 2015年7期

关键词：膨胀剂膨胀率止水带

李可斌，钮旋敏，李长成

（1. 东莞市光泰混凝土有限公司，广东东莞 523518；2. 天津华北地质勘查局，天津 300170；3. 中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

补偿收缩混凝土应用注意事项

李可斌1，钮旋敏2，李长成3

（1. 东莞市光泰混凝土有限公司，广东东莞 523518；2. 天津华北地质勘查局，天津 300170；3. 中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

针对补偿收缩混凝土工程应用过程中存在的问题，从补偿收缩混凝土与防水混凝土的关系、膨胀剂的选择、膨胀加强带的设置，以及膨胀性能现场检测四方面介绍了补偿收缩混凝土的应用注意事项。

补偿收缩混凝土；限制膨胀率；膨胀剂；膨胀加强带；现场检测

混凝土结构自防水、超长结构无缝施工和大体积混凝土裂渗控制是补偿收缩混凝土应用的三个主要方向[1]，并且得到工程界的认可。但补偿收缩混凝土应用过程中还存在诸多问题，如补偿能力不足、无法评判膨胀性能等，制约了补偿收缩混凝土行业的健康发展。本文介绍了补偿收缩混凝土应用过程中的几点注意事项，有助于提高工程质量。

1　补偿收缩混凝土≠防水混凝土

随着人口增多，城市化进程的推进，大量农村和欠发达地区人口涌进都市，城市的地上土地资源已难以满足人类对生活品质需求的增加，大力发展地下工程是解决目前困境的强有力手段。地下工程因其位置所限，不渗不漏是保证地下工程正常发挥其功效的前提条件。然而，近年来因各种原因造成的地下工程渗漏事件逐年增多，该类投诉占工程质量投诉的 25% 以上。因此，采用经济合理的技术手段防止地下工程发生渗漏是工程界所面临的难题。

防水混凝土是以调整混凝土的配合比、掺外加剂或使用新品种水泥等方法提高自身的密实性、憎水性和抗渗性，使其满足抗渗压力大于 0.6MPa 的不透水性混凝土。GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》规定，一级、二级防水设防要求的地下工程，无论是明挖法还是暗挖法，主体结构都是应选或必选防水混凝土。显然，采用防水混凝土是提高地下工程防水效果的重要技术途径之一。从防水混凝土定义可以看出，防水混凝土自身可以保证水不渗透。但地下工程是一个由防水混凝土和其他建筑材料构建的一个整体的构筑物，它在建设、使用作过程中会受到因湿度变化引起的干燥收缩、温度变化引起的温度应力或者荷载应力等，当它们超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会发生开裂。当裂缝宽度达到一定时，外界水就会在压力作用下通过裂缝进入地下工程，防水混凝土则失去其效用。

一个地下工程是否渗漏，不仅仅取决于混凝土的抗渗性和防水性，更重要的在于混凝土是否抗裂。补偿收缩混凝土是由膨胀剂或膨胀水泥配制的膨胀水泥混凝土，一方面生成的水化产物钙矾石或氢氧化钙密实混凝土，提高混凝土的抗渗性。另一方面，在约束状态下储存 0.2～1.0MPa 自应力，可以抵消由于干缩或温度应力在混凝土中引起的拉应力，从而提高混凝土构筑物的抗裂防渗效果。显然，从技术途径来看，补偿收缩混凝土属于防水混凝土范畴，而且结构自防水也是补偿收缩混凝土的重要用途之一，并且也广泛应用于国内重点工程和民用工程。但是，补偿收缩混凝土≠防水混凝土，补偿收缩混凝土不仅具有防水混凝土的特性，更在于其抗裂性能。工程师应时时牢记，地下工程抗裂比抗渗重要，抗裂的混凝土基本都抗渗，但抗渗的混凝土不一定抗裂。设计师进行工程设计时，如果确定采用补偿收缩混凝土，则应注重的是其补偿收缩的功效，而不仅仅是看作一种简单的防水混凝土。

2　膨胀剂的选择

限制膨胀率是补偿收缩混凝土的关键设计参数，结合配筋率，通过计算可以估算导入混凝土内部的膨胀应力。因此，限制膨胀率的大小一定程度上反应了补偿收缩混凝土的补偿能力。当构筑物使用补偿收缩混凝土技术时，建筑设计师会结合工程特点，依据 JGJ 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》中的 4.0.2 规定的补偿收缩混凝土限制膨胀率设计取值（见表 1），进行适当调整，给出不同部位的限制膨胀率。

表1　限制膨胀率的设计取值

补偿收缩混凝土内部储存的 0.2～1.0MPa 自应力来源于膨胀剂自身和其与水泥组份之间的水化反应生成的膨胀产物。显然，膨胀剂是制备补偿收缩混凝土的最重要原材料。

目前，国内混凝土膨胀剂生产厂家较多，品牌众多，如 UEA、CEA、CSA、ZY 和 HCSA 等。如何正确选择膨胀剂不仅决定着补偿收缩混凝土能否发挥其效能，还直接影响着工程的经济性。GB 23439—2009《混凝土膨胀剂》将膨胀剂按限制膨胀率大小可分为Ⅰ型产品（7d 水中限制膨胀率≥0.025%）和 Ⅱ 型产品（7d 水中限制膨胀率≥0.050%）。膨胀剂按膨胀源又可以分为硫铝酸钙类（钙矾石）、氧化钙类（氢氧化钙）和硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂（钙矾石和氢氧化钙）三种。即使相同膨胀源、相同限制膨胀率的膨胀剂，如硫铝酸钙类国标Ⅰ型产品，因其采用的铝质材料 Al2O3来源不同，不同地域的不同厂家生产的膨胀剂的膨胀特性也存在较大差异[1]。

混凝土工程师，依据设计图纸给出的限制膨胀率设计值，对膨胀剂进行筛选，并确定最佳掺量。筛选指标依据《混凝土膨胀剂》规定的限制膨胀率、膨胀源。

（1）限制膨胀率。膨胀剂的限制膨胀率是将 10% 膨胀剂掺入灰砂比为 1:2 的砂浆中（水灰比为 0.4）测量得到的，砂子、用水量、水泥都是基准不变的。而补偿收缩混凝土的限制膨胀率则是按配合比设计的膨胀剂掺量测试得到的，膨胀剂掺量、原材料、混凝土强度等级和水灰比都不同，此外还有各种外加剂的影响。显然，明确膨胀剂的限制膨胀率与补偿收缩混凝土的限制膨胀率关系是筛选膨胀剂的首要前提。研究表明，在相同水胶比和养护条件下，胶砂与混凝土限制膨胀率存在一定的比例关系，比例系数约为 1.8～2.2（见图 1）[2]。

图1　相同条件下胶砂与混凝土限制膨胀率比例系数

显然，要配制出符合表 1 规定限制膨胀率的补偿收缩混凝土，则膨胀剂自身的限制膨胀率至少分别为 0.030%、0.040% 和 0.050%。然而，目前很多建设方、施工方，甚至包括一些混凝土工程师还没有认识到这一点，他们认为只要通过提高掺量，即使低限制膨胀率的膨胀剂也可以配制出符合要求的补偿收缩混凝土。例如，采用Ⅰ型膨胀剂配制限制膨胀率为 0.025% 后浇带部位使用的补偿收缩混凝土，其结果只能是假的，工程因使用不合格的补偿收缩混凝土，也就达不到预期效果。让不知真相的人对补偿收缩混凝土的作用产生怀疑，这对整个行业发展都是不利的。因此，当膨胀剂厂家或混凝土工程师遇到类似情况时，应对有困惑的人进行解释，促进行业可持续发展。

（2）膨胀源。混凝土工程师对膨胀剂的膨胀源进行优选时主要以工程特点和使用环境来判定。以钙矾石作为主要膨胀源或辅助膨胀源的膨胀剂，不得用于长期处于环境温度高于 80℃ 的钢筋混凝土工程。其原因在于钙矾石在 70℃ 左右条件下会发生分解[3]，生成单硫型水化硫铝酸钙，当温度降低时，钙矾石会再次生成，产生延迟膨胀，形成一定的膨胀应力。如果这种延迟膨胀发生在补偿收缩混凝土内部，则对混凝土结构就有可能产生灾难性的破坏。以氧化钙为膨胀源的膨胀剂，比较适用于难以进行水养护的混凝土结构或无法进行水养护的冬季施工。钙矾石生成途径是一个溶解-析晶反应，对于水的需求量较大、无外部水养护条件下，硫铝酸钙类膨胀剂配制的补偿收缩混凝土基本无膨胀。而氧化钙类膨胀剂的膨胀源——氢氧化钙反应则属于固相反应，依靠拌合水即可发生水化反应形成膨胀相[4]，因此氧化钙类膨胀剂具有绝湿膨胀特性。此外，随着混凝土技术的进步，粉煤灰、矿渣等矿物掺合料大量应用于混凝土当中，混凝土普遍存在“贫钙”问题。而氧化钙类膨胀剂水化反应生成的氢氧化钙既可以产生膨胀，为体系补充氢氧化钙，又可以参与水化，生成更多的 C-S-H 凝胶，改善混凝土性能。有一点需要指出，膨胀剂中的氧化钙是经过特殊工艺煅烧而成的，而非市场上销售的普通生石灰。

因此，选择膨胀剂时应依据补偿收缩混凝土的限制膨胀率设计值、工程结构特点和使用环境综合判定。

3　膨胀加强带或后浇带设置

后浇带是解决混凝土结构因温度、收缩或沉降引起开裂而采用的一种常用技术手段。温度、收缩设置的后浇带通常需要 42d 或者 2 个月以后才能浇筑，而沉降后浇带则需要等主体结构封顶、沉降稳定后才能回填，历时长久，降水费用高昂。此外，后浇带清理十分繁琐，渗漏隐患大。

采用补偿收缩混凝土，通过设置膨胀加强带替代温度、收缩后浇带，可以实现超长结构无缝施工，简化工艺、节约成本，该技术已在超长结构中得到广泛应用。膨胀加强带分为间歇式、后浇式和连续式三种，其中，采用间歇式和后浇式膨胀加强带时，但凡是涉及到防水要求的，膨胀加强带必需留置钢板止水带，否则该处就会漏水。地下车库顶板厚度200mm 左右，当采用密肋模壳结构时，顶板的混凝土厚度在 100mm 左右，钢板止水带放置较难。施工过程中，为了省事，有的项目部私自取消钢板止水带，认为在该处多做几层柔性外防水即可。然而，结果适得其反，渗漏往往就发生在这些无止水钢板的部位，这一点应引起施工人员的注意。

此外，目前我国广泛使用的钢板止水带构造见图 2-a，施工图集中要求止水钢板带的“开口”朝向迎水面。则底板部位设置的钢板止水带 “开口”朝下，振捣混凝土时，非密实混凝土中的夹带的空气排出，但止水钢板的向下开口会阻碍空气向上运动，产生孔洞等缺陷（见图 2-b），反而为水渗漏增加了通道。因此，建议底板钢板止水带构造为“V”字型，两端向上 5°角即可。

图2-b　孔洞缺陷

超前止水措施是解决沉降后浇带回填时间长、无法撤降水的一种方法。传统的超前止水做法中，底板需要进行下挖处理，施工复杂、工序多、工期长，并且，其采用的橡胶止水带在安装过程中极易发生破损，或者偏移，影响防水效果。中国建筑材料科学研究总院开发一种新型后浇带超前止水构造[5]，该技术直接在沉降后浇带位置铺设超前止水钢板，止水钢板的两侧止水构造随混凝土浇筑直接埋在混凝土中，既防水又起到模板作用（外墙），施工简便、费用低，具体作法见图 3。

图3　后浇带超前止水新构造

4　膨胀剂及补偿收缩混凝土膨胀性能的现场抽查

混凝土工程师确定膨胀剂种类后，结合补偿收缩混凝土强度、限制膨胀率和施工性能，给出适合工程用的混凝土配合比。如何保证膨胀剂厂家供应的膨胀剂与送样检测样品质量相同、混凝土搅拌站是否严格执行配合比、运到工地的补偿收缩混凝土其限制膨胀率是否满足设计要求，是建设方、施工方和监理重点关注的要点。

2009年以前，国内没有统一的膨胀剂和补偿收缩混凝土现场检测手段，往往等到工程出现质量问题后，才能采取补救措施，严重制约了行业的健康发展。GB 23439—2009《混凝土膨胀剂》附录 C 给出了混凝土膨胀剂和掺膨胀剂的混凝土膨胀性能快速试验方法——啤酒瓶法和烧杯法。其中，啤酒瓶法是将 10% 膨胀剂水泥净浆（水灰比 0.45）装入啤酒瓶中，观察瓶子开裂时间。烧杯法则是将运至工地现场的混凝土装入 500mL 玻璃烧杯中，终凝后浇水观察开裂时间。依据啤酒瓶和烧杯开裂时间的长短，可以定性判定膨胀剂和混凝土的膨胀特性[6]，该方法简便、直观、易操作，并且价格便宜。随着《混凝土膨胀剂》颁布实施，越来越多的工程人员使用上述快速检测方法，让人们认识到什么是真正的膨胀，对补偿收缩混凝土质量提高起到很大促进作用。

快速检测方法只能定性判别是否有膨胀，但无法给出膨胀的具体数值，也就无法识别否达到设计值。传统的混凝土限制膨胀率测试方法需要成型带纵向限制器的试件，对成型温度、脱模时间、养护条件都要求严格，测完水中 3d、7d、14d 长度变化后，还需移至恒温恒湿养护室中。上述条件工地基本都不具备，也就造成现场无法定量测试混凝土限制膨胀率。为此，中国建筑材料科学研究总院于 2010 年开始研发现场水泥基材料变形测量装置[7]，现场成型后直接连接千分表和数据采集器，定期浇水，即可实现限制膨胀率现场测量，可以监控混凝土的全程变形，数据采集后直接发到网络服务器，通过访问网络即可查看数据。同时，可避免数据造假，见图 4。