高性能膨胀剂在某结构自防水工程中的应用研究

王德民，邬洪奎，阮文峰

（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430000；

2.中亿丰建设集团股份有限公司，江苏 苏州 215131）

高性能膨胀剂在某结构自防水工程中的应用研究

王德民1，邬洪奎2，阮文峰2

（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北 武汉 430000；

2.中亿丰建设集团股份有限公司，江苏 苏州 215131）

通过对高性能膨胀剂的作用机理的研究、不同结构部位混凝土限制膨胀率在低温季节施工的设计和试配、现场数据监测以及相应技术措施的保障实施下，实现了整个地下车库自防水混凝土无裂缝、无渗漏水的良好防水效果。结果表明：硫铝酸钙（CSA）和氧化钙（CaO）为高性能膨胀剂的两大膨胀源；低温季节施工设计的补偿收缩混凝土限制膨胀率可相应降低，侧墙、顶板（≥3.0×10-4）设计值应较底板（≥2.0×10-4）高；主体结构混凝土在浇筑完3个月后内部仍处于微膨胀状态。

补偿收缩混凝土；自防水混凝土；高性能膨胀剂；限制膨胀率；低温季节施工

0 前言

渗漏问题一直是建筑地下防水工程的质量通病。地下防水工程产生渗漏的根本原因在于自防水混凝土自身存在有害裂缝。如何有效解决混凝土有害裂缝的产生是提高建筑地下工程防水效果的关键。补偿收缩混凝土在国内的发展与应用已有30多年的历史，因其具有显著的补偿混凝土非结构性收缩的特点，使其在地下工程主体结构自防水混凝土中得到广泛应用[1-2]。膨胀剂是补偿收缩混凝土的核心材料，其在国内的发展从最初的无熟料膨胀剂到后来的有熟料膨胀剂，其主要膨胀源从硫铝酸钙单膨胀源发展到现在的硫铝酸钙-氧化钙双膨胀源。目前膨胀剂的发展方向主要有2个方面：一是需研发具有高效膨胀性能的膨胀熟料以提高其补偿收缩的效果；二是需减少膨胀剂对施工后期保湿养护的依赖性。高性能膨胀剂（HCSA）作为国内第三代膨胀剂，具有膨胀性能高、膨胀与收缩协调发展、水化需水量小等特点，符合现代建筑工程发展的需要，目前已在结构自防水工程实际中积累了较多的工程案例[3-5]。

为提高结构混凝土的抗裂、防水效果，苏州枫桥中心小学东校区工程地下车库选用了高性能膨胀剂（HCSA）配制的补偿收缩混凝土作为主体结构自防水混凝土。本文重点从高性能膨胀剂的作用机理、补偿收缩混凝土的配合比设计、混凝土低温季节浇筑施工和采取的相关技术措施等方面，分析和研究了此地下车库工程的整体抗裂、防水效果。

1 高性能膨胀剂的制备和机理分析

此工程地下车库的防水混凝土中添加了由武汉三源特种建材有限责任公司生产的高性能膨胀剂，该高性能膨胀剂的熟料具有硫铝酸钙和氧化钙双膨胀源。相比于传统的硫铝酸钙型膨胀剂具有水化反应需水量低、膨胀能高和膨胀性能稳定的特点[3]。此高性能膨胀剂的化学成分见表1，其XRD物相分析见图1。混凝土设计等级为C35P6，用水量175 kg/m3，砂率42%，膨胀剂掺量35 kg/m3，配制的混凝土试件28 d的SEM照片见图2。

表1 高性能膨胀剂的化学成分 %

图1 高性能膨胀剂的XRD图谱

图2 28 d混凝土试件的SEM照片

从表1可知，此高性能膨胀剂中三氧化硫和游离氧化钙含量较高；从图1可知，氧化钙和硫铝酸钙是其主要结晶矿物相。从图2可知，制备的C35P6混凝土中水化产物中含有较多的钙矾石和氢氧化钙[6]。综上，硫铝酸钙（CSA）和氧化钙（CaO）是使此工程中防水混凝土产生体积膨胀从而达到补偿混凝土收缩的主要动力源。

2 高性能膨胀剂在地下车库中的应用

2.1 工程概况

苏州枫桥中心小学东校区工程的地下车库为1层，地上建筑为4层，为框架结构体系，地下车库长179 m，宽96 m，占地面积为10 902 m2。防水混凝土等级为C35P6、后浇带等级为C40P6，其中各部位结构尺寸分别为底板厚度600 mm、侧墙300 mm、覆土部分顶板250 mm、无覆土部分顶板180 mm。底板混凝土用量7800 m3、墙柱和顶板混凝土用量5200 m3。地下车库结构混凝土浇筑时间为2016年1月初至4月初，后浇带于4月底浇筑完毕，地下结构从浇筑到覆土回填历时3个月左右。地下车库底板后浇带设置见图3。

图3 地下车库后浇带设置

2.2 补偿收缩混凝土

（1）原材料的选择

P·O42.5水泥；ZWL-A-I萘系减水剂；Ⅱ级以上品质且性能稳定的低钙粉煤灰；S95级磨细矿渣粉；自然连续级配（5～ 31.5 mm）的碎石；Ⅱ区中砂，河砂；高性能膨胀剂为硫铝酸钙、氧化钙双膨胀源组分且性能稳定，符合GB 23439—2009《混凝土膨胀剂》标准中Ⅱ型各项指标要求，其胶砂限制膨胀率为6.3×10-4。其中粗细骨料的泥含量及泥块含量指标需严格控制，粗骨料≤1%，细骨料≤2%。

（2）限制膨胀率的设计

由于本工程地下车库防水混凝土浇筑施工季节为苏州冬、春低温季节，混凝土受温度影响较小，冷缩值相对较低，其主要收缩为自收缩和干燥收缩。与夏季高温季节施工相比，秋、冬、春季补偿收缩混凝土的限制膨胀率设计限制可相应降低。通过大量实际工程统计表明，地下工程结构底板的收缩开裂风险较侧墙、顶板低，因而针对不同的结构部位需设计不同的限制膨胀率值。经工程实践和研究表明，补偿收缩混凝土限制膨胀率指标需达到2.0×10-4～4.0×10-4时，其具有较好的抗裂、防水效果[7]。针对本工程施工季节和结构特点，其补偿收缩混凝土的限制膨胀率设计值为底板≥2.0×10-4、侧墙和顶板≥3.0×10-4、不同部位后浇带设计值相应提高0.5×10-4。

（3）确定最终配合比

为确定混凝土中各组分的最终掺量，前期进行多组试配，最终将配合比中除高性能膨胀剂外的其他组分确定，具体配合比及根据配合比试配后的限制膨胀率及抗压强度见表2。为满足设计要求，高性能膨胀剂的掺量在底板中为25 kg/m3、侧墙和顶板中为35 kg/m3，不同部位的后浇带内掺量需相应提高5 kg/m3。

表2 混凝土配合比及其塌落度标养状态下混凝土限制膨胀率和抗压强度

2.3 施工技术措施

为保证高性能膨胀剂配制的补偿收缩混凝土有效发挥其补偿收缩的效果，并结合施工季节和现场施工条件，制定和实施了以下施工技术措施：（1）由于施工季节为冬、春季，温度较低，混凝土坍落度损失较小，为减少后期干燥收缩，将补偿收缩混凝土地，坍落度控制在（160±20）mm，现场监测混凝土入模温度在9.0～20.0℃。（2）保证施工过程混凝土的连续供应，浇筑混凝土及时人工振捣，避免出现过振和漏振现象。（3）混凝土浇筑过程中及时进行人工第1次收面，混凝土初凝前进行二次机械抹面，雨雪天气及时用塑料薄膜覆盖新浇筑混凝土，防止新鲜混凝土受冻或表面雨雪冲刷。（4）侧墙带模养护至混凝土内部温度降至与环境温度差值在10℃以内，工程实际带模养护时间为5～7 d。

2.4 应变和温度数据监测分析

现场施工过程中，采用温度传感器和振弦式应变计对混凝土内部微应变和温度进行监测。由于侧墙和顶板等薄板结构产生非结构性收缩开裂风险较底板更高，因而工程中在侧墙和顶板中埋设了振弦式应变计进行定时检测，其监测数据结果见图4、图5。

图4 侧墙混凝土温度和应变随时间的变化趋势

图5 顶板混凝土温度和应变随时间的变化趋势

从图4、图5可见，随时间的延长，侧墙和顶板混凝土内部微应变均呈现先上升后下降，最终在混凝土覆土后趋于平缓的趋势。混凝土内部微应变最大值在10～13 d出现，最大微应变≥150 με，趋于平缓后的混凝土内部微应变≥60 με。从混凝土浇筑开始至3个月后，混凝土内部一直处于膨胀状态，因而具有良好的抗裂、防水效果。

侧墙测点为2016年1月中旬开始采集，内部温峰值为22.2℃，出现时间为31.2 h；顶板测点为2016年2月下旬开始采集，内部温峰值为29.0℃，出现时间为24.6 h。本次应变和温度数据采集周期为3个月，顶板和侧墙均在数据采集2个月左右覆土回填完毕，覆土回填后温、湿度相对稳定，受环境影响较小，因而结构内部微应变和温度相对趋于平缓。

相比较于夏季高温施工的工程项目，秋、冬、春季低温施工项目混凝土内部的应变值相对较低，且应变峰值出现的时间亦相对延长[4]。主要原因是施工阶段的混凝土内部温度越高，膨胀剂水化反应速率越快，膨胀峰值相应较高。随着混凝土内部温度的升高，混凝土的温度冷缩和后期干燥收缩增大，混凝土收缩开裂风险亦越高。因而高温季节（≥30℃）施工的工程项目，结构混凝土限制膨胀率设计需相应提高。

2.5地下车库抗裂、防水效果

从前期混凝土试配到现场结构混凝土内部微应变数据监测来看，结构混凝土在覆土回填以后一直处于微膨胀状态。地下车库覆土回填1个月以后，从现场结构面检查及雨季的验证，混凝土结构表面未发现裂缝且无渗、漏水现象，证明采用高性能膨胀剂配制的补偿收缩混凝土具有良好的抗裂、防水效果。此工程侧墙和顶板的效果示意见图6。

图6 侧墙和顶板示意

3 结语

苏州枫桥中心小学东校区地下车库工程采用了以高性能膨胀剂配制的补偿收缩混凝土作为结构自防水混凝土，结构未发现裂缝和渗漏水现象，整体取得了良好的抗裂、防水效果。本工程为结构部位混凝土在低温季节施工的膨胀设计值和相应施工技术措施提供了借鉴，同时为高性能膨胀剂在地下工程的应用提供了案例。

（1）经高性能膨胀剂化学成分分析、XRD矿物相分析和混凝土试件的SEM微观扫描电镜的分析表明，硫铝酸钙（CSA）和氧化钙（CaO）为此高性能膨胀剂的两大膨胀源。

（2）针对低温施工季节，设计时可适当降低补偿收缩混凝土的限制膨胀率，侧墙和顶板等薄板结构的设计限制膨胀率值（≥3.0×10-4）应较底板（≥2.0×10-4）高。

（3）采用此高性能膨胀剂配制的补偿收缩混凝土在地下工程中混凝土浇筑完3个月以后仍处于微膨胀状态。

[1]赵顺增，游宝坤.补偿收缩混凝土裂渗控制技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]王硕太，朱仁兴，许永坤，等.自密实自防水高性能混凝土的应用研究[J].新型建筑材料，2007（10）：1-4.

[3]刘德春，熊小丽.新型双膨胀源膨胀剂的研究[J].新型建筑材料，2011（6）：8-11.

[4]王德民，张官学，侯维红，等.高性能膨胀剂在苏州汾湖理想城工程中的应用[J].混凝土与水泥制品，2015（5）：27-30.

[5]王德民，任伟，陆军，等.高性能膨胀剂在TOP未来城工程中的应用研究[J].建筑技术，2016（1）：21-24.

[6]赵顺增，刘立，吴勇，等.HCSA高性能混凝土膨胀剂性能研究[C] //第四届全国混凝土膨胀剂学术交流会论文集，北京：中国建材工业出版社，2006：52-59.

[7]游宝坤.混凝土膨胀剂应用的若干问题[J].施工技术，2000（10）：41-43.

Application research of high-performance expansive agent to a self-waterproof project

WANG Demin1，WU Hongkui2，RUAN Wenfeng2
（1.Wuhan Sanyuan Special Building Materials Co.Ltd.，Wuhan 430000，China；
2.ZhongYifeng Construction Group Co.Ltd.，Suzhou 215131，China）

Based on research on mechanism of high-performance expansive agent，designing and fitting restrained expansion rate of concrete from different structure position and low temperature construction season，data monitoring of field practical project，as well as implementation of technical measures，the whole self-waterproof concrete of underground garage with non-crack and water tightness has been successfully built．It was concluded that calcium sulphoaluminate（CSA）and calcium oxide（CaO）were the main expansion source of high-performance expansive agent.Restrained expansion rate of shrinkage-compensating concrete could be decreased with low temperature construction season，and side wall and roof（≥3.0×10-4）was higher than bottom（≥2.0×10-4）. Internal microstrain of concrete in main structure was tiny expansive state after three months.

shrinkage-compensating concrete，self-waterproof concrete，high-performance expansive agent，restrained expansion rate，low temperature construction season

57

A

10010-702X（2016）11-0100-04

2016-05-31；

2016-07-14

王德民，男，1986年生，江苏连云港人，硕士，工程师，主要从事建筑材料研发和工程应用研究。