補償收縮混凝土的開發(fā)應用

補償收縮混凝土的開發(fā)應用1980年以前，我國補償收縮砼主要以膨脹水泥作為膠凝材料。1980年以后，則以砼膨脹劑為主，其原因是膨脹劑使用靈活方便，價格較低，可調節(jié)膨脹劑的摻量獲得不同膨脹系數(shù)的補償收縮砼。然而，工程界對這個材料有個認識過程。據(jù)統(tǒng)計，在1980~1988年間，膨脹劑的年銷量約3000~5000噸。1988年以作者為首研制成功UEA膨脹劑，狠抓了UEA生產與技術的研究，帶動了我國膨脹劑的開發(fā)應用，1989年銷量突破萬噸大關，1990年為1.8萬噸，1992年為5.5萬噸，1993年為12萬噸，1994年為18萬噸，1995年為25萬噸。16年來累計銷售量達80萬噸，折合補償收縮砼達3500萬m3,其中UEA膨脹劑占全國總銷量的80%，成功地應用于上千個大中型抗裂防滲工程?？梢哉f，我國膨脹劑年銷量局世界第一，比首先開發(fā)膨脹劑的日本多5倍?，F(xiàn)簡介這些應用技術成果如下：（1） 結構自防水技術鋼筋砼結構既能承重又能防水，稱之為結構自防水。在1980年以前，結構防水原理都是通過某種手段去減少砼的空隙和毛細孔縫，以提高砼的抗?jié)B性能。然而，工程實踐表明，這些防水技術往往得不到令人滿意的效果。這是由于人們忽視了水泥砼收縮的致命弱點。盡管砼很密實，但砼干縮和冷縮會使結構產生裂縫，從而破壞了結構的整體防水功能。UEA膨脹劑，以10~12%內摻（替代水泥率）水泥中可拌成補償收縮砼。通過大量的試驗表明，它具有良好的抗裂性，抗?jié)B標號大于S30,對強度無影響，后期強度增長率高于不摻UEA的砼強度，對鋼筋無腐蝕，對水質無影響。它是一種優(yōu)質的抗裂防滲新材料，為結構自防水砼較理想的特種外加劑。UEA補償收縮砼首用于亞運工程的奧體中心田徑場和曲棍球場看臺、游泳管、體博管地下室、康樂宮游戲樂園獲得大面積成功。隨后在天津第一中心醫(yī)院、大連港指揮中心、青島王朝大酒店等高層建筑的地下室，取消外防水卷材，靠砼自防水獲得成功?，F(xiàn)在，UEA砼已在數(shù)千座高層建筑地下室、水廠和電廠的水工結構、地鐵和隧道等防水結構中應用。大部分是自防水，對于特別重要的建筑物，如北京西客站首都國際機場新航站樓則采取UEA砼與卷材兩道防水措施，起到雙保險作用。我們認為，不論何種情況，結構自防水是根本，防裂比抗?jié)B更重要，要防裂就要補償砼的收縮，要補償砼收縮最好的途徑就是加入膨脹劑。經過上千個防水工程實踐和專家考察論證，1992年建設部施工管理司把《UEA補償收縮砼防水工法》列入國家級工法（YJGF22-92）。這是我國結構自防水技術的重大突破，已在全國推廣。（2） UEA無縫設計施工新技術考慮砼收縮變形，設計規(guī)范規(guī)定每30~40m設一道后澆縫，60d后再用膨脹劑填縫。這樣施工麻煩，延長工期，且易留下滲水隱患。設計院提出能否把它取消。我們通過理論計算和工程實踐，提出以JEA膨脹劑加強帶取代后澆縫（沉降縫除外），實現(xiàn)砼連續(xù)澆注超長結構的設計施工新方法，該方法的原理是在結構收縮應力最大的地方給予較大的膨脹應力。具體做法：加強帶一般設在后澆縫處。帶寬3m,帶的兩側分別架設密孔鐵絲網，目的是防止不同配比的砼流入加強帶內。施工時，現(xiàn)澆帶外小膨脹砼（摻入10~12%UEA），澆到加強帶時，改用大膨脹砼（摻入14~15%UEA），該處砼強度等級比兩側砼高0.5個等級。如此連續(xù)澆注下去，實現(xiàn)無縫施工?！冻L鋼筋砼結構無縫設計與施工方法》（專利申請?zhí)?3117132.6），已應用于北京十三陵水庫九龍游樂宮（?49X12m）、北京當代商城（90X90m）、北京西客站（主樓336mX102m、東西樓187mX103m）、廣州天匯大廈（90mX55m）、釣魚臺國賓館酒店（100mX50m）、福州長樂機場航站樓（348mX36m）等上百座超長地下建筑，獲得圓滿成功。補償收縮砼這一新的應用技術在世界獨創(chuàng)，該方法已引起我國設計施工界的巨大關注，正在全國推廣。（3） 大體積結構砼裂縫控制新方法為控制大體積砼溫差裂縫，在設計和施工方面已有許多成功經驗、措施，如摻入緩凝劑、粉煤灰、降低砂石溫度和埋設冷水管等，但代價較大。近年來，我國有些高層建筑底版設計厚度達3m,砼等級C40~C50,邊墻砼C50~C60,對于C40以上砼，水泥用量約400~500Kg/m3,即使粉煤灰替代部分水泥，砼的水泥熱仍相當高，可使砼內部溫度高達60~80°C，當砼內外溫差超過25°C時，有可能導致砼結構出現(xiàn)貫穿性裂縫。根據(jù)吳中偉院士提出的砼干縮和冷縮聯(lián)合補償?shù)睦碚?，在水泥中摻加UEA膨脹劑、粉煤灰和緩凝減水劑的“三摻”技術，在降低水化熱的同時，通過UEA產生的前期膨脹以補償砼干縮，后期（14~16d）微膨脹以補償冷縮。這種“抗”的方法較好地解決了大體積砼尤其C40以上大體積砼的溫差裂縫的控制問題。在北京高層建筑又厚又大的底板幾乎都采用UEA補償收縮砼。又如廣州天匯大廈為C40砼、青島中銀大廈為C50砼、上海世界貿易商城（183mX109mXlm）為C40砼等，為控制溫差裂縫采用UEA砼均獲得成功。在我國的防原子輻射和衛(wèi)星發(fā)射井等大體積特種砼結構，也采用UEA砼獲得成功。（4） 剛性屋面防水技術采用補償收縮砼做剛性屋面比普通細石防水砼更好，其原由是提高了砼的抗裂性，以柔性分隔縫緩解屋面的溫差裂縫，這種在預制板或保溫層上做40mm厚，配以04X150雙向鋼筋補償收縮砼屋面，已在江蘇、浙江、江西、安徽、福建、廣西、烏魯木齊等省區(qū)和城市推廣應用500萬m2,獲得良好效果。近年來，南方多采用現(xiàn)澆防水屋面，厚度10~12cm，配以08X150雙向鋼筋，砼等級大于C25。為解決屋面裂滲難題，在水泥中摻加12~13%UEA，拌成補償收縮砼澆注屋面，可連續(xù)澆注50m不留逢。類似這種防水屋面的體育場看臺應用十分成功，例如北京奧體中心田徑場看臺、廈門體育中心看臺、深圳體育中心看臺、綿陽市和沈陽市及天津市和平區(qū)體育場看臺、非洲吉布提共和國體育中心看臺等，累計面積約14.6萬m2,使用時間最長達7年之久，至今防水效果甚佳?！把a償收縮砼防水屋面”以列入我國《屋面防水技術工程》GB50207-94，正在全國推廣。混凝土膨脹劑是指其在混凝土拌制過程中與水泥、水拌和后經水化反應生成鈣礬石或氫氧化鈣，使混凝土產生體積膨脹的外加劑。它是一種礦物外加劑，具有抗裂防滲的作用，用它配制的混凝土稱為膨脹混凝土，目前在國內應用非常廣泛，對提高混凝土建筑的質量起到了積極的作用。使用混凝土膨脹劑可以配制補償收縮混凝土、填充混凝土、填充砂漿和自應力混凝土。目前市場上許多防水劑也是用膨脹劑與化學外加劑復合而成。在我國膨脹劑被大量用于補償收縮混凝土，補償收縮混凝土是由水泥水化產生體積膨脹，通過膨脹能對限制力作功，產生的限制膨脹抵消混凝土干燥、降溫以及荷載等作用引起的限制收縮，一般在所使用的配筋條件下能使混凝土內部建立0.2-0.7兆帕的壓應力，主要是對干燥收縮進行補償。補償收縮混凝土與普通混凝土的主要區(qū)別在于：1.由于限制膨脹的作用，改善了混凝土的應力狀態(tài)；2.由于膨脹性晶體的填充作用使水泥石中的大孔變小，總孔隙率下降，改善了混凝土的孔結構，從而提高了混凝土的抗?jié)B性，它具有一般防水混凝土無法相比的抗裂能力。3.混凝土科學是一門實驗科學，補償收縮混凝土作為一種特種混凝土，埠必項遵循這個規(guī)律，在傅用前一定要進行試驗，結果符合設計要求才能施工；不能僅給一個10%或12%的建議摻量，而不進行膨脹性能試驗。鑒于很多工程是由于使用方法不當導致沒有達到預期目的，因此在今后要加強補償收縮混凝土應用技術的推廣普及工作，制定相應的應用指南和規(guī)范，研究適合補償收縮混凝土的裂縫發(fā)展趨勢測試評價方法。在膨脹劑產品方面，要加快研究可調控膨脹能和膨脹速率的高性能膨脹劑，有效的補償高性能混凝土收縮，提高膨脹劑對混凝土發(fā)展的適應性。使用補償收縮混凝土技術可以簡化施工，提高工效和工程質量，降低工程造價，是增加設計可靠性的理想手段，但在一些應用環(huán)節(jié)要注重應用條件，客觀看待它對各種收縮的補償能力，做到科學合理安全使用，尤其在超長結構中使用時，要明確它只能對干縮進行補償，避免不必要的工程質量事故，使混凝土膨脹劑和補償收縮混凝土健康發(fā)展。2．如何正確使用混凝土膨脹劑一、怎樣選用膨脹劑膨脹劑主要功能是補償混凝土硬化過程中的干縮和冷縮。為減免收縮開裂，它可以應用于各種抗裂防滲混凝土，尤其適用于與防水有關的地下、水工、海工、地鐵、隧道和水電等鋼筋混凝土結構工程。選用膨脹劑時，首先檢驗它是否達到《混凝土膨脹劑》建材行業(yè)JC476-2001標準。主要看三項:一是堿含量W0.75%,二是水中7d限制膨脹劑20.025%，三是摻量W12%(北京市建委規(guī)定摻量W8%才能入市)。我國膨脹劑有三種類型：硫鋁酸鈣類(如UEA、AEA、PNC、FS、PPT等)氧化鈣-硫鋁酸鈣類(如CEA)和氧化鈣類。由于鈣磯石(C3A?3CaS04?32H20)的化學穩(wěn)定性和耐水性優(yōu)良，國內外絕大多數(shù)生產硫鋁酸鈣類膨脹劑。CaO水化生成Ca(OH)2可以產生膨脹，但Ca(OH)2在壓力水下易溶解，所以GBJ119規(guī)范中規(guī)定，含CaO膨脹劑不得使用在地下，海工等防水工程中，目前只有北京市有兩家生產CEA。用戶應根據(jù)不同性質的工程，選用恰當類型的膨脹劑。有些廠家以高額回扣手段或者以貶低人家抬高自己的手段推銷自己的膨脹劑，有的廠搞偽宣傳，把膨脹劑吹成萬能之藥，遇到這些情況，請您提高警惕。不管怎樣，用戶都應隨機抽樣，按廠家推薦的摻量，檢驗其膨脹劑是否達標，才能決定取舍。凡膨脹劑中堿含量超過0.75%。摻量超過12%者，均屬淘汰產品，不得使用。二、如何確定補償收縮混凝土的配合比現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)不少用戶在使用膨脹劑時有些誤區(qū)，主要有：1.摻膨脹劑的補償收縮混凝土配合比設計不明晰。膨脹劑是內摻還是外摻？當有粉煤灰等摻合料時，又如何設計？按《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》GBJ119規(guī)定：膨脹劑摻量是按等量取代膠凝材料的內摻法。當基準混凝土的水泥用量為C0,膨脹劑摻量為K時，膨脹劑E=C0XK(kg/m3)水泥C=C0-E(kg/m3)當混凝土中摻入粉煤灰等摻合料(FA0)時，則膨脹劑分別取代水泥和粉煤灰，即：膨脹劑E=(C0+FA0)?K(kg/m3)粉煤灰F=FA0(1-K) (kg/m3)水泥C=C0(1-K)(kg/m3)在配制防滲混凝土時，按規(guī)范規(guī)定：水泥用量不得小于300kg/m3,如摻入粉煤灰等，則水泥用量不得小于280kg/m3。以此為基準設計摻膨脹劑的混凝土配合比。由于各廠的水泥和粉煤灰活性不同，各地砂石質量差異較大，施工選用混凝土的坍落度也不同，因此，試驗室應根據(jù)以往的經驗確定基準混凝土的水泥和粉煤灰單方用量，再按上式計算膨脹劑的摻量。2.大多數(shù)施工單位和攪拌站只測摻膨脹劑混凝土的坍落度、強度和抗?jié)B標號，不測混凝土的限制膨脹率，存在“一摻就靈”的盲目思想，這是使用膨脹劑最大誤區(qū)。根據(jù)GBJ119規(guī)范，摻膨脹劑的補償收縮混凝土的特性指標是：水中養(yǎng)護14d的限制膨脹率20.015%。測定方法是用100X100X300mm試件，中間預埋入010mm限制鋼筋骨架。當混凝土強度達到3?5MPa時脫模，用千分表測長儀測定初始長度，然后放入水中7d、14d測定其伸長率。測長儀和鋼筋骨架可以從中國建材院水泥所或遼寧省瓦房店市儀器廠購進。膨脹劑主要用途是補償收縮，根據(jù)大量工程實踐表明，防水工程的底板混凝土的限制膨脹率￡2=0.02—0.025%,側墻￡2=0.03—0.035%，后澆帶或膨脹加強帶￡2=0.035—0.045%為宜。不同的結構部位的抗裂要求不同，因此，膨脹劑摻量是不同的。由于膨脹劑與水泥和減水劑的應用性不同，試驗表明，在同一配合比下，用冀東水泥的混凝土膨脹率較小，而用琉璃河、邯鄲水泥的混凝土膨脹率較大。另外，實施后的ISO水泥標準，各廠為了達到ISO水泥標號，一般都把水泥熟料中C3S和C3A提高，水泥比表面積提高到350—400M2/kg，水泥收縮率會增大。這就說明，必須根據(jù)工地原材料試配補償收縮混凝土，在滿足混凝土坍落度、強度和抗?jié)B標號情況下，必須達到限制膨脹率的設計要求，否則要調整膨脹劑摻量。有些單位把膨脹劑當防水劑使用，這是可以的。但一般防水劑只能提高混凝土抗?jié)B性能，但不能抗裂。而膨脹劑首要解決混凝土結構的抗裂，不裂就不滲。而達到補償收縮的抗裂作用，關鍵是混凝土膨脹率能否滿足不同結構的補償收縮要求。必須指出，廠家推薦的膨脹劑摻量只能作參考，據(jù)我們知道有些廠家的膨脹劑質量波動較大，有的甚至是“調包”的偽劣產品。因此，我們要檢測混凝土的限制膨脹率，并以此作為配合比的主要依據(jù)。這就要求各單位混凝土試驗室配備測限制膨脹率的儀器設備和檢測人員。3.許多單位反映，膨脹劑替代水泥后，混凝土強度下降，因而認為少摻膨脹劑有保險，這也是個誤區(qū)。研究表明，膨脹劑發(fā)生膨脹使用主要在1—7d，而強度試件是自由狀態(tài)，鈣磯石膨脹對水泥結構有微小破壞，所以7d抗壓強度比空白混凝土下降10%左右屬正常現(xiàn)象，而28d強度完全可以達到設計標號。在實際工程中，混凝土結構都受到鋼筋和鄰位的約束，我們試驗表明，帶模養(yǎng)護的膨脹混凝土試件的限制強度比自由強度高10-15%。所以，不必擔心摻膨脹劑的混凝土強度下降。不能以7d自由強度作判斷，應以28d強度是否達到試驗強度為準。把膨脹劑視為早強劑是錯誤的，以7d強度降低為理由而少摻膨脹劑也是錯誤的。試驗表明，摻膨脹劑混凝土7d抗壓強度達到28d試配強度的65%便可達標。4.膨脹劑摻量有意和無意少摻又是使用補償收縮混凝土的大誤區(qū)。我們發(fā)現(xiàn)，試驗室的混凝土配合比是正確的，但實際*作掌握在民工的手中。由于許多工地和攪拌站沒有專門的膨脹劑計量裝置，靠民工以斗代秤加料，由于監(jiān)督不嚴或馬虎，民工加料有隨意性，大多是少摻。更甚者，有的承包人為了多賺錢，故意讓民工少摻，向業(yè)主多要錢。有些工程用了膨脹劑，混凝土仍開裂，我們曾多次實地調查，按混凝土總量計，少用膨脹劑20—30%，原設計摻UEA12%，實際只摻8%,這樣，混凝土那能補償收縮？開裂就不足為怪了。我們認為，工地和攪拌站要加強管理，排除不正之風，必須按混凝土配合比加足膨脹劑是保證工程質量的重要措施。5.有的用戶拘泥于膨脹劑的推薦摻量，如UEA為10-12%，不敢超過12%，這也是使用的誤區(qū)。實際工程中如后澆帶或膨脹加強帶，要用大膨脹混凝土填充，要求混凝土膨脹率達到0.035-0.045%，標號提高5MPa。要摻入14—15%膨脹劑才能達到。如只限于摻12%就不能滿足設計要求，有可能開裂。所以，應根據(jù)不同結構部位，科學地摻入不同數(shù)量膨脹劑，才能達到補償收縮的要求。6.有些推銷員不負責任地進行誤導，把本廠膨脹劑的標準摻量故意降低，本來是10％說成6－8％也可以，有的把膨脹劑“神化”，胡說摻入后保證混凝土不裂。這些誤導會使用戶不能正確使用膨脹劑，容易出現(xiàn)工程裂滲事故。三、設計中注意問題建筑結構裂滲控制是個系統(tǒng)工程，許多設計單位推薦使用摻膨脹劑的補償收縮混凝土作為一個防裂措施，但他們對膨脹劑正確使用不了解，也存在一些誤區(qū)，應以糾正。1.在設計圖紙上指明廠家是違規(guī)的，可推薦膨脹劑品牌，但不應指定摻量。合理的說明是：“采用摻膨脹劑的補償收縮混凝土、強度等級、抗?jié)B標號、混凝土水中14d限制膨脹率大于0.015%（或者根據(jù)不同結構部位提出更高的膨脹率）?！边@樣，可由用戶選擇膨脹劑品牌及其合理摻量，達到設計要求。2.混凝土變形（膨脹和收縮）與限制是個矛盾的統(tǒng)一體。膨脹要通過鋼筋和鄰位約束才能在結構中建立預壓應力。所以，要求設計者采用細而密的配筋原則，個別開口部和墻柱連接處由于應力集中易開裂，應增添附加鋼筋。由于墻體難施工、養(yǎng)護差，受外界溫差影響大，易出現(xiàn)縱向裂縫。要求墻體的水平構造筋的間距小于150mm,配筋率在0.5%左右。在墻中部1m范圍內，水平筋的間距加密至80—100mm，形成一道“暗梁”，以平衡收縮應力；水平筋應放在受力豎筋外側，確保混凝土保護層厚度。3.摻膨脹劑混凝土的后澆縫間距可延長至60m，超過60m的超長結構，可用2m寬的膨脹加強帶代替后澆縫，采用連續(xù)式或間歇式的無縫設計和施工方法，這是中國建材院的專利技術，鑒于該技術尚未列入規(guī)范，因此，設計院應在圖紙上注明，請中國建材院提供技術咨詢服務，否則，技術風險責任自負。四、施工中注意問題施工單位對建筑結構的裂縫十分頭痛，認為混凝土中加入膨脹劑就能迎刃解決，這也是個誤區(qū)。除了設計上保證合理配筋和補償收縮混凝土的配合比保證足夠的限制膨脹率外，施工管理則是關鍵。1.工地或攪拌站不按混凝土配合比摻入足夠膨脹劑是普遍存在的現(xiàn)象，造成澆筑的混凝土的膨脹效應極低，何能補償收縮？這是首要一關，必須加強管理，確保膨脹劑摻量的準確性。2.現(xiàn)場拌制的混凝土的拌合時間要比普通混凝土延長30s，以保證膨脹劑和水泥、減水劑拌合均勻，提高其勻質性。3.混凝土布料，震搗要按施工規(guī)范進行。4.膨脹混凝