補償收縮混凝土在地下空間工程的技術應用

林 洋 高 揚 劉軍達 張 華 吳成剛 謝中原

(1中建交通建設集團有限公司，北京 100142；2北京城建設計總院，北京100037)

1 工程概況

長春南部都市經濟技術開發(fā)區(qū)中央商務區(qū)地下空間工程開發(fā)用地范圍成十字形，東西方向最大長度為364m，最小長度為97.46m；南北方向最大長度為342.9m，最小長度為52.8m，屬大型超長結構。人民大街南端與規(guī)劃光明路十字路口的人民大街高速段內。

本工程設計范圍包含地鐵1號線中央商務區(qū)站，人民大街下穿道、遠期地鐵6號線部分車站區(qū)間結構以及環(huán)島內的地下商業(yè)開發(fā)。地下空間開發(fā)為三層結構，1號線和6號線在平面上呈“T”型換乘，地鐵1號線車站全長342.9m，一期建筑面積為144493m2。本站采用明挖順筑法施工，采用樁基與筏板相結合基礎，底板厚度為1m，中板0.4m、0.7m，墻板為0.75m，全部為現澆混凝土。總混凝土方量約為30萬m3。

2 補償收縮混凝土應用背景

為克服混凝土收縮引起開裂，傳統(tǒng)解決方法是后澆帶將整個結構采用分開成若干塊，先將帶外的混凝土澆注完成，待混凝土收縮完成后再對后澆帶進行填充，待施做完中心島進行外圍土方開挖時，需樓板處混凝土養(yǎng)護28d后方可進行鋼支撐架設，工期滯后，這種方法混凝土整體性和耐久性差，隱患多，施工工藝繁瑣，施工工期長(工期緊)，綜合成本高。

根據測算采用膨脹劑配制補償收縮混凝土應用于本項目，如果按傳統(tǒng)的設計方案，該工程會留出多條后澆帶施工，后澆帶的施做影響工期70d左右，而且后澆帶的鑿毛、清理、灌縫非常麻煩，質量難以保證，極易發(fā)生滲漏，據統(tǒng)計80%以上滲漏出于后澆縫。采用微膨脹補償收縮混凝土可以減少或取消后澆帶(有沉降功能后澆縫除外)，超長施工，可減少后澆縫帶來的隱患，在確保質量的前提下，簡化設計施工提高混凝土的整體性，大大加快施工速度。

3 結構、配合比及膨脹劑參數

見表2、表3、表4。

表1 車站主體結構構件尺寸表

表2 C40混凝土配比

表3 C45混凝土配比

表4 膨脹劑試驗結果

4 施工布署

本站主體結構為現澆鋼筋混凝土地下三層結構，總體以先中心島后周圈主體結構施工的施工步驟將一區(qū)中心島區(qū)域劃分25個流水段，二區(qū)外圍區(qū)域劃分28個流水段進行施工。混凝土澆筑采用膨脹加強帶施工，中心島區(qū)域共分25個流水段作業(yè)共計13條，南北向的縱向設置一條通長膨脹加強帶共計304m，中心區(qū)域(縱向)2條101m膨脹加強帶，東西側的橫向設置10條膨脹加強帶，最長140m，最短62m；周圈區(qū)域共分28個流水段共計28條，膨脹加強帶長度16.5至21m。膨脹加強帶總長度16500m。詳見主體結構施工區(qū)段劃分即膨脹加強帶設置見圖1。

5 補償收縮混凝土(微膨脹)工作原理

在普通水泥混凝土中適量摻加混凝土膨脹劑與水泥中組分發(fā)生反應而生成鈣礬石，把混凝土中的一部分自由水變成結晶水[1]，固體形式賦存于混凝土中并使其產生1.5～2.5/萬的限制膨脹率，產生自應力，這一膨脹率可大致抵消由于混凝土內外溫差15～25℃所產生的收縮，同時配合一些摻合料和緩凝型減水劑延遲水化熱放熱時間等措施施工，從而提高混凝土工程抗裂性和不透水性[2]；采取補償收縮混凝土(微膨脹)的基礎上，利用混凝土中膨脹能的變化，通過設置膨脹加強帶方法可連續(xù)或間歇澆注混凝土，達到無縫施工的目的。

1)混凝土施工準備

為了確保澆筑連續(xù)進行，對每次澆灌混凝土的用量計算準確，對所有機具進行檢查和試運轉，對備品備件和現場發(fā)電機有專人管理和值班，保證人力、機械、材料均能滿足澆筑速度的要求。

對模板及其支架進行檢查。應確保尺寸正確， 強度、剛度、穩(wěn)定性及嚴密性均滿足要求。對模板內雜物應進行清除，在澆筑前同時應對木模板澆水，以免木模板吸收混凝土中的水分。模板工程應經監(jiān)理驗收合格。

圖1 中央商務區(qū)流水段施工示意圖

2)混凝土運輸

泵送要連續(xù)進行，如輸送泵發(fā)生故障，立即改用備用輸送泵運輸，保證澆筑不停止。輸送泵間歇超過45min要立刻拆管，用水沖冼管內殘留混凝土。輸送過程中泵的受料斗內要有足夠的混凝土，保證混凝土能淹蓋輸送孔，防止吸入空氣產生阻塞。

運輸過程中的溫度控制

本工程主體結構構件尺寸較大，充分考慮到了澆灌混凝土時因構件內外溫差較大而帶來的不利影響，并采取相應措施降低水化熱升溫、降低混凝土溫度：

(1)混凝土配料中摻加粉煤灰以減少水泥用量和降低水化熱。通過摻加粉煤灰可以減少水泥用量15%～20%，是降低水化熱升溫使底板順利施工最有效的安全保障。

(2)混凝土配料中使用高效外加劑。連同粉煤灰的使用，可使每立方米混凝土的水泥用量有效降低。

(3)在混凝土運輸工序中，應控制混凝土運至澆筑地點后，不離析、不分層、組成成分不發(fā)生變化，并能保證施工所必須的坍落度以及和易性、粘聚性、保水性等。

3)混凝土澆筑

(1)混凝土澆筑理論計算

混凝土泵的實際平均輸出量，可根據混凝土泵的最大輸出量、配管情況和作業(yè)效率，按下式計算：

式中：Q1—每臺混凝土泵的實際平均輸出量(m3/h)；

Qmax—每臺混凝土泵的最大輸出量(m3/h)；

α—配管條件系數，可取0.8～0.9；

η—作業(yè)效率，根據混凝土攪拌運輸車向混凝土泵供料的間斷時間、拆裝混凝土輸出管和布料停歇等情況，可取0.5～0.7。

根據現場實際情況預估同時澆筑最大量，需要四臺泵車，計算每臺泵車的每臺混凝土泵的實際平均輸出量(m3/h)：

擬定泵車型號HBT90.13.130RS,最大輸出量88m3/h

平均輸出量55.44(m3/h)

商混罐車理論運輸車輛計算，當混凝土泵連續(xù)作業(yè)時，每臺混凝土泵所需配備的混凝土攪拌運輸車臺數，可按下式計算：

式中：N—混凝土攪拌運輸車臺數(臺)；

Q1—每臺混凝土泵的實際平均輸出量(m3/h)；

V—每臺混凝土攪拌運輸車的容量(m3)；

S—混凝土攪拌運輸車平均行車速度(km/h)；

L—混凝土攪拌運輸車往返距離(km)；

Tt—每臺混凝土攪拌運輸車總計停歇時間(h)。/往返時間(80分鐘)澆筑時間13min。

擬定混凝土車輛：

88÷12×(80÷53+1.5)=12.4輛

(2)測溫點的布置與監(jiān)測

混凝土澆筑時，在中間部位及邊緣預留測溫孔，檢查水泥凝結過程中的水化熱及散熱情況。測溫孔根據測溫平面布置圖埋設，每流水段共設置9個測溫孔。每個測溫孔埋設3根PVC塑料管，底部封死，間距各為100mm呈三角形布置的一組測溫管，底板測溫管深度為上、中、下布置；測溫孔上端內塞滿棉絲，測溫前在預留孔內灌滿水，溫度計在孔中測溫時間不少于3min，讀數與混凝土表面溫差不得大于25℃，避免產生溫度應力裂縫，如溫差大于25℃時，做好混凝土養(yǎng)護工作。在混凝土溫度上升階段(前3d)每2-4h測一次，溫度下降階段(4～7d)每4h測一次，后一周每6h測一次，同時測大氣溫度，做好測溫記錄。

(3)混凝土澆筑采用平行分層法澆筑施工

混凝土澆筑順序：先澆筑梁底再澆筑板位置由一個方向平行分層澆筑，每層厚度為300-500mm。大體積混凝土澆筑面應及時進行二次抹壓處理?；炷琳駬v采用插入式振搗器，做到快插慢拔。振搗上層混凝土時應插入下層混凝土面5cm，以消除兩層間的接縫，層間最長的間歇時間不應大于混凝土的初凝時間，在振搗過程中將振搗棒上下略微抽動，以使上下振搗均勻，每插點要掌握好振搗時間，過短不宜振實，過長可能引起混凝土的離析，振搗保持在20-30S之間，高頻不少于10s，應視混凝土表面呈水平不再顯著下沉，不再出現氣泡，表面泛出灰漿為準，混凝土澆筑過程中，專人檢查鋼筋、模板、鋼邊止水帶、收口網等部位，如果偏移及時上報，及時處理調整，嚴禁不經處理繼續(xù)澆筑。

(4)混凝土表面壓實

混凝土澆筑完畢、表面泌水已處理，經刮杠刮平后用木模壓實，二次振搗用振搗棒滾動振搗，表面用木抹壓實，收面過程使用木跳板。

(5)混凝土的養(yǎng)護

混凝土強度達到75%時方可進行梁模板拆底工作；平均氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定低于5。C即進入冬期施工，構件拆模時間應延遲至7d以上，表層不得直接灑水，采用塑料薄膜保水，薄膜上部再覆蓋雙層保溫被保溫。

6 補償收縮混凝土應力計算及膨脹帶做法

表5 限制膨脹率的設計取值

限制膨脹率宜適當增大：

強度大于等于C50的混凝土，限制膨脹率宜提高一個等級；

結構總長度大于120m；

1)從收縮應力角度對超長無縫施工裂滲控制進行分析

整體式基礎，箱形基礎的底板，車間混凝土的地面等，其特點是厚度(或高度)H遠小于長寬尺寸L，當H/L≤0.2時,板在溫度收縮變形作用下,離開端部區(qū)域,板的全截面受拉應力較均勻。在地基約束下，將出現水平法向應力σx。從工程實踐可知，σx是設計主要控制應力，是引起垂直裂縫的主要應力，其最大值σmax出現在板截面的中點X＝0處，詳見圖2長墻或底板的主要應力圖。

圖2 長墻或底板的主要應力圖

當σmax超過混凝土的抗拉強度(Rt)，板中部出現第一條垂直裂縫；開裂后，每塊板的水平應力重新分布，最大應力σx’出現在每塊板的中部，當σx’＞Rt，又形成第二批裂縫，詳見圖3應力與裂縫的分布示意圖。這種裂縫的有序排列經常在工程中見到。為防止這種有序裂縫的出現，工程中靠設置后澆帶來釋放收縮應力。這是控制裂縫的主要措施之一。

圖3 應力與裂縫的分布示意圖

從以下法向應力公式可見：

其中，Cx-水平阻力，H-板厚，E-混凝土彈性模量

后澆縫只在較短的間距(L)范圍對消減收縮應力(σmax)起顯著作用，超過一定長度，即使設后澆帶也沒有意義。按理論計算，消減σmax的有效間距為20～60m。

下面談到的膨脹加強帶間距一般應設在此范圍內。

研究表明，補償收縮混凝土(微膨脹)在硬化過程中產生膨脹作用，在鋼筋或鄰位約束下，鋼筋受拉，而混凝土受壓，當鋼筋拉應力與混凝土壓應力平衡時，則有：

Ac·σc=As·σs=As·Es·ε2

而配筋率μ= As /(Ac+ As)，∴As/ Ac =μ/(1-μ)

則σc=μ·Es·ε2/(1-μ)

式中,σc-混凝土預壓應力(MPa)，Ac-混凝土截面積

σs-鋼筋拉應力(MPa)

As-鋼筋截面積

Es-鋼筋彈性模量(MPa)

μ-配筋率(%)

ε2混凝土的限制膨脹率

(即鋼筋伸長率) %

從上式可見,σc與ε2成正比關系,而限制膨脹率隨膨脹劑的摻量增加而增加,所以,我們可以通過調整膨脹劑的摻量,可使混凝土獲得不同的預壓應力。根據水平法向應力曲線，我們設想在σmax處給予較大的膨脹應力σc，而在兩側給予較小的膨脹應力，詳見圖4膨脹應力σc補償收縮應力σmax示意圖，以便結構的收縮應力得到大小適宜的補償，從而控制有序裂縫的出現。

圖4 膨脹應力σc補償收縮應力σmax示意圖

在工程中，如何實現上圖的收縮補償應力曲線呢？參考圖5的示意圖。

圖5 膨脹加強帶示意圖

在收縮應力集中的σmax處，設膨脹加強帶，其寬度2m，帶兩側架設密孔鐵絲網，目的是為防止兩側混凝土流入加強帶；施工時優(yōu)先采用間歇式膨脹加強帶［3］。

2)膨脹加強帶具體做法

采用補償收縮混凝土(微膨脹)后，膨脹加強帶的示意圖，結合整個結構的施工區(qū)域劃分。膨脹加強帶設置位置一般為原后澆帶位置，帶與帶或帶與邊緣距離應在30～40m之間。墻(頂)板膨脹加強帶位置與底板加強帶位置相對應。

(1)本工程底板、中板、頂板采用間歇式膨脹加強帶，帶寬2000mm，在膨脹帶兩側設置一層孔徑5mm×5mm的鋼絲網，并于100mm設一根豎向16mm的鋼筋予以加固，其上下均留出不小于2.5cm混凝土保護層，鋼絲與鋼絲網、上下水平鋼筋及豎向加固筋須綁扎或焊接牢固。

圖6 膨脹加強帶示意圖

(2)帶內增設水平溫度鋼筋(頂、底板采用28@300；中樓板采用16@300)，均勻布置在上下層(或內外層)鋼筋上，水平溫度鋼筋垂直于膨脹加強帶長度方向進行分布，兩端各伸出膨脹加強帶2.0m，并固定在內側鋼筋上。

(3)板內采用C40微膨脹混凝土，帶內采用C45膨脹混凝土。

3)計算結果

采用微膨脹補償收縮混凝土的收縮拉應力不會超過混凝土的極限拉伸值，最終可以連續(xù)超長施工，得到很好的抗裂、抗?jié)B性能。

[1]譚健全，林梓騰.微膨漲-補償收縮混凝土在大面積地下室底板中的應用[J].廣東土木與建筑.2004,(3)：29.

[2]許多濤.膨脹加強帶在超長防水混凝土結構連續(xù)無縫施工中的應用[J].中華民居.2014,(9)：343.

[3]許永坤,朱仁興等.超長結構連續(xù)施工技術在地下室中的應用[J].膨脹劑與膨脹混凝土.2015,(01)：30.