補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用注意事項(xiàng)

李可斌，鈕旋敏，李長成

（1. 東莞市光泰混凝土有限公司，廣東 東莞 523518；2. 天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170；3. 中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用注意事項(xiàng)

李可斌1，鈕旋敏2，李長成3

（1. 東莞市光泰混凝土有限公司，廣東 東莞 523518；2. 天津華北地質(zhì)勘查局，天津 300170；3. 中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

針對補(bǔ)償收縮混凝土工程應(yīng)用過程中存在的問題，從補(bǔ)償收縮混凝土與防水混凝土的關(guān)系、膨脹劑的選擇、膨脹加強(qiáng)帶的設(shè)置，以及膨脹性能現(xiàn)場檢測四方面介紹了補(bǔ)償收縮混凝土的應(yīng)用注意事項(xiàng)。

補(bǔ)償收縮混凝土；限制膨脹率；膨脹劑；膨脹加強(qiáng)帶；現(xiàn)場檢測

混凝土結(jié)構(gòu)自防水、超長結(jié)構(gòu)無縫施工和大體積混凝土裂滲控制是補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用的三個主要方向[1]，并且得到工程界的認(rèn)可。但補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用過程中還存在諸多問題，如補(bǔ)償能力不足、無法評判膨脹性能等，制約了補(bǔ)償收縮混凝土行業(yè)的健康發(fā)展。本文介紹了補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用過程中的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，有助于提高工程質(zhì)量。

1　補(bǔ)償收縮混凝土≠防水混凝土

隨著人口增多，城市化進(jìn)程的推進(jìn)，大量農(nóng)村和欠發(fā)達(dá)地區(qū)人口涌進(jìn)都市，城市的地上土地資源已難以滿足人類對生活品質(zhì)需求的增加，大力發(fā)展地下工程是解決目前困境的強(qiáng)有力手段。地下工程因其位置所限，不滲不漏是保證地下工程正常發(fā)揮其功效的前提條件。然而，近年來因各種原因造成的地下工程滲漏事件逐年增多，該類投訴占工程質(zhì)量投訴的 25% 以上。因此，采用經(jīng)濟(jì)合理的技術(shù)手段防止地下工程發(fā)生滲漏是工程界所面臨的難題。

防水混凝土是以調(diào)整混凝土的配合比、摻外加劑或使用新品種水泥等方法提高自身的密實(shí)性、憎水性和抗?jié)B性，使其滿足抗?jié)B壓力大于 0.6MPa 的不透水性混凝土。GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，一級、二級防水設(shè)防要求的地下工程，無論是明挖法還是暗挖法，主體結(jié)構(gòu)都是應(yīng)選或必選防水混凝土。顯然，采用防水混凝土是提高地下工程防水效果的重要技術(shù)途徑之一。從防水混凝土定義可以看出，防水混凝土自身可以保證水不滲透。但地下工程是一個由防水混凝土和其他建筑材料構(gòu)建的一個整體的構(gòu)筑物，它在建設(shè)、使用作過程中會受到因濕度變化引起的干燥收縮、溫度變化引起的溫度應(yīng)力或者荷載應(yīng)力等，當(dāng)它們超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土就會發(fā)生開裂。當(dāng)裂縫寬度達(dá)到一定時，外界水就會在壓力作用下通過裂縫進(jìn)入地下工程，防水混凝土則失去其效用。

一個地下工程是否滲漏，不僅僅取決于混凝土的抗?jié)B性和防水性，更重要的在于混凝土是否抗裂。補(bǔ)償收縮混凝土是由膨脹劑或膨脹水泥配制的膨脹水泥混凝土，一方面生成的水化產(chǎn)物鈣礬石或氫氧化鈣密實(shí)混凝土，提高混凝土的抗?jié)B性。另一方面，在約束狀態(tài)下儲存 0.2～1.0MPa 自應(yīng)力，可以抵消由于干縮或溫度應(yīng)力在混凝土中引起的拉應(yīng)力，從而提高混凝土構(gòu)筑物的抗裂防滲效果。顯然，從技術(shù)途徑來看，補(bǔ)償收縮混凝土屬于防水混凝土范疇，而且結(jié)構(gòu)自防水也是補(bǔ)償收縮混凝土的重要用途之一，并且也廣泛應(yīng)用于國內(nèi)重點(diǎn)工程和民用工程。但是，補(bǔ)償收縮混凝土≠防水混凝土，補(bǔ)償收縮混凝土不僅具有防水混凝土的特性，更在于其抗裂性能。工程師應(yīng)時時牢記，地下工程抗裂比抗?jié)B重要，抗裂的混凝土基本都抗?jié)B，但抗?jié)B的混凝土不一定抗裂。設(shè)計(jì)師進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時，如果確定采用補(bǔ)償收縮混凝土，則應(yīng)注重的是其補(bǔ)償收縮的功效，而不僅僅是看作一種簡單的防水混凝土。

2　膨脹劑的選擇

限制膨脹率是補(bǔ)償收縮混凝土的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合配筋率，通過計(jì)算可以估算導(dǎo)入混凝土內(nèi)部的膨脹應(yīng)力。因此，限制膨脹率的大小一定程度上反應(yīng)了補(bǔ)償收縮混凝土的補(bǔ)償能力。當(dāng)構(gòu)筑物使用補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)時，建筑設(shè)計(jì)師會結(jié)合工程特點(diǎn)，依據(jù) JGJ 178—2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的 4.0.2 規(guī)定的補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率設(shè)計(jì)取值（見表 1），進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，給出不同部位的限制膨脹率。

表1　限制膨脹率的設(shè)計(jì)取值

補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部儲存的 0.2～1.0MPa 自應(yīng)力來源于膨脹劑自身和其與水泥組份之間的水化反應(yīng)生成的膨脹產(chǎn)物。顯然，膨脹劑是制備補(bǔ)償收縮混凝土的最重要原材料。

目前，國內(nèi)混凝土膨脹劑生產(chǎn)廠家較多，品牌眾多，如 UEA、CEA、CSA、ZY 和 HCSA 等。如何正確選擇膨脹劑不僅決定著補(bǔ)償收縮混凝土能否發(fā)揮其效能，還直接影響著工程的經(jīng)濟(jì)性。GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》將膨脹劑按限制膨脹率大小可分為Ⅰ型產(chǎn)品（7d 水中限制膨脹率≥0.025%）和 Ⅱ 型產(chǎn)品（7d 水中限制膨脹率≥0.050%）。膨脹劑按膨脹源又可以分為硫鋁酸鈣類（鈣礬石）、氧化鈣類（氫氧化鈣）和硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑（鈣礬石和氫氧化鈣）三種。即使相同膨脹源、相同限制膨脹率的膨脹劑，如硫鋁酸鈣類國標(biāo)Ⅰ型產(chǎn)品，因其采用的鋁質(zhì)材料 Al2O3來源不同，不同地域的不同廠家生產(chǎn)的膨脹劑的膨脹特性也存在較大差異[1]。

混凝土工程師，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙給出的限制膨脹率設(shè)計(jì)值，對膨脹劑進(jìn)行篩選，并確定最佳摻量。篩選指標(biāo)依據(jù)《混凝土膨脹劑》規(guī)定的限制膨脹率、膨脹源。

（1）限制膨脹率。膨脹劑的限制膨脹率是將 10% 膨脹劑摻入灰砂比為 1:2 的砂漿中（水灰比為 0.4）測量得到的，砂子、用水量、水泥都是基準(zhǔn)不變的。而補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率則是按配合比設(shè)計(jì)的膨脹劑摻量測試得到的，膨脹劑摻量、原材料、混凝土強(qiáng)度等級和水灰比都不同，此外還有各種外加劑的影響。顯然，明確膨脹劑的限制膨脹率與補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率關(guān)系是篩選膨脹劑的首要前提。研究表明，在相同水膠比和養(yǎng)護(hù)條件下，膠砂與混凝土限制膨脹率存在一定的比例關(guān)系，比例系數(shù)約為 1.8～2.2（見圖 1）[2]。

圖1　相同條件下膠砂與混凝土限制膨脹率比例系數(shù)

顯然，要配制出符合表 1 規(guī)定限制膨脹率的補(bǔ)償收縮混凝土，則膨脹劑自身的限制膨脹率至少分別為 0.030%、0.040% 和 0.050%。然而，目前很多建設(shè)方、施工方，甚至包括一些混凝土工程師還沒有認(rèn)識到這一點(diǎn)，他們認(rèn)為只要通過提高摻量，即使低限制膨脹率的膨脹劑也可以配制出符合要求的補(bǔ)償收縮混凝土。例如，采用Ⅰ型膨脹劑配制限制膨脹率為 0.025% 后澆帶部位使用的補(bǔ)償收縮混凝土，其結(jié)果只能是假的，工程因使用不合格的補(bǔ)償收縮混凝土，也就達(dá)不到預(yù)期效果。讓不知真相的人對補(bǔ)償收縮混凝土的作用產(chǎn)生懷疑，這對整個行業(yè)發(fā)展都是不利的。因此，當(dāng)膨脹劑廠家或混凝土工程師遇到類似情況時，應(yīng)對有困惑的人進(jìn)行解釋，促進(jìn)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

（2）膨脹源?；炷凉こ處煂ε蛎泟┑呐蛎浽催M(jìn)行優(yōu)選時主要以工程特點(diǎn)和使用環(huán)境來判定。以鈣礬石作為主要膨脹源或輔助膨脹源的膨脹劑，不得用于長期處于環(huán)境溫度高于 80℃ 的鋼筋混凝土工程。其原因在于鈣礬石在 70℃ 左右條件下會發(fā)生分解[3]，生成單硫型水化硫鋁酸鈣，當(dāng)溫度降低時，鈣礬石會再次生成，產(chǎn)生延遲膨脹，形成一定的膨脹應(yīng)力。如果這種延遲膨脹發(fā)生在補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部，則對混凝土結(jié)構(gòu)就有可能產(chǎn)生災(zāi)難性的破壞。以氧化鈣為膨脹源的膨脹劑，比較適用于難以進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)的混凝土結(jié)構(gòu)或無法進(jìn)行水養(yǎng)護(hù)的冬季施工。鈣礬石生成途徑是一個溶解-析晶反應(yīng)，對于水的需求量較大、無外部水養(yǎng)護(hù)條件下，硫鋁酸鈣類膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土基本無膨脹。而氧化鈣類膨脹劑的膨脹源——?dú)溲趸}反應(yīng)則屬于固相反應(yīng)，依靠拌合水即可發(fā)生水化反應(yīng)形成膨脹相[4]，因此氧化鈣類膨脹劑具有絕濕膨脹特性。此外，隨著混凝土技術(shù)的進(jìn)步，粉煤灰、礦渣等礦物摻合料大量應(yīng)用于混凝土當(dāng)中，混凝土普遍存在“貧鈣”問題。而氧化鈣類膨脹劑水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣既可以產(chǎn)生膨脹，為體系補(bǔ)充氫氧化鈣，又可以參與水化，生成更多的 C-S-H 凝膠，改善混凝土性能。有一點(diǎn)需要指出，膨脹劑中的氧化鈣是經(jīng)過特殊工藝煅燒而成的，而非市場上銷售的普通生石灰。

因此，選擇膨脹劑時應(yīng)依據(jù)補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率設(shè)計(jì)值、工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用環(huán)境綜合判定。

3　膨脹加強(qiáng)帶或后澆帶設(shè)置

后澆帶是解決混凝土結(jié)構(gòu)因溫度、收縮或沉降引起開裂而采用的一種常用技術(shù)手段。溫度、收縮設(shè)置的后澆帶通常需要 42d 或者 2 個月以后才能澆筑，而沉降后澆帶則需要等主體結(jié)構(gòu)封頂、沉降穩(wěn)定后才能回填，歷時長久，降水費(fèi)用高昂。此外，后澆帶清理十分繁瑣，滲漏隱患大。

采用補(bǔ)償收縮混凝土，通過設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶替代溫度、收縮后澆帶，可以實(shí)現(xiàn)超長結(jié)構(gòu)無縫施工，簡化工藝、節(jié)約成本，該技術(shù)已在超長結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。膨脹加強(qiáng)帶分為間歇式、后澆式和連續(xù)式三種，其中，采用間歇式和后澆式膨脹加強(qiáng)帶時，但凡是涉及到防水要求的，膨脹加強(qiáng)帶必需留置鋼板止水帶，否則該處就會漏水。地下車庫頂板厚度200mm 左右，當(dāng)采用密肋模殼結(jié)構(gòu)時，頂板的混凝土厚度在 100mm 左右，鋼板止水帶放置較難。施工過程中，為了省事，有的項(xiàng)目部私自取消鋼板止水帶，認(rèn)為在該處多做幾層柔性外防水即可。然而，結(jié)果適得其反，滲漏往往就發(fā)生在這些無止水鋼板的部位，這一點(diǎn)應(yīng)引起施工人員的注意。

此外，目前我國廣泛使用的鋼板止水帶構(gòu)造見圖 2-a，施工圖集中要求止水鋼板帶的“開口”朝向迎水面。則底板部位設(shè)置的鋼板止水帶 “開口”朝下，振搗混凝土?xí)r，非密實(shí)混凝土中的夾帶的空氣排出，但止水鋼板的向下開口會阻礙空氣向上運(yùn)動，產(chǎn)生孔洞等缺陷（見圖 2-b），反而為水滲漏增加了通道。因此，建議底板鋼板止水帶構(gòu)造為“V”字型，兩端向上 5°角即可。

圖2-b　孔洞缺陷

超前止水措施是解決沉降后澆帶回填時間長、無法撤降水的一種方法。傳統(tǒng)的超前止水做法中，底板需要進(jìn)行下挖處理，施工復(fù)雜、工序多、工期長，并且，其采用的橡膠止水帶在安裝過程中極易發(fā)生破損，或者偏移，影響防水效果。中國建筑材料科學(xué)研究總院開發(fā)一種新型后澆帶超前止水構(gòu)造[5]，該技術(shù)直接在沉降后澆帶位置鋪設(shè)超前止水鋼板，止水鋼板的兩側(cè)止水構(gòu)造隨混凝土澆筑直接埋在混凝土中，既防水又起到模板作用（外墻），施工簡便、費(fèi)用低，具體作法見圖 3。

圖3　后澆帶超前止水新構(gòu)造

4　膨脹劑及補(bǔ)償收縮混凝土膨脹性能的現(xiàn)場抽查

混凝土工程師確定膨脹劑種類后，結(jié)合補(bǔ)償收縮混凝土強(qiáng)度、限制膨脹率和施工性能，給出適合工程用的混凝土配合比。如何保證膨脹劑廠家供應(yīng)的膨脹劑與送樣檢測樣品質(zhì)量相同、混凝土攪拌站是否嚴(yán)格執(zhí)行配合比、運(yùn)到工地的補(bǔ)償收縮混凝土其限制膨脹率是否滿足設(shè)計(jì)要求，是建設(shè)方、施工方和監(jiān)理重點(diǎn)關(guān)注的要點(diǎn)。

2009年以前，國內(nèi)沒有統(tǒng)一的膨脹劑和補(bǔ)償收縮混凝土現(xiàn)場檢測手段，往往等到工程出現(xiàn)質(zhì)量問題后，才能采取補(bǔ)救措施，嚴(yán)重制約了行業(yè)的健康發(fā)展。GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》附錄 C 給出了混凝土膨脹劑和摻膨脹劑的混凝土膨脹性能快速試驗(yàn)方法——啤酒瓶法和燒杯法。其中，啤酒瓶法是將 10% 膨脹劑水泥凈漿（水灰比 0.45）裝入啤酒瓶中，觀察瓶子開裂時間。燒杯法則是將運(yùn)至工地現(xiàn)場的混凝土裝入 500mL 玻璃燒杯中，終凝后澆水觀察開裂時間。依據(jù)啤酒瓶和燒杯開裂時間的長短，可以定性判定膨脹劑和混凝土的膨脹特性[6]，該方法簡便、直觀、易操作，并且價(jià)格便宜。隨著《混凝土膨脹劑》頒布實(shí)施，越來越多的工程人員使用上述快速檢測方法，讓人們認(rèn)識到什么是真正的膨脹，對補(bǔ)償收縮混凝土質(zhì)量提高起到很大促進(jìn)作用。

快速檢測方法只能定性判別是否有膨脹，但無法給出膨脹的具體數(shù)值，也就無法識別否達(dá)到設(shè)計(jì)值。傳統(tǒng)的混凝土限制膨脹率測試方法需要成型帶縱向限制器的試件，對成型溫度、脫模時間、養(yǎng)護(hù)條件都要求嚴(yán)格，測完水中 3d、7d、14d 長度變化后，還需移至恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室中。上述條件工地基本都不具備，也就造成現(xiàn)場無法定量測試混凝土限制膨脹率。為此，中國建筑材料科學(xué)研究總院于 2010 年開始研發(fā)現(xiàn)場水泥基材料變形測量裝置[7]，現(xiàn)場成型后直接連接千分表和數(shù)據(jù)采集器，定期澆水，即可實(shí)現(xiàn)限制膨脹率現(xiàn)場測量，可以監(jiān)控混凝土的全程變形，數(shù)據(jù)采集后直接發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過訪問網(wǎng)絡(luò)即可查看數(shù)據(jù)。同時，可避免數(shù)據(jù)造假，見圖 4。

圖4　現(xiàn)場測量裝置及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)圖

5　小結(jié)

（1）補(bǔ)償收縮是補(bǔ)償收縮混凝土的本質(zhì)和出發(fā)點(diǎn)，其補(bǔ)償能力大小可以通過混凝土的限制膨脹率來衡量。

（2）牢記膨脹劑限制率與混凝土限制膨脹率的2倍關(guān)系，是配制符合設(shè)計(jì)要求補(bǔ)償收縮混凝土的前提。

（3）對涉及防水要求的施工縫必須設(shè)置鋼板止水帶，外防水無用。

（4）采用超前止水鋼板的超前止水構(gòu)造施工簡便、經(jīng)濟(jì)，有效解決無法回填地下室和提前撤降水難題。

（5）膨脹性能快速定性檢測方法、膨脹率測量方法是判別膨脹劑質(zhì)量好壞、工程用混凝土限制膨脹率是否達(dá)標(biāo)的利器。

工程建設(shè)過程中，建設(shè)方、施工方、監(jiān)理三方把握好上述幾點(diǎn)，可顯著提高補(bǔ)償收縮混凝土工程質(zhì)量。

[1] 趙順增，游寶坤．補(bǔ)償收縮混凝土裂滲控制技術(shù)及其應(yīng)用[M]．北京；中國建筑工業(yè)出版社，2010: 203-219,+17-18．

[2] 吳翠娥，吳文選．膠砂與混凝土限制膨脹率相關(guān)性研究[J].膨脹劑與膨脹混凝土，2014, 1: 5-8．

[3] 閻培渝．科學(xué)使用膨脹劑需要注意的問題[C]．第四屆全國混凝土膨脹劑學(xué)術(shù)交流會論文集-混凝土膨脹劑及其應(yīng)用.北京；中國建材工業(yè)出版社，2006, 33-36．

[4] 趙順增，劉立，吳勇，等. HCSA 高性能混凝土膨脹劑性能研究[C]．第四屆全國混凝土膨脹劑學(xué)術(shù)交流會論文集——混凝土膨脹劑及其應(yīng)用．北京；中國建材工業(yè)出版社，2006, 52-59．

[5] 趙順增，劉立．一種地下工程后澆帶超前止水的方法及超前止水鋼板構(gòu)造[P]．中國專利: CN102226345 A，2011-10-26.

[6] 程杰，程彥，劉建光，等．膨脹劑及膨脹混凝土膨脹性能現(xiàn)場快速檢測方法[J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2014, 4:24-26+23．

[7] 趙順增．圖解說明現(xiàn)場檢測補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率的方法和儀器[J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2012, 3:28-30．

［通訊地址］東莞市企石鎮(zhèn)東興民營工業(yè)邨 （523518）

李可斌（1983-），男，工程師。