補償收縮混凝土在工程設計中的應用

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1概述

在工程建設及建筑材料的使用中，普通混凝土得到了極其廣泛的運用，但是，由于普通混凝土的極限延伸率較低，當有干縮、徐變、溫度等因素作用時，其容易產生開裂現象，從而使混凝土結構發生滲漏、鋼筋發生銹蝕，進而造成結構的使用功能及壽命受到嚴重的影響。普通混凝土存在的這一問題在大體積及超長混凝土結構中尤為突出，為解決這一問題，工程中常用的方法包括設置伸縮縫、后澆帶以及使用補償收縮混凝土等。伸縮縫和后澆帶在工程設計時應用比較普遍，而對于補償收縮混凝土，由于設計深度不夠或者后期操作上的不規范，導致混凝土結構構件開裂的事故也偶有發生，這值得我們思考并在工程實踐中總結經驗、完善項目的設計。補償收縮混凝土是由膨脹劑或膨脹水泥配制的自應力為0.2~1.0MPa的混凝土。目前，我國的補償收縮混凝土主要用于結構自防水、填充性膨脹混凝土工程、延長建筑物伸縮縫或后澆帶間距的連續澆筑的鋼筋混凝土工程以及大體積的混凝土工程。從我國多年來應用補償收縮混凝土進行各種抗裂防滲工程的建設實踐看來，補償收縮混凝土在總體上具有良好的效果，其是代替普通混凝土的較理想材料。

2補償收縮混凝土控制裂縫的原理

當受到鋼筋或其它約束力的作用時，混凝土的膨脹會受到一定的限制，同時，鋼筋又會因為混凝土的膨脹而伸長，在這種條件下，鋼筋中會產生一定的拉應力，而混凝土中則會產生相應的壓應力（大小約為0.2MPa～1.0MPa），這種壓應力能夠抵消混凝土開裂的全部或部分拉應力，有效地補償混凝土的干縮和冷縮，從而避免混凝土的開裂。同時，膨脹劑與水、水泥拌合后經水化反應會生成鈣礬石晶體，這些晶體會填充混凝土的毛細孔，使其變細、減少甚至消失，從而增強混凝土的致密性，進而大幅度的提高混凝土的抗裂防滲能力，使其耐久性及抵抗侵蝕的性能得到明顯的增強。如果僅僅只是簡單的向普通混凝土中摻加膨脹劑，并不能有效的控制混凝土產生裂縫，與普通混凝土一樣，在摻加膨脹劑，進行補償收縮混凝土的配置時，也必須嚴格遵守設計、施工、材料三者緊密結合的原則。混凝土的限制膨脹率是衡量混凝土補償收縮能力的重要指標。因此，在進行補償收縮混凝土配合比設計時，必須根據原材料（如：所采用的水泥、外加劑等）的情況、混凝土的標號及塌落度、配筋的分布、構件的尺寸、工程結構構件的約束狀態、粉煤灰的摻加量及膨脹劑的質量等進行嚴格的控制；同時，在設計及試配的過程中，要根據工程構件不同部位的約束情況，合理設計混凝土限制膨脹率的大小、進行嚴格的測試，在確保混凝土強度及抗滲能力的基礎上，有效確定膨脹劑的合理摻量。

3補償收縮混凝土的配合比設計

在進行補償收縮混凝土的配合比設計時，除了對膨脹劑進行合理的選擇，還應充分了解影響混凝土限制膨脹率的因素。

3.1膨脹劑的選擇

目前，市場上可供選擇的膨脹劑種類十分繁多，不同膨脹劑的質量也不盡相同。同時，在合格的膨脹劑產品中，膨脹劑的性能及其膨脹率的大小也存在許多的差異，例如：一些膨脹劑具有較高的膨脹率，但其在干空中的收縮率也較大，這就會產生膨脹、收縮落差較大等現象，從而影響混凝土的質量。因此，在進行膨脹劑選擇時，必須對膨脹劑的質量進行充分的了解，對膨脹劑的質量及其膨脹率的大小進行嚴格的分析、檢查，從而篩選出合適的膨脹劑產品。

3.2補償收縮混凝土配合比的影響因素

在膨脹劑摻量固定的情況下，砂漿的限制膨脹率要遠小于凈漿，而混凝土的限制膨脹率又要遠小于砂漿，這主要是因為影響混凝土限制膨脹率的因素十分復雜。一般來說，影響混凝土限制膨脹率的因素除了水、水泥、砂、石外，還包括外加劑、混凝土的塌落度及其凝結時間、膨脹劑的摻量以及粉煤灰的摻量等。

（1）膨脹劑的摻量。一些觀點認為，只要簡單的向普通混凝土中摻加膨脹劑，就能配制微膨脹的混凝土，從而有效的控制混凝土產生裂縫的現象，顯然，這種觀點是錯誤的。在進行補償收縮混凝土配制時，如果膨脹劑的摻入量不足或膨脹劑的膨脹率過低，其在混凝土中產生的鈣礬石晶體就會偏少，雖然所產生的鈣礬石晶體也能部分的填充混凝土的毛細孔、提高混凝土的抗滲能力，但其所產生的膨脹是比較微小的，其補償混凝土收縮的能力是遠不夠的，在此情況下，混凝土剩余的收縮變形會遠大于混凝土的極限延伸率，使得補償收縮混凝土的效果遠達不到設計要求。因此，在進行補償收縮混凝土配制時，只有根據混凝土的限制膨脹率大小來確定膨脹劑的摻量，產生足夠的鈣礬石晶體，才能顯著提高混凝土的膨脹率，使混凝土的膨脹性達到設計的要求。顯改善混凝土的和易性，降低大體積混凝土的水化熱，控制混凝土的溫差收縮應力。因此，在配制補償收縮混凝土時，為了使配制的補償收縮混凝土的限制膨脹率不至于偏低，技術人員需要在計算膨脹劑摻量時，將粉煤灰的量計入到膠凝材料中，從而使混凝土的限制膨脹率達到設計的要求。

（3）外加劑。混凝土外加劑標準中規定，一等品外加劑28天的混凝土收縮率比不大于125%，合格率28天的混凝土收縮率比不大于135%。一般情況下，28天外加劑推薦摻量下的混凝土與空白混凝土的收縮率比應當在115%~129%之間，由此可見，外加劑的使用可以大幅度的加大混凝土的收縮，并且，當外加劑摻量越多時，混凝土的收縮就越明顯；與此同時，外加劑的使用已經成為泵送混凝土施工時的重要組成部分，因此，為了達到泵送混凝土施工的要求，混凝土膨脹劑的選擇及摻量也應得到相應的提高。

（4）混凝土塌落度。在同一膨脹劑摻量下，混凝土的塌落度越大，混凝土的膨脹率就越小。故采用泵送混凝土時，要配制抗裂性好的補償收縮混凝土，必須提高膨脹劑的摻量。

（5）混凝土凝結時間。當混凝土的凝結時間較短時，水泥的水化反應就比較快，混凝土早期的收縮現象也就比較明顯；而混凝土凝結時間過長，膨脹劑的膨脹能就會消耗在混凝土的塑性階段。從實際的工程實踐應用來看，補償收縮混凝土的凝結時間最好控制在10-18小時內，大體積混凝土要采用時間的上限。綜上可知，影響限制膨脹率的因素是多方面的。對于設計來說，應在設計圖紙中說明哪些結構部位采用補償收縮混凝土，并提出設計強度等級、抗滲等級以及14天水中限制膨脹率指標。由于不同廠家的膨脹劑質量有所不同，因此，施工單位可以通過實驗來確定膨脹劑的摻量。對于大體積混凝土工程或地下工程，補償收縮混凝土的抗壓強度標準可以標準養護60d或90d的強度為準；除此以外，應以標準養護28d的強度為準。

4設計中補償收縮混凝土的合理使用

現行《補償收縮混凝土應用技術規程》（JGJ/T178-2009）規定：設計使用補償收縮混凝土時，應在設計圖紙中明確注明不同結構部位的限制膨脹率指標要求。即在進行膨脹劑及摻量選擇時，應該根據不同工程結構部位的受約束程度及補償收縮所需的膨脹能，明確限制膨脹率的取值。《補償收縮混凝土應用技術規程》中對不同結構部位的限制膨脹率設計取值，從表中的數據可以看出，在同一結構中，由于不同部位的約束程度和收縮應力不同，其限制膨脹率的設計取值也不相同，例如：墻體結構的約束程度要高于水平梁板結構、養護條件相比較差，故其限制膨脹率取值相對較高。另外，大的限制應該用大的膨脹進行補償，故后澆帶、膨脹加強帶的取值最大；同時，對于強度等級大于等于C50的混凝土、約束程度大的樁基礎底板、結構總長度大于120m、環境相對濕度低、收縮變形大的部位，限制膨脹率取值要適當提高。對于大體積、大面積及超長混凝土結構可采用膨脹加強帶的措施來實現結構的無縫或少縫設計。在施工組織中，可根據現場情況采取整體連續澆筑或局部連續澆筑，通過設置連續式、間歇式或后澆式膨脹加強帶來實現。膨脹加強帶的設置間距可按照常規后澆帶的設置原則進行，寬度取為2000mm，兩側用密孔鋼絲將帶內外混凝土分開；非沉降的后澆式膨脹加強帶可在兩側補償收縮混凝土澆筑28d后澆筑，大體積混凝土的膨脹加強帶應在兩側的混凝土中心溫度降至環境溫度時澆筑。對于補償收縮混凝土而言，均衡配筋可以保證在需要補償收縮的部位產生均勻有效的膨脹，因此強調在全截面應雙層雙向配筋，對于混凝土底板，鋼筋間距在150~200mm范圍內；對于樓板，鋼筋間距在100~200mm范圍內；對于屋面板、墻體水平筋，鋼筋間距在100~150mm范圍內。當地下室外墻的凈高度大于3.6m時，在墻體高度的水平中線部位上下500mm范圍內，水平筋的間距不應大于100mm；當房屋平面形體凹凸時，在房屋凹角處的樓板、房屋兩端陽角處及山墻處的樓板、與周圍梁墻和柱等構件整體澆筑且受約束較強的樓板，宜加強配筋；建筑的出入口位置，結構截面變化處、構造復雜的突出部位、樓板空洞、標高不同的相鄰構件連接處，宜加強配筋。實際工程項目中，不少工程的地下部分存在結構超長問題，設計工程師經常采用摻膨脹劑的方法進行處理，但在表述上往往還不夠準確，現將設計中常見的兩條按照《補償收縮混凝土應用技術規程》整理如下：

（1）基礎筏板及地下室外墻、頂板混凝土內需摻加低堿抗裂型防水膨脹劑，摻量8%~10%（具體摻量須經試驗確定，要求膨脹率≥0.015%），且均需摻加抗裂纖維0.9kg/m3防裂。重新表述為：基礎筏板、地下室外墻及地下室頂部梁板采用摻抗裂纖維的補償收縮混凝土，抗裂纖維的摻量為0.9kg/m3，不同結構部位補償收縮混凝土的限制膨脹率見表1，各部位的混凝土強度等級及抗滲等級應符合相關要求。

（2）地下部分設置后澆帶，寬度800mm，位置詳見具體施工平面圖，后澆帶處梁板鋼筋均應貫通；后澆帶內混凝土強度等級提高一級，后澆帶內摻低堿型微膨脹劑，具體摻入量由產品說明及試驗確定，并應符合規范《混凝土膨脹劑》的規定。重新表述為：本工程地下部分設置后澆帶，寬度800mm，位置詳見具體施工平面圖，后澆帶處梁板墻鋼筋均應貫通，后澆帶內采用補償收縮混凝土，其設計強度等級比兩側混凝土提高一級，補償收縮混凝土的限制膨脹率見表1，抗滲等級符合相關要求。

5結束語

補償收縮混凝土可以有效地防止和減輕混凝土開裂，為控制大體積及超長混凝土結構的裂縫提供了一種手段，但補償收縮混凝土的設計尚存在需要完善的地方。文章在介紹補償收縮混凝土控制裂縫原理、配合比影響因素的基礎上，對補償收縮混凝土的設計提出了建議，希望對補償收縮混凝土在工程設計中的合理應用有所幫助。

作者：周濤 單位：山東英才學院