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。
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。
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。
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
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
(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。
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李可斌(1983-),男,工程師。