高性能膨脹劑在某結(jié)構(gòu)自防水工程中的應(yīng)用研究

王德民，鄔洪奎，阮文峰

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000；

2.中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州 215131）

高性能膨脹劑在某結(jié)構(gòu)自防水工程中的應(yīng)用研究

王德民1，鄔洪奎2，阮文峰2

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000；

2.中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州 215131）

通過對高性能膨脹劑的作用機(jī)理的研究、不同結(jié)構(gòu)部位混凝土限制膨脹率在低溫季節(jié)施工的設(shè)計(jì)和試配、現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測以及相應(yīng)技術(shù)措施的保障實(shí)施下，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)地下車庫自防水混凝土無裂縫、無滲漏水的良好防水效果。結(jié)果表明：硫鋁酸鈣（CSA）和氧化鈣（CaO）為高性能膨脹劑的兩大膨脹源；低溫季節(jié)施工設(shè)計(jì)的補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率可相應(yīng)降低，側(cè)墻、頂板（≥3.0×10-4）設(shè)計(jì)值應(yīng)較底板（≥2.0×10-4）高；主體結(jié)構(gòu)混凝土在澆筑完3個(gè)月后內(nèi)部仍處于微膨脹狀態(tài)。

補(bǔ)償收縮混凝土；自防水混凝土；高性能膨脹劑；限制膨脹率；低溫季節(jié)施工

0 前言

滲漏問題一直是建筑地下防水工程的質(zhì)量通病。地下防水工程產(chǎn)生滲漏的根本原因在于自防水混凝土自身存在有害裂縫。如何有效解決混凝土有害裂縫的產(chǎn)生是提高建筑地下工程防水效果的關(guān)鍵。補(bǔ)償收縮混凝土在國內(nèi)的發(fā)展與應(yīng)用已有30多年的歷史，因其具有顯著的補(bǔ)償混凝土非結(jié)構(gòu)性收縮的特點(diǎn)，使其在地下工程主體結(jié)構(gòu)自防水混凝土中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。膨脹劑是補(bǔ)償收縮混凝土的核心材料，其在國內(nèi)的發(fā)展從最初的無熟料膨脹劑到后來的有熟料膨脹劑，其主要膨脹源從硫鋁酸鈣單膨脹源發(fā)展到現(xiàn)在的硫鋁酸鈣-氧化鈣雙膨脹源。目前膨脹劑的發(fā)展方向主要有2個(gè)方面：一是需研發(fā)具有高效膨脹性能的膨脹熟料以提高其補(bǔ)償收縮的效果；二是需減少膨脹劑對施工后期保濕養(yǎng)護(hù)的依賴性。高性能膨脹劑（HCSA）作為國內(nèi)第三代膨脹劑，具有膨脹性能高、膨脹與收縮協(xié)調(diào)發(fā)展、水化需水量小等特點(diǎn)，符合現(xiàn)代建筑工程發(fā)展的需要，目前已在結(jié)構(gòu)自防水工程實(shí)際中積累了較多的工程案例[3-5]。

為提高結(jié)構(gòu)混凝土的抗裂、防水效果，蘇州楓橋中心小學(xué)東校區(qū)工程地下車庫選用了高性能膨脹劑（HCSA）配制的補(bǔ)償收縮混凝土作為主體結(jié)構(gòu)自防水混凝土。本文重點(diǎn)從高性能膨脹劑的作用機(jī)理、補(bǔ)償收縮混凝土的配合比設(shè)計(jì)、混凝土低溫季節(jié)澆筑施工和采取的相關(guān)技術(shù)措施等方面，分析和研究了此地下車庫工程的整體抗裂、防水效果。

1 高性能膨脹劑的制備和機(jī)理分析

此工程地下車庫的防水混凝土中添加了由武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的高性能膨脹劑，該高性能膨脹劑的熟料具有硫鋁酸鈣和氧化鈣雙膨脹源。相比于傳統(tǒng)的硫鋁酸鈣型膨脹劑具有水化反應(yīng)需水量低、膨脹能高和膨脹性能穩(wěn)定的特點(diǎn)[3]。此高性能膨脹劑的化學(xué)成分見表1，其XRD物相分析見圖1。混凝土設(shè)計(jì)等級為C35P6，用水量175 kg/m3，砂率42%，膨脹劑摻量35 kg/m3，配制的混凝土試件28 d的SEM照片見圖2。

表1 高性能膨脹劑的化學(xué)成分 %

圖1 高性能膨脹劑的XRD圖譜

圖2 28 d混凝土試件的SEM照片

從表1可知，此高性能膨脹劑中三氧化硫和游離氧化鈣含量較高；從圖1可知，氧化鈣和硫鋁酸鈣是其主要結(jié)晶礦物相。從圖2可知，制備的C35P6混凝土中水化產(chǎn)物中含有較多的鈣礬石和氫氧化鈣[6]。綜上，硫鋁酸鈣（CSA）和氧化鈣（CaO）是使此工程中防水混凝土產(chǎn)生體積膨脹從而達(dá)到補(bǔ)償混凝土收縮的主要?jiǎng)恿υ础?/p>

2 高性能膨脹劑在地下車庫中的應(yīng)用

2.1 工程概況

蘇州楓橋中心小學(xué)東校區(qū)工程的地下車庫為1層，地上建筑為4層，為框架結(jié)構(gòu)體系，地下車庫長179 m，寬96 m，占地面積為10 902 m2。防水混凝土等級為C35P6、后澆帶等級為C40P6，其中各部位結(jié)構(gòu)尺寸分別為底板厚度600 mm、側(cè)墻300 mm、覆土部分頂板250 mm、無覆土部分頂板180 mm。底板混凝土用量7800 m3、墻柱和頂板混凝土用量5200 m3。地下車庫結(jié)構(gòu)混凝土澆筑時(shí)間為2016年1月初至4月初，后澆帶于4月底澆筑完畢，地下結(jié)構(gòu)從澆筑到覆土回填歷時(shí)3個(gè)月左右。地下車庫底板后澆帶設(shè)置見圖3。

圖3 地下車庫后澆帶設(shè)置

2.2 補(bǔ)償收縮混凝土

（1）原材料的選擇

P·O42.5水泥；ZWL-A-I萘系減水劑；Ⅱ級以上品質(zhì)且性能穩(wěn)定的低鈣粉煤灰；S95級磨細(xì)礦渣粉；自然連續(xù)級配（5～ 31.5 mm）的碎石；Ⅱ區(qū)中砂，河砂；高性能膨脹劑為硫鋁酸鈣、氧化鈣雙膨脹源組分且性能穩(wěn)定，符合GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ型各項(xiàng)指標(biāo)要求，其膠砂限制膨脹率為6.3×10-4。其中粗細(xì)骨料的泥含量及泥塊含量指標(biāo)需嚴(yán)格控制，粗骨料≤1%，細(xì)骨料≤2%。

（2）限制膨脹率的設(shè)計(jì)

由于本工程地下車庫防水混凝土澆筑施工季節(jié)為蘇州冬、春低溫季節(jié)，混凝土受溫度影響較小，冷縮值相對較低，其主要收縮為自收縮和干燥收縮。與夏季高溫季節(jié)施工相比，秋、冬、春季補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率設(shè)計(jì)限制可相應(yīng)降低。通過大量實(shí)際工程統(tǒng)計(jì)表明，地下工程結(jié)構(gòu)底板的收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)較側(cè)墻、頂板低，因而針對不同的結(jié)構(gòu)部位需設(shè)計(jì)不同的限制膨脹率值。經(jīng)工程實(shí)踐和研究表明，補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率指標(biāo)需達(dá)到2.0×10-4～4.0×10-4時(shí)，其具有較好的抗裂、防水效果[7]。針對本工程施工季節(jié)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率設(shè)計(jì)值為底板≥2.0×10-4、側(cè)墻和頂板≥3.0×10-4、不同部位后澆帶設(shè)計(jì)值相應(yīng)提高0.5×10-4。

（3）確定最終配合比

為確定混凝土中各組分的最終摻量，前期進(jìn)行多組試配，最終將配合比中除高性能膨脹劑外的其他組分確定，具體配合比及根據(jù)配合比試配后的限制膨脹率及抗壓強(qiáng)度見表2。為滿足設(shè)計(jì)要求，高性能膨脹劑的摻量在底板中為25 kg/m3、側(cè)墻和頂板中為35 kg/m3，不同部位的后澆帶內(nèi)摻量需相應(yīng)提高5 kg/m3。

表2 混凝土配合比及其塌落度標(biāo)養(yǎng)狀態(tài)下混凝土限制膨脹率和抗壓強(qiáng)度

2.3 施工技術(shù)措施

為保證高性能膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土有效發(fā)揮其補(bǔ)償收縮的效果，并結(jié)合施工季節(jié)和現(xiàn)場施工條件，制定和實(shí)施了以下施工技術(shù)措施：（1）由于施工季節(jié)為冬、春季，溫度較低，混凝土坍落度損失較小，為減少后期干燥收縮，將補(bǔ)償收縮混凝土地，坍落度控制在（160±20）mm，現(xiàn)場監(jiān)測混凝土入模溫度在9.0～20.0℃。（2）保證施工過程混凝土的連續(xù)供應(yīng)，澆筑混凝土及時(shí)人工振搗，避免出現(xiàn)過振和漏振現(xiàn)象。（3）混凝土澆筑過程中及時(shí)進(jìn)行人工第1次收面，混凝土初凝前進(jìn)行二次機(jī)械抹面，雨雪天氣及時(shí)用塑料薄膜覆蓋新澆筑混凝土，防止新鮮混凝土受凍或表面雨雪沖刷。（4）側(cè)墻帶模養(yǎng)護(hù)至混凝土內(nèi)部溫度降至與環(huán)境溫度差值在10℃以內(nèi)，工程實(shí)際帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間為5～7 d。

2.4 應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測分析

現(xiàn)場施工過程中，采用溫度傳感器和振弦式應(yīng)變計(jì)對混凝土內(nèi)部微應(yīng)變和溫度進(jìn)行監(jiān)測。由于側(cè)墻和頂板等薄板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非結(jié)構(gòu)性收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)較底板更高，因而工程中在側(cè)墻和頂板中埋設(shè)了振弦式應(yīng)變計(jì)進(jìn)行定時(shí)檢測，其監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 側(cè)墻混凝土溫度和應(yīng)變隨時(shí)間的變化趨勢

圖5 頂板混凝土溫度和應(yīng)變隨時(shí)間的變化趨勢

從圖4、圖5可見，隨時(shí)間的延長，側(cè)墻和頂板混凝土內(nèi)部微應(yīng)變均呈現(xiàn)先上升后下降，最終在混凝土覆土后趨于平緩的趨勢。混凝土內(nèi)部微應(yīng)變最大值在10～13 d出現(xiàn)，最大微應(yīng)變≥150 με，趨于平緩后的混凝土內(nèi)部微應(yīng)變≥60 με。從混凝土澆筑開始至3個(gè)月后，混凝土內(nèi)部一直處于膨脹狀態(tài)，因而具有良好的抗裂、防水效果。

側(cè)墻測點(diǎn)為2016年1月中旬開始采集，內(nèi)部溫峰值為22.2℃，出現(xiàn)時(shí)間為31.2 h；頂板測點(diǎn)為2016年2月下旬開始采集，內(nèi)部溫峰值為29.0℃，出現(xiàn)時(shí)間為24.6 h。本次應(yīng)變和溫度數(shù)據(jù)采集周期為3個(gè)月，頂板和側(cè)墻均在數(shù)據(jù)采集2個(gè)月左右覆土回填完畢，覆土回填后溫、濕度相對穩(wěn)定，受環(huán)境影響較小，因而結(jié)構(gòu)內(nèi)部微應(yīng)變和溫度相對趨于平緩。

相比較于夏季高溫施工的工程項(xiàng)目，秋、冬、春季低溫施工項(xiàng)目混凝土內(nèi)部的應(yīng)變值相對較低，且應(yīng)變峰值出現(xiàn)的時(shí)間亦相對延長[4]。主要原因是施工階段的混凝土內(nèi)部溫度越高，膨脹劑水化反應(yīng)速率越快，膨脹峰值相應(yīng)較高。隨著混凝土內(nèi)部溫度的升高，混凝土的溫度冷縮和后期干燥收縮增大，混凝土收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)亦越高。因而高溫季節(jié)（≥30℃）施工的工程項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)混凝土限制膨脹率設(shè)計(jì)需相應(yīng)提高。

2.5地下車庫抗裂、防水效果

從前期混凝土試配到現(xiàn)場結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部微應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測來看，結(jié)構(gòu)混凝土在覆土回填以后一直處于微膨脹狀態(tài)。地下車庫覆土回填1個(gè)月以后，從現(xiàn)場結(jié)構(gòu)面檢查及雨季的驗(yàn)證，混凝土結(jié)構(gòu)表面未發(fā)現(xiàn)裂縫且無滲、漏水現(xiàn)象，證明采用高性能膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土具有良好的抗裂、防水效果。此工程側(cè)墻和頂板的效果示意見圖6。

圖6 側(cè)墻和頂板示意

3 結(jié)語

蘇州楓橋中心小學(xué)東校區(qū)地下車庫工程采用了以高性能膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土作為結(jié)構(gòu)自防水混凝土，結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)裂縫和滲漏水現(xiàn)象，整體取得了良好的抗裂、防水效果。本工程為結(jié)構(gòu)部位混凝土在低溫季節(jié)施工的膨脹設(shè)計(jì)值和相應(yīng)施工技術(shù)措施提供了借鑒，同時(shí)為高性能膨脹劑在地下工程的應(yīng)用提供了案例。

（1）經(jīng)高性能膨脹劑化學(xué)成分分析、XRD礦物相分析和混凝土試件的SEM微觀掃描電鏡的分析表明，硫鋁酸鈣（CSA）和氧化鈣（CaO）為此高性能膨脹劑的兩大膨脹源。

（2）針對低溫施工季節(jié)，設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)降低補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率，側(cè)墻和頂板等薄板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)限制膨脹率值（≥3.0×10-4）應(yīng)較底板（≥2.0×10-4）高。

（3）采用此高性能膨脹劑配制的補(bǔ)償收縮混凝土在地下工程中混凝土澆筑完3個(gè)月以后仍處于微膨脹狀態(tài)。

[1]趙順增，游寶坤.補(bǔ)償收縮混凝土裂滲控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]王碩太，朱仁興，許永坤，等.自密實(shí)自防水高性能混凝土的應(yīng)用研究[J].新型建筑材料，2007（10）：1-4.

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[5]王德民，任偉，陸軍，等.高性能膨脹劑在TOP未來城工程中的應(yīng)用研究[J].建筑技術(shù)，2016（1）：21-24.

[6]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，北京：中國建材工業(yè)出版社，2006：52-59.

[7]游寶坤.混凝土膨脹劑應(yīng)用的若干問題[J].施工技術(shù)，2000（10）：41-43.

Application research of high-performance expansive agent to a self-waterproof project

WANG Demin1，WU Hongkui2，RUAN Wenfeng2
（1.Wuhan Sanyuan Special Building Materials Co.Ltd.，Wuhan 430000，China；
2.ZhongYifeng Construction Group Co.Ltd.，Suzhou 215131，China）

Based on research on mechanism of high-performance expansive agent，designing and fitting restrained expansion rate of concrete from different structure position and low temperature construction season，data monitoring of field practical project，as well as implementation of technical measures，the whole self-waterproof concrete of underground garage with non-crack and water tightness has been successfully built．It was concluded that calcium sulphoaluminate（CSA）and calcium oxide（CaO）were the main expansion source of high-performance expansive agent.Restrained expansion rate of shrinkage-compensating concrete could be decreased with low temperature construction season，and side wall and roof（≥3.0×10-4）was higher than bottom（≥2.0×10-4）. Internal microstrain of concrete in main structure was tiny expansive state after three months.

shrinkage-compensating concrete，self-waterproof concrete，high-performance expansive agent，restrained expansion rate，low temperature construction season

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A

10010-702X（2016）11-0100-04

2016-05-31；

2016-07-14

王德民，男，1986年生，江蘇連云港人，碩士，工程師，主要從事建筑材料研發(fā)和工程應(yīng)用研究。