建筑结构裂渗控制技术与混凝土膨胀剂应用技术前言裂缝控制的含义

/建筑结构裂渗限制技术和混凝土膨胀剂应用技术前

言裂缝限制的含义:通过设计、材料、施工的技术措施，限制有害裂缝的出现。混凝土最大裂缝限制标准:无侵蚀介质，无防渗要求，<0.3mm略微侵蚀,无防渗要求，<0.2mm严峻侵蚀，有防渗要求，<0.1mm现状:结构的超大化、困难化，使裂缝出现几率增加;ISO水泥标准的实施，部分水泥厂的水泥细度提高，对结构的裂缝限制不利;高效减水剂的影响经常被忽视。

建筑结构产生裂缝的缘由及其对策建筑结构产生裂缝的主要缘由：荷载裂缝，几率20%；变形裂缝，几率80%；荷载裂缝、结构不匀整沉降和气候温差引起的裂缝可由结构设计师解决。混凝土的变形裂缝由材料、施工和技术人员解决。

混凝土收缩裂缝产生的缘由◆化学减缩:100g水泥+33ml水，减缩值7~9ml；混凝土C=300kg/m3，减缩值21~27L/m3；◆干燥收缩：100g水泥浆体，可蒸发水分约6ml；混凝土C=300kg/m3，可蒸发水分约18ml；水泥砂浆干缩值约0.1~0.2%；水泥混凝土180天自由干缩值约0.04~0.06%；◆自收缩:由于自干燥作用引起的混凝土的自身体积收缩；OPC:

Sf<100

(微应变)HPC

W/B=0.4，Sf>100(微应变)W/B=0.3，Sf>200

(微应变)W/B=0.2，Sf>300

(微应变)◆温差收缩：水泥水化热，300~350kJ/kg；混凝土的绝热温升40~55ºC；ΔT=10℃，α=1×10-5/℃冷缩值ST=ΔT/α≈1×10-4；ΔT<25℃◆徐变：拉徐变：能缓解混凝土内部应力，有利于抗裂；压徐变：预应力损失，不利于抗裂。

混凝土后期膨胀产生裂缝的缘由◆水泥中游离CaO过高，Ca(OH)2体积膨胀，fCaO≤1.0%◆水泥中MgO过高，Mg(OH)2体积膨胀，MgO≤4.5%◆水泥和外加剂的碱含量过高，和集料中的活性硅等发生碱-集料反应，重要工程，R2O<3kg/m3◆延迟钙矾石的生成；◆有害离子，如Clˉ、SO42-、Mg2+等侵入混凝土内部，导致钢筋锈蚀或形成钙矾石膨胀破坏。

混凝土的主要变形自由收缩，相向变形，不裂限制收缩，背向变形，开裂自由膨胀，背向变形，开裂限制膨胀，相向变形，不裂

现拌砼

SC=6～8cm，自由收缩值

Sd=4～6×10-4泵送砼

SC=16～18cm，自由收缩值

Sd=6～8×10-4掺减水剂砼和基准砼收缩比≤135%(见图1)

图2

混凝土收缩变形过程在我国《钢筋混凝土裂缝限制指南》中，提出应实行防、放、抗的综合措施，设计、材料和施工相结合裂缝限制方法，其中对混凝土材料选择和协作比，除达到设计的强度、抗渗等级外，还应具有抗拒裂缝的功能。在中国工程院土木水利和建筑学部编制的《混凝土结构耐久性设计和施工指南》中指出：混凝土结构的耐久性设计应对混凝土原材料的选用和混凝土水胶比等主要的协作比参数提出具体要求，使混凝土具有良好的抗侵入性，体积稳定性和抗裂性。

砼中的抗裂材料混凝土抗裂措施

表1措

施原

理掺

量增加成本碳纤维增加抗拉，分散应力集中片材60-100元/m2钢纤维增加韧性，分散应力集中60-100kg／m3100-120元／m3聚丙烯纤维降低塑性变形，分散应力集中0.7-1.0kg／m350-60元／m3减缩剂降低表面张力，降低干缩C×3～4%50-60元／m3膨胀剂产生少量予压应力，补偿收缩替代C×8～12%35-45元／m3

掺膨胀剂的作用：

1．由于钙矾石产生体积膨胀，在限制条件下可在砼结构中建立0.2～0.7mpa予压应力，改善了砼的应力状态，提高抗裂性。

图2

掺和不掺膨胀剂的砼的长度变更2．由于钙矾石具填充、堵塞毛细孔缝作用，改善了砼的孔结构，降低总孔隙率，提高砼抗渗性能。抗裂综合措施：普遍应用工程：掺入细磨掺合料粉煤灰、矿渣粉、减水剂地下工程：掺入细磨掺合料、膨胀剂、减水剂特殊工程：掺入细磨掺合料、膨胀剂、纤维、减水剂

我国砼膨胀剂开发近况20年来，累计销量约400万吨，平均掺量40kg／m3，折合补偿收缩砼约1亿m3,UEA占70%。应用于地下工程的结构自防水，无缝施工和大体积砼，占80%。存在问题：应用技术未跟上，产品质量不够稳定，非技术问题干扰，如何评价膨胀剂在砼工程中的应用。

怎样选用膨胀剂主要功能：补偿砼硬化过程中的干缩和冷缩，减免有害裂缝，温度裂缝，由结构设计解决。选用原则：《混凝土膨胀剂》建材行业标准JC476－2001碱含量≤0.75%水中7d限制膨胀率≥0.025%掺量≤12%(北京市规定≤8%)

补偿收缩砼协作比设计1．膨胀剂是内掺还是外掺?《砼外加剂应用技术规范》GB50119－2003规定：膨胀剂掺量是按等量取代胶凝材料的内掺法：当基准砼水泥用量为C0，膨胀剂掺量为K时，膨胀剂E=C0×K(kg／m3)，水泥C=C0－E(kg／m3)当基准砼中掺入粉煤灰等细掺料(FA0)时，则膨胀剂分别取代水泥和细掺料，即：膨胀剂E=(C0+FA0)·K(kg／m3)细掺料F=FA0(1－K)(kg／m3)水泥C=C0(1－K)(kg／m3)《地下工程防水技术规范》GB50108－2001规定，水泥确定量C≥300kg／m3，如掺入粉煤灰时，C≥280kg／m32．补偿收缩砼的第一特性--限制膨胀率ε2

吴中伟院士补偿收缩砼的理论：限制膨胀补偿限制收缩

自由收缩－不裂

∵相向变形

砼变形：限制收缩－开裂

∵背向变形

自由膨胀－开裂

∵背向变形

限制膨胀－不裂

∵相向变形砼不裂条件：ε2－Sm≤Sk(用负值)

ε2－砼限制膨胀率(%)

Sm－砼限制收缩率(%)

Sm=(ST+Sd)·R

SK－砼极限拉伸值(%)

限制膨胀率测定：100×100×300mm，钢筋Φ10mm

自应力值σc=μ·ES·ε2

(0.2－0.7mpa)GB50119－2003规定：掺膨胀剂砼水中14d，ε2≥0.015%不同结构部位砼ε2和膨胀剂掺量

表2结构部位限制膨胀率(%)一般膨胀剂高效膨胀剂底板、顶板0.015～0.02010～117～8边墙0.025～0.03511～129～10膨胀加强带、后浇带0.035～0.04513～1411～123．膨胀剂掺量和强度关系由于1－7d膨胀作用，7d强度下降10%左右，是正常现象，限制强度比自由强度提高10－20%，28d强度上升，持平。大膨胀砼，试件3d拆模，标养25d

图3

膨胀剂掺量和膨胀强度的关系

4．膨胀剂掺量有意或无意少掺是个大误区缘由：1．不作砼限制膨胀率试验，存在盲目性；2．施工管理不善，计量不精确，掺量随意性；3．利益驱动，为节约成本，有意少掺；5．有的厂把膨胀剂“神化”，一掺就灵，误导用户·一般型膨胀剂：标准掺量为12%，外观粉红色；·高效型膨胀剂：标准掺量为8%，外观灰白色；·砼中膨胀剂掺量≤６％，达不到补偿收缩作用。

关于复合膨胀剂它是用膨胀剂和化学外加剂复合而成的，具有减水、缓凝、早强、膨胀和防水等多功能。已从JC476－2001标准中删掉，缘由(1)产品检验困难，性能指标有冲突；(2)和水泥适应性问题，坍落度变更。市场销售：抗裂防水剂，或抗裂增加剂，多功能膨胀剂。

设计中留意问题1．设计上可举荐膨胀剂品牌，但不应指定掺量。合理说明是：“接受掺膨胀剂的补偿收缩砼，强度等级、抗渗标号、砼水中14d限制膨胀率大于0.015%(或者依据不同结构部位提出更高的膨胀率)，参考表2。2．裂缝限制和构造筋有关。接受细而密配筋原则墙体：水平筋间距a≤150mm，配筋率0.5%左右，中部1m范围内a≤100mm，形成一道“暗梁”，墙柱连接处，增加10%附加筋。3．对于设计强度等级C50～C60墙体，收缩应力大。建议设计接受掺膨胀剂和聚丙烯纤维复合的抗裂砼。4．补偿收缩砼的后浇缝间距可延长至60m，面积2000～2500m2。超过60m，可用2m宽的膨胀加强带代替后浇带，接受无缝设计方法。

施工中留意问题1．按协作比拌制砼，确保膨胀剂掺量；2．拌制时间：比一般砼适当延长，商品砼>10秒；3．砼布料，震捣、抹压（原浆收面）按施工规范；4．重视养护，保温保湿养护14d；5．边墙砼浇完后，顶部设水管喷淋，3～5d拆模板，保湿养护10～14d；6．边墙C40以上砼，收缩应力大，可能出现一些纵向裂缝，但大多为宽度小于0.2mm的表面裂缝，个别有贯穿。

图4

膨胀砼墙体

图5

一般砼墙体

7．裂缝修补原则：<0.2mm表面裂缝，不用修补>0.2mm非贯穿裂缝，开缝用膨胀砂浆修补>0.2mm贯穿裂缝，化学灌浆修补8．砼工程维护：地下室尽快回填土，楼层尽快作围护墙体，屋面尽快作防水保温层。

补偿收缩砼应用技术成果1．结构自防水技术我国结构自防水技术发展

表3年头自防水技术技术特征1950-1960集料连续级配防水砼集料级配获得最小空隙率1960-1970富砂浆一般防水砼提高水泥用量和砂率1970-1980外加剂防水砼掺入防水剂，削减孔隙率1980补偿收缩砼掺入膨胀剂，抗裂防渗

地下室底板，补偿收缩砼结构自防水，可取消外防水；但边墙迎水面宜作一道聚合物水泥防水涂料。1992年，《UEA补偿收缩砼防水工法》列入国家级工法(YJGF22－92)。2．补偿收缩砼无缝设计施工新技术一般砼，30～40m设一道后浇缝，等40～50d收缩后填缝。膨胀砼，以膨胀加强带取代后浇缝，可实现无缝施工。

图6

UEA砼取消后浇缝原理图

图7

间歇式膨胀加强带

图8

后浇式膨胀加强带

补偿收缩砼《超长钢筋砼结构无缝设计和施工方法》专利号9311732.6。3．大体积砼结构裂渗限制技术三掺方法：粉煤灰或矿渣粉、膨胀剂、缓凝高效减水剂。

图9

冷缩和干缩的联合补偿1－砼散热冷缩变形和气温变更引起的冷缩曲线2－符合冷缩和干缩补偿的最终变形曲线ST－最大冷缩D–最终变形原理：(ε2－S2+εr)－ST=0，或≤εP，不裂膨胀变形，ε2=1×10-4，α=1×10-5／℃，则补偿温度T=ε2／α=10℃，一般砼△T≤25℃，膨胀砼△T≤30～35℃。

典型工程实例(1)北京当代商城(1991年)设计：北京市建筑设计院结构：地下二层90×90m地上7－11层地下、地上无缝施工UEA砼量15200m3

图3

当代商城膨胀加强带位置（2）深圳华为科研中心(2001年)设计：香港王董国际公司结构：地下一层、地上五栋塔楼底板444×243m，厚度500－1000

C30

P8ZY砼量96370m3

图中

—为伸缩缝

==为膨胀加强带图4

华为科研中心基础分缝图

照片1

深圳华为科研中心底板施工(3)珠海拱北口岸广场(1998年)设计：珠海市建筑设计院结构：地下三层12万m2平面248×190m结构自防水，无缝施工C30P12UEA砼量12万m3

图5

底板膨胀带布置图

照片3

珠海拱北口岸广场（4）深圳华润中心（一期）工程（2003年）深圳华润中心（一期）工程由华润（深圳）有限公司投资兴建，广东省建筑设计探讨院设计，华润建筑有限公司深圳分公司总包。该工程总占地面积36000m2，总建筑面积23万m2，其中地下室总建筑面积71491m2。华润中心一期工程分为中区和北区。中区万象城建筑面积15万m2，底板196×121m，板厚600/800mm，地下二层；北区华润大厦建筑面积23万m2，底板105×83m，板厚800mm，局部承台厚度6200mm，地下三层。地下室外墙厚度600～700mm不等，钢筋混凝土结构。混凝土设计标号：底板C35P12；侧壁C40P12。

该工程运用掺ZY的补偿收缩混凝土55000m3,以膨胀加强带（临时后浇带）将北区分为6块、中区分为12块，滞后14天封闭。取消原设计的底板外防水，其运用效果深受用户好评。

(5)福州长乐国际机场航站楼(1996)设计：中南建筑设计院结构：航站楼地下室348×48m两翼长各长252m和432m地下、地下上楼板无缝施工底板结构自防水C30

P10UEA砼6.8万M3沉降缝

—加强带图6

机场底板分缝示意图(6)苏州工业园商业街F城(2003)设计：中铁工建筑设计院结构：地下一层,193×134mC40、P8，梁板筏基结构自防水，无缝施工

ZY砼3万多m3

图7

F城底板分缝示意图(7)武汉销品茂