大体积混凝土抗裂防渗及施工技术措施

大体积混凝土抗裂防渗及施工技术措施
苏志群
摘要：文章结合某工程实例，对工程中的技术难点、大体积混凝土结构裂渗控制的基本原理进行了分析，通过实践表明，为提高结构的整体性和安全性，采用了有效的解决施工技术措施，供大家参考。
关键词：大体积混凝土抗渗防裂结构施工技术
某工程是一个集办公、酒店为一体的综合性建筑。总建筑面积约4.2万m2，地面上建筑高度120.100m，由主楼和地下车库组成，主楼地上25层,地下2层;地下车库为地下2层。大跨度空间采用钢筋混凝土井字梁，结构整体不设永久性变形缝。
地下室最大长度89.1m，最大宽度76.7m。基础为钢筋混凝土筏形基础，基础埋深一12.500m。基础底板、梁采C35F200S8抗渗混凝土(当地标号为M400 F200S8 )。本工程所处地区冬夏温差达70 o C；且地下室属超长结构，不设永久性变形缝；基础筏板为厚板结构(厚度0.8～4.4m)，混凝土内部水化热很高。为控制混凝土的收缩、温度的不利影响，采用中国建筑材料科学研究院的《超长钢筋混凝土结构无缝设计和施工方法》专利技术及其配套产品一ZY膨胀剂，防止混凝土结构出现有害裂缝，达到混凝土结构自防水、抗裂防渗的目的；另外使用中国产缓凝高效减水剂，降低水泥用量、延缓水泥水化发热速度、防止温度裂缝。
1 工程中存在的技术难点
1、1底板大体积混凝土裂缝控制问题
本工程主体部分底板厚度2.4m、局部4.4m (电梯基坑)，水化热引起混凝土内部温升很高极易产生温度裂缝。如何降低水化热及防止温度裂缝将是工程成败的关键。在国内，大体积混凝土施工通常选用低热水泥，并掺加高效缓凝减水剂、膨胀剂以及粉煤灰、矿渣粉等活性混合材，取代部分水泥，延缓并减少发热量，降低温升。从而减少产生温度裂缝的趋向。限于当地建筑业的条件和技术水平，只有水化热极高的早强型硅酸盐水泥，当地混凝土无掺粉煤灰或矿渣粉的先例。我公司技术人员建议其掺加粉煤灰的行为被认为是偷工减料，无法接受混凝土中掺加粉煤灰的理念。单方混凝土水泥用量较国内大很多(国C35混凝土掺粉煤灰后水泥用量约为280k g／m，地C35号混凝土所用42.5号水泥为510kg／m且为纯硅酸盐快硬性水泥)使用M42.5号水泥为俄罗斯进口，前期发热量大，如何降低水化热及防止混凝土开裂是首要解决的问题。
1、2控制超长钢筋混凝土结构收缩开裂问题
本工程为超长钢筋混凝土结构，若按照传统方法施工，每隔20～40m需留一条后浇带，以解决混凝土结构的收缩开裂问题。按照规范规定，后浇带至少需42d以后(待混凝土结构收缩基本稳定)，才能用膨胀混凝土回填，这样就会延长工期；且后浇带贯穿于整个地下结构，所到之处遇梁断梁，遇板断板，给施工带来很多不便，模板支撑、处理工艺繁琐；本工程地下水丰富，后浇带的清理、灌缝非常麻烦，处理不好会成为渗漏的隐患；而且后浇带混凝土与先浇混凝土的结合非常薄弱，将严重影响结构的整体性和安全性。本工程采用补偿收缩混凝土，不留后浇带。即在混凝土中掺加ZY膨胀剂，使其产生适度的膨胀来补偿收缩，以膨胀所产生的压应力来抵消收缩所产生的拉应力。不留后浇带，混凝土连续浇筑，可以大大加快施工进度，减少后浇带处理给施工带来的麻烦和给工程质量带来的隐患，提高结构的整体性和安全性。并节约工期、降水费用和施工管理费用。
1、3防水问题
混凝土结构工程大都是百年大计，而外防水(如沥青卷材或煤焦油、聚氨酯防水涂料等)通常寿命较短，根据工程经验，外防水寿命往往不超过10年。这样就存在外防水寿命和结构寿命不同步的问题。在外防水失效后，混凝土结构本身能不能防水才是决定性的因素。因此，我们认为混凝土结构自防水是根本。要做好混凝土本身的自防水，首先要解决超长混凝土结构收缩开裂问题，然后才是抗渗，即抗裂比抗渗更重要。
2控制大体积混凝土结构裂渗的原理
大体积混凝土工程因散热降温引起的冷缩比干缩更容易引起开裂，常规的温度控制措施(如使用冷骨料和冰水、覆盖保温、内部加循环水等) 往往既复杂又费钱。吴中伟院士提出，采用水化热低、又有一定膨胀性能的补偿收缩混凝土，同时加以适当的温控措施，就可以做到既经济合理，又能有效地解决大体积混凝土的开裂问题。他提出了混凝土冷缩和干缩的联合补偿模式，即当，就能达到控制裂缝的目的。
式中，为钢筋混凝土限制膨胀率，为混凝土干缩值，为混凝土最大降温冷缩值，为混凝土极限延伸率，为混凝土受拉徐变。
根据这一理论，我们在大体积混凝土中采用ZY膨胀剂、缓凝高效减水剂和粉煤灰(或矿渣粉)的“三掺”技术，即利用ZY使混凝土产生较高的膨胀率，利用缓凝高效减水剂和粉煤灰降低水泥用量和水化热，从而减少冷缩值，这种方法较好地解决了大体积混凝土的裂缝控制问题。
在大体积混凝土施工中，控制混凝土中心温度与表面温度之差非常重要。采用普通混凝土，温差应控制在25ºC=之内，而采用补偿收缩混凝土，该温差可适当放宽。这意味着在大体积混凝土施工时，采用补偿收缩混凝土，放宽了温控指标，一般不必再用冷却骨料，在混凝土中埋设冷却水管等传统施工方法。从收缩应力角度对超长无缝施工裂渗控制进行分析如下。
工业与民用建筑的整体式基础，箱形基础的底板。车间混凝土的地面等，其特点是厚度(或高度) 日远小于长宽尺寸。当H／L≤0.2 时，板在温度收缩变形作用下。离开端部区域，板的全截面受拉应力较均匀。在地基约束下，将出现水平法向应力。从工程实践可知，是设计主要控制应力，是引起垂直裂缝的主要应力。其最大值出现在板截面的中点X=O处，见图1 。

图 1 长墙或底板的主要应力图
当超过混凝土的抗拉强度 (f1)，板中部出现第一条垂直裂缝；开裂后，每块板的水平应力重新分布，最大应力出现在每块板的中部，当，又形成第二批裂缝……。这种裂缝的有序排列经常在工程中见到。为防止这种有序裂缝的出现，工程中靠设置后浇带来释放收缩应力，这是控制裂缝的主要措施之一。
后浇带只在较短的间距(L)范围对消减收缩应力( ) 起显著作用，超过一定长度，即使设后浇带也没有意义。按理论计算，消减的有效间距为20～60m。膨胀加强带间距应设在此范围内。
研究表明，ZY混凝土在硬化过程中产生膨胀作用，在钢筋或邻位约束下，钢筋受拉，混凝土受压，而限制膨胀率随ZY的掺量增加而增加，所以，可通过调整膨胀剂的掺量，使混凝土获得不同的预压应力。
在收缩应力集中的处，设膨胀加强带，其宽度2～3 m，带两侧架设密孔铁丝网，目的是为防止两侧混凝土流人加强带。施工时，带外侧用微膨胀混凝土，到加强带时改用大膨胀混凝土，到加强带另一侧时。又改为微膨胀混凝土。如此循环下去，可连续浇筑超长混凝土结构，不留硬接槎。不同结构部位使用不同膨胀性能的混凝土(图2 )

图2 底板膨胀加强带示意图
当混凝土供应或施工力量达不到连续作业要求时，可采用图3的间歇式超长施工方法，加强带一侧改为台阶式，以提高防水效果，施工缝凿毛清洗干净后，用大膨胀混凝土浇筑加强带，紧接着用微膨胀混凝土浇筑带外侧地段。

图3 底板间歇式超长施工方法示意图
3 相关施工技术措施
3、1 混凝土原材料选择
(1)水泥：采用俄罗斯进口水泥M500(42.5 )，相当于中国的型硅酸盐水泥。
( 2 )骨料：采用中砂，细度模数为2.3～2.9，含泥量 ≤0.3％；采用人工碎石，连续级配为5～31.5，含泥量≤1％，含泥量和针片状含量等指标均符合规定。
( 3 )1外加剂：采用北京中岩特种工程材料公司ZY高效混凝土膨胀剂和N型高效缓凝减水剂，质量符JC476—2001和GB8076—1997。
(4 )水：洁净自来水。
3、2 混凝土配合比设计
为确保本工程浇筑混凝土的施工质量及其混凝土后期的耐久性，对混凝土性能提出如下要求。
( 1 )新浇筑的混凝土性能：混凝土坍落度控制在160 20m m，混凝土坍落度损失小；不出现离析、泌水现象(如混凝土坍落度来现场后损失较大，不易泵送，可在现场加入少量减水剂) 。
( 2 )硬化混凝土要求：体积稳定性好，收缩小，不出现不均匀的体积变形，无荷载作用的有害裂缝出现：耐久性好，密实性高，渗透性低。
为达到上述要求，进行了混凝土试验，混凝土配合比见表1

表1 混凝土配合比
3、3 施工组织
超长结构自防水混凝土的浇筑应在各方面条件完全具备时进行，一次成活(切忌仓促上马，到处留下冷缝和硬槎)。在计划浇筑区段内混凝土应尽可能连续施工，不宜中断，浇筑时间间隔不得超过混凝土初凝时间，软接槎有利于防水质量，减少渗漏隐患。通过现场试验配合比，本工程缓凝高效减水剂的掺量为1％，混凝土初凝时间控制在8～10h，ZY膨胀剂掺量为8％，膨胀加强带为10％。并将主楼分为4段，将车库部分分为3 段，在施工缝处做膨胀加强带及附加防水处理，分段图见图4。
3 、4 底板大体积混凝土的浇筑方法

图 4 某大厦结构施工分段图
本工程主体底板厚度1.2 m，主楼部分2.4 m电梯井和积水坑4.4 m。按照混凝土结构工程施工质量验收规范要求。大体积混凝土的浇筑宜分层、分段进行，2.4m厚底板分两次浇筑。为不影响工程进度，两次浇筑的时间间隔为4d。底板中层温度筋及上下铁拉钩需在第一次浇筑前绑扎完成，为避免第一次浇筑时混凝土对上铁的污染。上铁应在第一次混凝土浇筑完后再绑扎。
(1)补偿收缩混凝土的浇筑施工，从一个方向开始浇捣，阶梯形逐渐推进，振捣必须密实。浇筑到膨胀加强带时。用专门配置的大膨胀ZY补偿收缩混凝土填充膨胀加强带；膨胀加强带浇筑完成后。再换回正常的微膨胀ZY补偿收缩混凝土继续往前浇筑，依次反复进行直到全部完成。
( 2 )基础底板的施工沿纵向采用“一个坡度、薄层、循序推进、一次到顶”的连续施工方法。混凝土自然流淌形成一个斜坡。这种方法能较好地适应泵送工艺，避免泵管的经常拆除冲洗和接长，提高泵送效率，保证及时接缝，避免冷缝的出现(图5 ) 。

图 5 底板混凝土浇筑流程示意图
( 3 )在浇筑混凝土时，在每个带的前后布置两道振动器，第一道布置在混凝土的卸料点。主要解决上部的振实，第二道布置在混凝土坡角处。确保下部混凝土的密实。为防止混凝土集中堆积，先振捣出料口处混凝土，形成自然流淌坡度，然后全面振捣。并严格控制振捣时间、振捣棒的移动间距和插人深度。
每个带的宽度应根据现场混凝土的方量，结构物的长、宽及供料情况和泵送工艺等情况预先计算好，避免冷缝的出现。
3、5 二次抹面处理工序
在完成ZY补偿收缩混凝土工序后，为防止混凝土在硬化过程中出现表面龟裂现象。应及时进行二次抹面处理。工序为：在混凝土初凝以后、终凝之前，先人工用木抹拍打，使混凝土的浆料渗出；然后再用力进行抹压，直至抹压平整。抹压至少两遍,最后一遍的抹压要掌握好时间，应在混凝土临近终凝时为好。随即用塑料薄膜覆盖。
3、6 养护工序
ZY补偿收缩混凝土的养护非常重要。这是由于ZY混凝土中形成的膨胀结晶——钙矾石以及水泥水化都需要水。否则会影响膨胀效能。因此，在每一块混凝土浇筑、抹面完成后，要及时用塑料薄膜覆盖其表面；当整块混凝土终凝后。开始铺麻袋片等养护材料(防止阳光直晒)并洒水养护，始终保持湿润。
3、7 大体积混凝土温度控制
工程先进行了底板I 段的混凝土浇筑，I段底板厚度为0.8 m，混凝土人模温度为26℃，浇筑24h后测温，中心温度为71℃，由于采用岩棉保温，混凝土表面温度为54℃, 48h后中心温度为69℃，表面温度为52℃，以后每1d。中心温度下降2～3℃。混凝土温度在浇筑24h后到最高。温升为45℃，按此推算，2.4m底板中心温度将超过95℃混凝土质量将无法得到保障所以主楼2.4m部分采取分层浇筑，第一层浇筑高度为0.8 m，由于中间层有水平温度筋，无法进行覆盖养护，所以进行蓄水养护，第二层浇筑高度为1.6m采用岩棉覆盖保温。浇筑完成后混凝土的测温结果与计算的完全相符。
4 结束语
( 1 )本工程采用缓凝减水、补偿收缩混凝土以及综合施工技术，补偿大体积混凝土的干缩和冷缩。并控制混凝土内外温差不超过25℃。底板不裂不渗，防水效果良好。经现场试样检测。混凝土各项性能均达到设计要求。
( 2 )本工程采用补偿收缩混凝土。以其膨胀产生的压应力来抵消收缩所产生的拉应力。根据结构不同部位。调整补偿收缩混凝土的膨胀剂的掺量，即在结构收缩应力最大的中部采用大膨胀混凝土，在结构收缩应力小的部位采用微膨胀混凝土，使混凝土的收缩拉应力得到大小适宜的补偿，避免了留设后浇带。实现了超长结构的无缝设计和施工，满足了建筑物的使用功能和施工要求。
( 3 )采用这种方法，可不留后浇带，实现混凝土连续浇筑。大大加快施工进度，减少后浇带给施工带来的麻烦和给工程质量带来的隐患。提高结构的整体性和安全性，并节约了工期、降水费用和施工管理费用，实践表明，补偿收缩混凝土抗渗防裂技术在工程应用中具有很高的使用价值。
参考文献
[1]吴中伟、补偿收缩混凝土[ M]北京：中国建筑工业出版社，1979
[2]游宝坤、混凝土膨胀剂及其应用[ M]、北京：中国建材工业出版社