补偿收缩混凝土在工程设计中的应用

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1概述

在工程建设及建筑材料的使用中，普通混凝土得到了极其广泛的运用，但是，由于普通混凝土的极限延伸率较低，当有干缩、徐变、温度等因素作用时，其容易产生开裂现象，从而使混凝土结构发生渗漏、钢筋发生锈蚀，进而造成结构的使用功能及寿命受到严重的影响。普通混凝土存在的这一问题在大体积及超长混凝土结构中尤为突出，为解决这一问题，工程中常用的方法包括设置伸缩缝、后浇带以及使用补偿收缩混凝土等。伸缩缝和后浇带在工程设计时应用比较普遍，而对于补偿收缩混凝土，由于设计深度不够或者后期操作上的不规范，导致混凝土结构构件开裂的事故也偶有发生，这值得我们思考并在工程实践中总结经验、完善项目的设计。补偿收缩混凝土是由膨胀剂或膨胀水泥配制的自应力为0.2~1.0MPa的混凝土。目前，我国的补偿收缩混凝土主要用于结构自防水、填充性膨胀混凝土工程、延长建筑物伸缩缝或后浇带间距的连续浇筑的钢筋混凝土工程以及大体积的混凝土工程。从我国多年来应用补偿收缩混凝土进行各种抗裂防渗工程的建设实践看来，补偿收缩混凝土在总体上具有良好的效果，其是代替普通混凝土的较理想材料。

2补偿收缩混凝土控制裂缝的原理

当受到钢筋或其它约束力的作用时，混凝土的膨胀会受到一定的限制，同时，钢筋又会因为混凝土的膨胀而伸长，在这种条件下，钢筋中会产生一定的拉应力，而混凝土中则会产生相应的压应力（大小约为0.2MPa～1.0MPa），这种压应力能够抵消混凝土开裂的全部或部分拉应力，有效地补偿混凝土的干缩和冷缩，从而避免混凝土的开裂。同时，膨胀剂与水、水泥拌合后经水化反应会生成钙矾石晶体，这些晶体会填充混凝土的毛细孔，使其变细、减少甚至消失，从而增强混凝土的致密性，进而大幅度的提高混凝土的抗裂防渗能力，使其耐久性及抵抗侵蚀的性能得到明显的增强。如果仅仅只是简单的向普通混凝土中掺加膨胀剂，并不能有效的控制混凝土产生裂缝，与普通混凝土一样，在掺加膨胀剂，进行补偿收缩混凝土的配置时，也必须严格遵守设计、施工、材料三者紧密结合的原则。混凝土的限制膨胀率是衡量混凝土补偿收缩能力的重要指标。因此，在进行补偿收缩混凝土配合比设计时，必须根据原材料（如：所采用的水泥、外加剂等）的情况、混凝土的标号及塌落度、配筋的分布、构件的尺寸、工程结构构件的约束状态、粉煤灰的掺加量及膨胀剂的质量等进行严格的控制；同时，在设计及试配的过程中，要根据工程构件不同部位的约束情况，合理设计混凝土限制膨胀率的大小、进行严格的测试，在确保混凝土强度及抗渗能力的基础上，有效确定膨胀剂的合理掺量。

3补偿收缩混凝土的配合比设计

在进行补偿收缩混凝土的配合比设计时，除了对膨胀剂进行合理的选择，还应充分了解影响混凝土限制膨胀率的因素。

3.1膨胀剂的选择

目前，市场上可供选择的膨胀剂种类十分繁多，不同膨胀剂的质量也不尽相同。同时，在合格的膨胀剂产品中，膨胀剂的性能及其膨胀率的大小也存在许多的差异，例如：一些膨胀剂具有较高的膨胀率，但其在干空中的收缩率也较大，这就会产生膨胀、收缩落差较大等现象，从而影响混凝土的质量。因此，在进行膨胀剂选择时，必须对膨胀剂的质量进行充分的了解，对膨胀剂的质量及其膨胀率的大小进行严格的分析、检查，从而筛选出合适的膨胀剂产品。

3.2补偿收缩混凝土配合比的影响因素

在膨胀剂掺量固定的情况下，砂浆的限制膨胀率要远小于净浆，而混凝土的限制膨胀率又要远小于砂浆，这主要是因为影响混凝土限制膨胀率的因素十分复杂。一般来说，影响混凝土限制膨胀率的因素除了水、水泥、砂、石外，还包括外加剂、混凝土的塌落度及其凝结时间、膨胀剂的掺量以及粉煤灰的掺量等。

（1）膨胀剂的掺量。一些观点认为，只要简单的向普通混凝土中掺加膨胀剂，就能配制微膨胀的混凝土，从而有效的控制混凝土产生裂缝的现象，显然，这种观点是错误的。在进行补偿收缩混凝土配制时，如果膨胀剂的掺入量不足或膨胀剂的膨胀率过低，其在混凝土中产生的钙矾石晶体就会偏少，虽然所产生的钙矾石晶体也能部分的填充混凝土的毛细孔、提高混凝土的抗渗能力，但其所产生的膨胀是比较微小的，其补偿混凝土收缩的能力是远不够的，在此情况下，混凝土剩余的收缩变形会远大于混凝土的极限延伸率，使得补偿收缩混凝土的效果远达不到设计要求。因此，在进行补偿收缩混凝土配制时，只有根据混凝土的限制膨胀率大小来确定膨胀剂的掺量，产生足够的钙矾石晶体，才能显著提高混凝土的膨胀率，使混凝土的膨胀性达到设计的要求。显改善混凝土的和易性，降低大体积混凝土的水化热，控制混凝土的温差收缩应力。因此，在配制补偿收缩混凝土时，为了使配制的补偿收缩混凝土的限制膨胀率不至于偏低，技术人员需要在计算膨胀剂掺量时，将粉煤灰的量计入到胶凝材料中，从而使混凝土的限制膨胀率达到设计的要求。

（3）外加剂。混凝土外加剂标准中规定，一等品外加剂28天的混凝土收缩率比不大于125%，合格率28天的混凝土收缩率比不大于135%。一般情况下，28天外加剂推荐掺量下的混凝土与空白混凝土的收缩率比应当在115%~129%之间，由此可见，外加剂的使用可以大幅度的加大混凝土的收缩，并且，当外加剂掺量越多时，混凝土的收缩就越明显；与此同时，外加剂的使用已经成为泵送混凝土施工时的重要组成部分，因此，为了达到泵送混凝土施工的要求，混凝土膨胀剂的选择及掺量也应得到相应的提高。

（4）混凝土塌落度。在同一膨胀剂掺量下，混凝土的塌落度越大，混凝土的膨胀率就越小。故采用泵送混凝土时，要配制抗裂性好的补偿收缩混凝土，必须提高膨胀剂的掺量。

（5）混凝土凝结时间。当混凝土的凝结时间较短时，水泥的水化反应就比较快，混凝土早期的收缩现象也就比较明显；而混凝土凝结时间过长，膨胀剂的膨胀能就会消耗在混凝土的塑性阶段。从实际的工程实践应用来看，补偿收缩混凝土的凝结时间最好控制在10-18小时内，大体积混凝土要采用时间的上限。综上可知，影响限制膨胀率的因素是多方面的。对于设计来说，应在设计图纸中说明哪些结构部位采用补偿收缩混凝土，并提出设计强度等级、抗渗等级以及14天水中限制膨胀率指标。由于不同厂家的膨胀剂质量有所不同，因此，施工单位可以通过实验来确定膨胀剂的掺量。对于大体积混凝土工程或地下工程，补偿收缩混凝土的抗压强度标准可以标准养护60d或90d的强度为准；除此以外，应以标准养护28d的强度为准。

4设计中补偿收缩混凝土的合理使用

现行《补偿收缩混凝土应用技术规程》（JGJ/T178-2009）规定：设计使用补偿收缩混凝土时，应在设计图纸中明确注明不同结构部位的限制膨胀率指标要求。即在进行膨胀剂及掺量选择时，应该根据不同工程结构部位的受约束程度及补偿收缩所需的膨胀能，明确限制膨胀率的取值。《补偿收缩混凝土应用技术规程》中对不同结构部位的限制膨胀率设计取值，从表中的数据可以看出，在同一结构中，由于不同部位的约束程度和收缩应力不同，其限制膨胀率的设计取值也不相同，例如：墙体结构的约束程度要高于水平梁板结构、养护条件相比较差，故其限制膨胀率取值相对较高。另外，大的限制应该用大的膨胀进行补偿，故后浇带、膨胀加强带的取值最大；同时，对于强度等级大于等于C50的混凝土、约束程度大的桩基础底板、结构总长度大于120m、环境相对湿度低、收缩变形大的部位，限制膨胀率取值要适当提高。对于大体积、大面积及超长混凝土结构可采用膨胀加强带的措施来实现结构的无缝或少缝设计。在施工组织中，可根据现场情况采取整体连续浇筑或局部连续浇筑，通过设置连续式、间歇式或后浇式膨胀加强带来实现。膨胀加强带的设置间距可按照常规后浇带的设置原则进行，宽度取为2000mm，两侧用密孔钢丝将带内外混凝土分开；非沉降的后浇式膨胀加强带可在两侧补偿收缩混凝土浇筑28d后浇筑，大体积混凝土的膨胀加强带应在两侧的混凝土中心温度降至环境温度时浇筑。对于补偿收缩混凝土而言，均衡配筋可以保证在需要补偿收缩的部位产生均匀有效的膨胀，因此强调在全截面应双层双向配筋，对于混凝土底板，钢筋间距在150~200mm范围内；对于楼板，钢筋间距在100~200mm范围内；对于屋面板、墙体水平筋，钢筋间距在100~150mm范围内。当地下室外墙的净高度大于3.6m时，在墙体高度的水平中线部位上下500mm范围内，水平筋的间距不应大于100mm；当房屋平面形体凹凸时，在房屋凹角处的楼板、房屋两端阳角处及山墙处的楼板、与周围梁墙和柱等构件整体浇筑且受约束较强的楼板，宜加强配筋；建筑的出入口位置，结构截面变化处、构造复杂的突出部位、楼板空洞、标高不同的相邻构件连接处，宜加强配筋。实际工程项目中，不少工程的地下部分存在结构超长问题，设计工程师经常采用掺膨胀剂的方法进行处理，但在表述上往往还不够准确，现将设计中常见的两条按照《补偿收缩混凝土应用技术规程》整理如下：

（1）基础筏板及地下室外墙、顶板混凝土内需掺加低碱抗裂型防水膨胀剂，掺量8%~10%（具体掺量须经试验确定，要求膨胀率≥0.015%），且均需掺加抗裂纤维0.9kg/m3防裂。重新表述为：基础筏板、地下室外墙及地下室顶部梁板采用掺抗裂纤维的补偿收缩混凝土，抗裂纤维的掺量为0.9kg/m3，不同结构部位补偿收缩混凝土的限制膨胀率见表1，各部位的混凝土强度等级及抗渗等级应符合相关要求。

（2）地下部分设置后浇带，宽度800mm，位置详见具体施工平面图，后浇带处梁板钢筋均应贯通；后浇带内混凝土强度等级提高一级，后浇带内掺低碱型微膨胀剂，具体掺入量由产品说明及试验确定，并应符合规范《混凝土膨胀剂》的规定。重新表述为：本工程地下部分设置后浇带，宽度800mm，位置详见具体施工平面图，后浇带处梁板墙钢筋均应贯通，后浇带内采用补偿收缩混凝土，其设计强度等级比两侧混凝土提高一级，补偿收缩混凝土的限制膨胀率见表1，抗渗等级符合相关要求。

5结束语

补偿收缩混凝土可以有效地防止和减轻混凝土开裂，为控制大体积及超长混凝土结构的裂缝提供了一种手段，但补偿收缩混凝土的设计尚存在需要完善的地方。文章在介绍补偿收缩混凝土控制裂缝原理、配合比影响因素的基础上，对补偿收缩混凝土的设计提出了建议，希望对补偿收缩混凝土在工程设计中的合理应用有所帮助。

作者：周涛 单位：山东英才学院