微膨脹混凝土應用

地下泵房、水池及多層建筑都需要較深的基礎在地下,由于大多數(shù)可施工建筑的地區(qū)多有地下水存在,設計、施工要認真解決地下部分的抗?jié)B和設置超長的伸縮縫,這是兩項技術性較復雜且往往達不到預期效果的難題。長期以來對這些工程多采用普通抗?jié)B混凝土并設置后澆帶處理伸縮縫。但設計后澆帶時需按規(guī)范要求的部位和長度范圍留置,將整體結構劃分成若干臨時的獨立單元,使設計和施工的具體實施難度加大。特別是在留置的后澆帶停置的一段時間內,難以確保截面不受地下水及其它物質的侵蝕,在重新澆筑時需采取清理措施,這都會給施工質量留下隱患。例如:在地面以下環(huán)境中需對后澆帶部位進行較長時間的防護,設臨時支撐、鋼筋除銹、復位、焊接、清理表面浮層等,工序工種復雜,工期和施工質量難以確保。為從根本上消除上述弊端,可采用無留置縫(即不設后澆帶或伸縮縫)的結構混凝土,這既給設計、施工帶來方便,又可提高混凝土的安全耐久性。從一些工程應用的實踐和試驗結果表明,在普通混凝土中摻入適量微膨脹劑可有效地解決抗?jié)B和不留縫的技術問題?，F(xiàn)對微膨脹混凝土的機理和應用中的一些問題淺述如下。

微膨脹混凝土的機理

補償收縮抗裂性較好。微膨脹混凝土結構在未承載時,其物理力學狀態(tài)是:由于混凝土中配置一定的鋼筋,工程中不可避免地存在著結構邊界的約束作用,使各類變形均處于受挖狀態(tài)。因此,普通混凝土存在的干縮、蠕變、溫差效應所造成的收縮變形將產生拉應力,當這種拉應力大于混凝土極限拉應變時即出現(xiàn)裂縫。而采用微膨脹混凝土時,在強度增長過程中即產生體積膨脹,內部產生壓應力和壓應變,能補償各種收縮變形,抵消相應產生的拉應力,有效地提高結構的抗裂性。由于膨脹變形時釋放的大部分能量均發(fā)生在混凝土養(yǎng)護的早期階段,此時尚處在塑性狀態(tài),故大量空隙易于被壓縮密實;同時,因游離的鈣礬石結晶顆粒具有填充孔隙的作用,使空隙進一步減少,密實作用顯著提高。上述多種因素綜合發(fā)生作用后,可極大地改善混凝土結構的內部微觀結構,使其具有較好的抗?jié)B透性能。

對抗裂性產生原因的再認識。長期以來人們對微膨脹混凝土的抗裂性僅從補償收縮的角度分析和考慮,對更深層次的機理分析論述不充分。現(xiàn)根據建筑期刊介紹的大量工程實踐經驗及檢測資料,對抗裂性的機理作進一步的加深理解。微膨脹混凝土本身具有的特性,是獲得較好抗裂性的主要原因,其一,在受約束狀態(tài)下其凈膨脹率以膨脹和收縮值之差計算,ｅ＝ｆ的發(fā)展過程會延續(xù)較長的時間,在此進行過程中凈膨脹率的變化為:在大約100ｄ左右齡期以前,ｅ為正值,混凝土結構體內產生壓應變;以后ｅ會轉變?yōu)樨撝?結構內部則產生拉應變。

其二,澆筑初期的膨脹量達到高峰值是決定凈膨脹率負值出現(xiàn)時間推遲的關鍵。當凈膨脹率的負值出現(xiàn)時,混凝土結構體的抗拉極限強度、極限應變值已提高了很多,完全可以抵抗收縮產生的拉應力和拉應變能力。從上述簡析中可知,微膨脹混凝土的抗裂能力,不能單從其膨脹值的大小衡量,而應從不同角度如膨脹率整個發(fā)展過程的延續(xù)時間、峰值大小和凈膨脹率的變化來考慮。２工程應用中應重視的幾個問題一些地下工程實踐表明:采取無縫整體現(xiàn)澆微膨脹混凝土的貯水池、地下泵房、高層建筑地下室及箱型基礎等結構已取得了較好的抗?jié)B效果,但仍在一些技術上需完善與穩(wěn)妥處理。

加強對混凝土早期的養(yǎng)護(7～14ｄ)及防護工作。此期間的表濕應連續(xù)充足,以保證膨脹率能達到設計預期的峰值,這是結構抗裂和抗?jié)B的關鍵所在。一般實際施工中往往因多方面因素而忽視加強對澆筑后早期的養(yǎng)護,存在方法與措施不當而使養(yǎng)護效果受到影響,從而導致膨脹混凝土抗裂與抗?jié)B性能受到不同程度的損害,嚴重的還造成質量事故。

控制水灰比。水灰比對混凝土抗?jié)B性的影響眾所周知,水灰比過高則孔隙率多且大,鈣礬石結晶顆粒的填孔效果受到影響,在已成功的經驗中水灰比一般在0.4～0.5為宜。從圖１可知,混凝土膨脹量的絕大部分在早期發(fā)生,在尚處于塑性狀態(tài)的孔隙率過大時,其能量的大部分消耗在壓縮塑性的大量孔隙和釋放到不受約束的方向去,而受限制的方向也是不應出現(xiàn)裂縫的方向則常首先出現(xiàn)裂縫,將有效的壓應變和預壓應力的初始峰值明顯降低,使該方向孔隙的有效壓縮量也相應降低,終將導致抗裂和抗?jié)B性的大幅度下降。一些工程管理中無控制水灰比的嚴格措施,甚至在運輸、停留和振搗進行中的二次加水現(xiàn)象時有發(fā)生,忽視水灰比的問題必須引起重視。

水泥強度及用量、振搗問題。水工地下防水抗?jié)B混凝土的水泥標號不應低于425#(普通硅酸鹽水泥),其用量不宜低于320～350ｋｇ／ｍ３;粗骨料粒徑＜30ｍｍ,含泥及雜質量＜１%;采用中砂,每ｍ３用量不低于0.38～0.41;澆筑應連續(xù)進行,間隔時間＜60ｍｉｎ;運距較長時應加緩凝劑;自由落差＜２ｍ;澆筑完表面及時防護等。24膨脹劑的選用與摻量是關鍵。根據資料介紹,中國建材科研院研制開發(fā)的Ｕ型膨脹劑效果較好,其摻量按工程具體要求而定:Ｕ型膨脹劑摻量占水泥質量的10%～14%時,能獲得較好的膨脹性,適用于以抗裂為主的工程。此種摻量下的混凝土膨脹在非受限狀態(tài)下自由膨脹的強度與普通混凝土相比,其自由強度降低約5%～10%,一般可不考慮其影響。因在具體工程中混凝土均不可避免地處于受限狀態(tài),在受限狀態(tài)下膨脹混凝土的強度同普通混凝土相比提高10%～30%—當然與受限狀態(tài)的強弱及摻量有關。在受限狀態(tài)下當摻量為10%～14%,一般受限狀態(tài)的混凝土膨脹后的實際強度多高于相同強度等級的普通自由混凝土的強度。但是,當摻量大于14%且結構處于非強化受限狀態(tài)時,上述產生的不利因素不應忽視。當Ｕ型膨脹劑摻量在8%～10%時,膨脹率偏低,但混凝土強度有所提高,具有一定的抗?jié)B性能,此摻量適用于以抗?jié)B為主的承重結構。如同時又需提高混凝土的抗裂性時,膨脹劑摻量應增加至14%,并適當提高混凝土的強度等級。當膨脹劑摻量在14%～16%時,膨脹率顯著提高,但混凝土自由狀態(tài)下的強度下降幅度會達10%,不應忽視這一問題。取大摻量僅適用于大體積并處于較強受限制狀態(tài)下的填充混凝土———由于受限狀態(tài)強度高,混凝土的實際強度也會有較大的提高,以補償在自由狀態(tài)時強度的損失。

地處季節(jié)性凍脹地區(qū)對抗裂、抗?jié)B工程中膨脹劑的摻用,可考慮同早強劑及抗凍劑一并復合使用,一般不會出現(xiàn)不相容變化,但必須經設計試配,取得必要數(shù)據后再用為妥。工程中采用微膨脹混凝土技術在理論與實踐方面還需深入探討,使之更先進完善。