超尺寸鋼筋微膨脹混凝土結構無縫施工技術

張明征 萬立華 邵海濤 孫希紅 田延剛 唐田 劉繼芹

[摘要] 采用微膨脹混凝土澆筑超尺寸鋼筋混凝土結構，取消伸縮縫、進行無縫施工通過理論計算是可行的；筆者通過大量工程實踐證明：此技術是提高超尺寸結構整體性、抗震性，節省工期，大幅度降低工程造價等行之有效的好方法，施工簡便易行（沉降縫、抗震縫、溫度縫合并，不設縫或少設縫），具有顯著地社會經濟效益。

[關鍵詞] 微膨脹混凝土；超尺寸鋼筋混凝土結構；取消伸縮縫；無縫施工

[中圖分類號] TU755.9 [文獻標志碼] A[文章編號] 2095-4085（2012）-06-0105-03

一、引言

超尺寸鋼筋混凝土結構在具體施工過程中，按照規范要求一般采取設置后澆帶（結合伸縮縫位置）的方法，以消除因混凝土干縮和降溫冷縮而引起的裂縫。后澆帶的設置給現場施工帶來許多弊端：后澆帶處防水效果不好，容易滲漏、施工煩雜、工序多、周期長，造價相應增加。公司技術人員與山東省建筑材料設計研究院新技術研究所專家通過全方位分析、研討與論證，結合過去施工應用的成功經驗，擬采取以下方案。

1、設計后澆帶部位改為膨脹加強帶，加強帶混凝土采用強度等級、抗滲等級提高一級的微膨脹混凝土。加強帶寬度為2m，其兩側分別設V型的5mm方孔鋼絲網，防止混凝土流入加強帶內，鋼絲網中間增加φ12立筋加固，也兼作鐵絲網支撐用。

2、厚大體積底板混凝土水化熱高，混凝土收縮大，易產生裂縫，結合建設工程的實際情況，宜采用高性能混凝土。建議采用I級粉煤灰、礦渣微粉或其混合物等量取代水泥，減少水泥用量，以降低混凝土的收縮。

3、采用超緩凝技術，使混凝土緩凝時間在12小時以上，延緩混凝土水化放熱的過程，降低水化熱熱峰值。

二、工藝原理

1、JEA低堿高效膨脹防水劑的抗裂防滲原理

JEA系列膨脹防水劑是由多種鹽類復合，經物化改性而制成新型低堿復合外加劑。將其適量摻量入水泥、混凝土（包括砂漿、凈漿、下同）中，可與水泥水化物反應生成大量膨脹性結晶水化物——鈣礬石3CaO、3CaSO4、32H2O）而使混凝土產生適度膨脹。在約束（如：基礎約束、鄰位約束、配筋等）條件下，其膨脹能將轉化為壓應力即自應力，此壓應力可抵消混凝土干縮和冷縮產生的拉應力，從而彌補了普通混凝土收縮開裂的缺陷。而后期形成的鈣礬石可填充、切斷混凝土中毛細孔、密實混凝土，從而提高混凝土的強度、抗滲、抗凍等耐久性能，形成結構自防水混凝土，達到永久防水之功效。在限制膨脹下導入的預壓應力值為0.2～0.8MPa，這相當于提高了混凝土的早期抗拉強度，同時，推遲了砼收縮的產生過程。當混凝土開始收縮時，其抗拉力已增長到足以抵抗收縮應力，從而防止和減少了收縮，使之不產生裂縫或將裂縫控制在允許范圍之內。

2、超尺寸結構無縫施工的有關計算

根據有關理論，當混凝土最終變形E=Eσ-EL-EW+Ee

混凝土的絕熱溫升為：Tmax=M×Qi/（p×c）

式中：M——水泥熟料用量

p——混凝土密度2300～2500kg/m3

c——比熱，一般為0.92～1.0×103J/（kg×℃）取0.93×103

Qi——水泥熟料水化熱（J/kg）

設：水泥熟料礦物組成為：C3S、50%；C2S、20%；C3A、7%；C4AF、13%，則：該水泥3天水化熱為：

Q3=240×50%+50×20%+880×7%+290×13%

=120+10+37.7+61.6=229.3×103（J/kg）

28天水化熱為：

Q28=377×50%+105×20%+1378×7%+494×13%

=370×103（J/kg）

例：濟南奧體中心地下工程底板長300m、寬100m，屬超尺寸鋼筋混凝土結構，其相關計算如下：

（1）、混凝土補償收縮計算

A、采用PS配制C35P12高性能防滲混凝土澆筑底板：PS水泥用量360kg/m3、粉煤灰用量100kg/m3、復合膨脹防水劑13.8kg/m3，有關計算如下：

底板絕熱溫升最高值：

Tmax=（360×30%×370×103）/（2400×0.96×103）=17.3℃

底板為上表面一維散熱，散熱系數取0.60，則混凝土內部溫升為：

T1=0.60×17.3=10.4℃

環境氣溫10℃～15℃，取平均溫差：T2=（15-10）/2=2.5℃

故底板混凝土的最大冷縮值為：

EL=σ（T1+T2）=1.0×10-5×（10.4+2.5）=1.29×10-4

混凝土的干縮率地下洞室為（0.5～1.5）x10-4，取1.0×10-4，

則混凝土總收縮率為：1.29×10-4+1.0×10-4=2.29×10-4

配筋率取0.4%，微膨脹混凝土彈性伸長率為0.43Eσ，則地下室補償收縮混凝土的限制膨脹率為：

Eσ=1.29×10-4+1.0×10-4-0.43Eσ

即Eσ=（1.29×10-4+1.0×10-4）/1.43=1.6×10-4

若考慮混凝土的極限拉伸SK（1.5～2.0）×10-4），微膨脹混凝土最終變形：

E=1.6×10-4-2.29×10-4=-0.69×10-4

因0.69×10-4

B、若采用P0配制C35P12高性能混凝土澆筑底板： P0水泥用量260kg/m3、粉煤灰以100kg/m3、礦粉120kg/m3、復合膨脹防水劑15kg/m3，有關計算如下：

底板絕熱溫升高值：

Tmax=（260×85%×370×103）/（2400×0.96×103）=35.5℃

底板為上表面一維散熱，散熱系數取0.60，則混凝土內部溫升為：

T1=0.60×35.5=21.3℃

環境氣溫10℃～15℃，取平均溫差：T2=（15-10）/2=2.5℃

故該類底板混凝土的最大冷縮值為：

EL=σ（T1+T2）=1.0×10-5×（21.3+2.5）=2.38×10-4

混凝土的干縮率地下洞室為（0.5～1.5）x10-4，取1.0×10-4，配筋率取0.4%，微膨脹混凝土彈性伸長率為0.43Eσ，則地下室混凝土的限制膨脹率為：

Eσ=2.38×10-4+1.0×10-4-0.43Eσ

即Eσ=（2.38×10-4+1.0×10-4）/1.43=2.36×10-4

考慮混凝土的極限拉伸SK（1.5～2.0）×10-4），微膨脹混凝土的最終變形：

E=2.36×10-4-3.38×10-4=-1.02×10-4

因：1.02×10-4

C、樓（層）板：采用P0配制C30P8高性能混凝土澆筑樓板，P0水泥用量240kg/m3、粉煤灰以80kg/m3、礦粉80kg/m3、復合膨脹防水劑12kg/m3，有關計算如下：

Tmax=（240×85%×370×103）/（2400×0.96×103）=32.8℃

每層樓板因多維散熱，混凝土散熱系數取0.3，則樓板混凝土溫升為：

T1=0.30×32.8=9.84℃

環境氣溫平均溫差仍取2.5℃，故該樓板的最大冷縮值為：

EL=α（T1+T2）=1.0×10-5×（9.84+2.5）=1.23×10-4

混凝土干縮率自然環境中（1.5～2.5）×10-4，取2.0×10-4

配筋率取0.15%時，微膨脹混凝土的彈性伸長率為0.25Eα，則該樓板補償收縮混凝土的限制膨脹率為：

Eσ=1.23×10-4+2.0×10-4-0.25Eσ

即：Eσ=（1.23×10-4+2.0×10-4）/1.25=2.58×10-4

同理：考慮混凝土的極限拉伸值，若微膨脹混凝土的最終變形：

Eα=2.58×10-4-3.23×10-4=-0.65×10-4

因0.65×10-4

D、若采用460kg/m3普通硅酸鹽水泥配制普通混凝土澆筑該底板，底板絕熱溫升最大值：Tmax=（460×85%×370×103）/（2400×0.96×103）=62.8℃

底板上表面為一維散熱，散熱系數取0.60，則混凝土內部溫升為：

T1=0.60×62.8=37.7℃

環境氣溫10℃～15℃，取平均溫差：T2=（15-10）/2=2.5℃

故底板混凝土的最大冷縮值為：

EL=α（T1+T2）=1.0×10-5×（37.7+2.5）=4.02×10-4

混凝土的干縮率地下洞室為（0.5～1.5）×10-4，取1.0×10-4

則混凝土總收縮率為：4.02×10-4+1.0×10-4=5.02×10-4

混凝土的極限拉伸SK[（1.5～2.0）×10-4]，

E=（1.5～2.0）×10-4-5.02 ×10-4=-（3.52～3.02）×10-4

因3.02～3.52>SK（1.5～2.0×10-4），所以混凝土必然開裂。

（2）、伸縮縫間距的計算；仍以本工程為例計算如下：

A＼地下洞室干縮最大當量溫差為T3=T/α=1.5×

10-4/1.0×10-5=15℃。

微膨脹混凝土最小補償當量溫差：

T4=E/α=2.29×10-4/1.0×10-5=22.9℃；

底板微膨脹混凝土綜合溫差：

T=T1+T2+T3-T4=10.4+2.5+15-22.9=5℃

該工程地基為混合土，取水平阻力系數CX=0.8MPa/mm，微膨脹混凝土彈性模量（28天）取3.3×10-4MPa，混凝土平均伸縮縫間距按下式計算：

H·E |λT|

L1=1.5× ·arcosh

Cx|λT|- |SK|

2400×3.3×10-4 |1.0×10-5×5|

=1.5× ·arcosh

0.8|1.0×10-5×5|- |1.75×10-4|

因│5×10-5│-│1.75×10-4│<0，該式在數學上無解，而物理概念上意味著該伸縮縫盡可取消。

B、同理，每層樓板干縮的最大當量溫差：T3=2.5×10-4/1.0×10-5=25（℃）。

微膨脹混凝土最小補償當量溫差：T4=E/α=2.58×10-4/1.0×10-5=25.8（℃）

微膨脹混凝土綜合溫差：T=9.84+2.5+25-25.8=11.5℃

因樓板澆筑在梁柱上，取其水平阻力系數CX=1.25Mpa/mm，則該樓板平均伸縮縫間距為：

2400×3.3×104|1.0×10-5×11.5|

L=1.5× ·arcosh

1.25 1.0×10-5×11.5- |1.75×10-4|

同理，因│1.15×10-4│-│1.75×10-4│<0，該伸縮縫盡可取消。通過計算可以看出，采用微膨脹混凝土澆筑超尺寸鋼筋混凝土結構，取消伸縮縫、進行無縫施工是完全可行的，這已被大量的工程實踐所證實。不設縫或少設縫（沉降縫、抗震縫、溫度縫合并）不僅簡化施工，提高超尺寸結構的整體性、抗震性，而且節省工期，大幅度降低工程造價，社會經濟效益顯著。