膨脹加強帶替代伸縮后澆帶的技術應用

何劍波

(福建省惠東建筑工程有限公司,福建 惠安 362100)

在長度和面積較大的混凝土結構施工中,為預防混凝土因溫度和干縮應力引起開裂,需設置后澆帶釋放應力,間隔40 m左右設置一道,40 d～60 d再澆筑為整體。這種傳統伸縮后澆帶存在著諸多弊端,比如工期長、容易造成接縫處開裂及滲漏等。后澆帶從底板到頂板貫穿整棟建筑結構,導致梁、板鋼筋斷開后搭接、焊接及鑿毛、清理等工序煩瑣。在實施中,將傳統伸縮后澆帶工藝優化為膨脹加強帶,并在兩側設置適當的膨脹過渡區。利用摻加UEA微膨脹混凝土的膨脹量抵消收縮量,獲得混凝土自身補償收縮效果,實現無縫連續施工,為推廣及應用該技術積累寶貴的實踐經驗[1]。

1 工程實例概況及施工難點

1.1 工程實例概況

本文以深圳勁嘉工業園區6號廠房工程為例,探討混凝土結構施工中膨脹加強帶替代伸縮后澆帶技術應用的可行性和工程效益。工程單體建筑面積約4.9萬m2,地下2層,基坑坑底標高為-10.650 m,部分基坑挖深為-12.55 m,集水井落差2.0 m～3.3 m,地下水較豐富;地上7層,其中最大跨度為9 m,呈長方形,南北最長約112.9 m,東西最長約62.1 m,最大單層建筑面積最大約7 000 m2。

1.2 施工難點

本工程因單塊板面混凝土面積大且長度長,根據傳統工藝要求需將其劃分為多個區域,地下室側墻、底板及樓板都設有后澆帶。由于基坑挖深超10 m,地下水豐富且水位較高,傳統后澆帶封閉時間長,雨季降水難度增加。若采用常規設置后澆帶的工藝施工,將面臨建筑結構整體性差、收縮裂縫難以控制、存在滲漏隱患、后澆帶工藝繁雜且模板支撐體系龐大等技術難題,工程質量和工期難以保證。

2 技術特點和區別

膨脹加強帶及相鄰過渡區澆筑相應膨脹率的混凝土,而后澆帶只需帶內澆筑膨脹混凝土。有防滲要求部位,間歇式膨脹加強帶單側存在施工縫,僅設一道止水鋼板;連續式膨脹加強帶無施工縫,無需設止水鋼板;而傳統后澆帶有兩道施工縫需設兩道止水鋼板。鋼筋混凝土結構主要通過“抗和放”結合來抵抗裂縫產生。連續式膨脹加強帶屬于“抗”的表現,是利用膨脹混凝土及附加筋來抵抗混凝土收縮產生的拉應力[2-4]。間歇式膨脹加強帶和后澆帶方式,是利用先預留再澆筑達到釋放收縮應力屬于“放”,澆筑的膨脹混凝土其膨脹作用屬于“抗”的方式,達到“抗、放”結合。

3 膨脹加強帶技術探究及本工程方案確定

3.1 膨脹加強帶工作原理

膨脹加強帶是根據收縮應力的分布特點,利用膨脹預應力來補償混凝土收縮應力。位置一般按常規后澆帶設置[5]。膨脹混凝土的膨脹源UEA是以高鋁熟料為主要原料,通過產生膨脹預壓應力,來補償抵消混凝土結構因收縮產生的拉應力,從而替代為釋放收縮應力而設置的后澆帶,延長澆筑區段長度,實現建筑物的無縫施工。在膨脹混凝土的膨脹作用和鋼筋的約束下,混凝土受壓,鋼筋受拉(見圖1)。

當混凝土壓應力δc與鋼筋拉應力δs二者平衡時:

Ac·δc=As·δs=As·Es·ε

(1)

其中,Ac為混凝土截面積,mm2;δc為混凝土預壓應力,MPa;As為鋼筋截面積,mm2;δs為鋼筋拉應力,MPa;Es為鋼筋彈性模量(取2.0×105MPa);ε為混凝土的限制膨脹率,也即鋼筋的伸長率,%;μ為配筋率,%。

配筋率μ=As/Ac代入式(1),得到混凝土預壓應力δc=u·Es·ε。

由式(1)得知,在μ和Es固定的條件下,δc與ε成正比例關系。

不同的UEA的摻量(10%～15%),配筋率μ取0.785%,可使不同部位獲得(0.2 MPa～0.7 MPa)不等的預壓應力δc。ε隨UEA摻量的增加而增加,δc也隨之增加,混凝土補償收縮能力增強。調整不同部位UEA摻量,實現補償混凝土干縮和溫差產生的拉應力。

3.2 常見膨脹加強帶分類

膨脹加強帶常見的有連續式和間斷式加強帶兩種。

3.2.1 連續式膨脹加強帶

“連續式膨脹加強帶”無施工縫,施工時膨脹加強帶和兩側結構同時澆筑。施工流程如圖2所示。

3.2.2 間歇式膨脹加強帶

“間歇式膨脹加強帶”有一條施工縫,施工時膨脹加強帶一側間斷施工,另一側無縫連續施工。施工流程如圖3所示。

3.3 膨脹加強帶適用范圍

混凝土結構存在復雜性和特殊性,膨脹加強帶在替代后澆帶施工時,不能盲目地一概而論、取而代之。膨脹加強帶的優越性并不是適用于所有建筑,如建筑基礎地質條件不均勻且復雜,建筑結構設計不對稱等,該類建筑容易產生不均勻沉降不適合采用膨脹加強帶。膨脹加強帶只限消減一定間距范圍的收縮應力時效果明顯,一般有效適用間距在30 m～60 m。根據施工經驗,加強帶應避開側墻、梁板結構尺寸變異處,且底板與地下室側墻應同位置設置。對于鋼筋混凝土板式結構薄板(厚度小于200 mm的稱為薄板)同樣適用,本工程樓層板厚度為100 mm,設置間距為30 m～45 m,能滿足替代效果及結構強度[6]。

根據不同設置功能,沉降縫和兼有沉降性質的后澆帶不能輕易替換,一般是替代水平向伸縮功能的后澆帶(溫度后澆帶),替換時需根據結構特點靈活運用。

3.4 本工程膨脹加強帶類型確定

根據實際施工特點、難點情況,我公司經與建設、監理和設計研究討論,梁板及底板結構決定應用膨脹加強帶代替伸縮后澆帶優化施工,地下室側墻與樓板膨脹帶相同位置設置同類型膨脹加強帶[7-8]。根據樓板由于南北最長約112.9 m,東西最長約62.1 m,原設計樓板縱橫方向共三條后澆帶將結構劃分為6個平面區域。在加強帶的選型中,一般板體結構不大于60 m時采用連續式,其余情況采用間歇式。

4 技術方案實施

4.1 本工程膨脹加強帶構造及設計

根據JGJ/T 178—2009補償收縮混凝土應用技術規程[9]第 4.0.4條:應根據結構長度按表1選擇構造形式和澆筑方式。規程中第 4.0.5條:補償收縮混凝中的鋼筋配筋應符合表2規定。

表1 選擇構造形式和澆筑方式

表2 收縮混凝土中的鋼筋間距

板式加強帶的構造做法如圖4所示。

為使結構縱向膨脹值滿足要求,充分發揮膨脹加強帶的膨脹效果,相比后澆帶其寬度設置更寬,加強帶寬設置為2 m。加強帶設置在收縮應力較大的部位,在側墻與樓板同時設置,40 m左右設置一道。為簡化施工,根據經驗將加強帶設置在伸縮后澆帶位置。

在施工中,為提高其抵御收縮應力能力,滿足連續澆筑混凝土,在構造上增設10%～15%的水平附加鋼筋來抵抗混凝土的收縮拉應力。附加鋼筋垂直于加強帶縱向,按雙層布置,錨入加強帶兩側1.5 m。有防水要求的間歇式膨脹加強帶需在施工縫處設置止水鋼板(如圖5所示)。

施工中以膨脹加強帶為界,分成帶內帶外、兩側三個不同區域,加強帶兩邊豎直掛φ5 mm密孔鋼絲網,用于分隔加強帶內外,將不同配比的混凝土隔開(見圖6)。鋼絲網垂直掛設在上下層鋼筋之間,綁扎于先澆筑一側,并與鋼筋綁扎牢固,板厚較大時(如底板)采用Φ20鋼筋加固鋼絲網(見圖7),防止普通混凝土混進加強帶。

4.2 混凝土施工配合比優化

膨脹加強帶UEA混凝土使用前由有資質的試驗單位試配合理配合比,所采用砂石、水泥等原材料嚴格按質量標準控制,砂石含泥量不超過3%,水泥用量大于320 kg/m3。坍落度控制在(160±20)mm。攪拌前應進行核查,隨時抽檢配合比中各材料計量。在加強帶所在框架梁跨內,根據混凝土收縮應力大小分為加強帶區域和膨脹過渡區域,分別澆筑摻15%UEA和10%UEA的膨脹混凝土。其中過渡區澆筑范圍指該跨除加強帶區域外的兩側區域。

膨脹加強帶混凝土配合比優化主要是降低水化熱和控制混凝土膨脹添加劑摻量兩個方面。在配置混凝土時水泥采用水化熱較低、干縮較小的42.5R粉煤灰水泥。施工中在混凝土結構中配置一定大小的預壓應力,用于補償抵消混凝土干縮和硬化過程產生的拉應力。在優化配合比時,將膨脹帶混凝土強度提高一個等級(5 MPa)提高膨脹帶的抗拉強度,本工程要求膨脹加強帶混凝土強度為C40,以提高膨脹帶混凝土干縮硬化過程最易開裂部位的拉應力。膨脹加強帶內混凝土膨脹劑摻量由帶外過渡段10%UEA摻量提高到15%UEA摻量等量替換水泥膠凝材料,帶內提高5%摻量提高薄弱最易開裂處的膨脹率,有效提高膨脹帶的壓應力,消除該部位的混凝土拉應力,避免開裂[10-12]。同時,摻入膨脹劑后的混凝土減小了混凝土的自收縮,大大改善了混凝土的工作性能。膨脹劑與其他添加劑復合使用時,必須通過試驗試配確定外加劑的摻量和種類,膨脹劑摻量根據配合比按重量配置,用于膨脹加強帶的混凝土膨脹劑用量為40 kg/m3～60 kg/m3,誤差控制在2%范圍。

4.3 工藝流程及操作要點

4.3.1 工藝流程

梁板結構施工中膨脹加強帶的主要施工流程如圖8所示。

本工程經設計確定,為兼顧施工流水作業,樓板施工時縱向選用間歇式膨脹加強帶,橫向選用連續式膨脹加強帶,分成A,B,C共3個流水施工段,將A,B,C區分別細分為A-1區、A-2區,B-1區、B-2區,C-1區、C-2區,兩兩均采用連續式膨脹加強帶連續無縫澆筑,A,B,C區配合工序安排采用間歇式膨脹加強帶流水施工分3次澆筑,達到流水施工安排與工藝的最優結合,盡可能地實現混凝土的無縫施工。膨脹加強帶澆筑流程平面布置如圖9所示。

4.3.2 操作要點

澆筑過程應遵循兩側向膨脹帶方向澆筑,其他部位普通混凝土先澆筑,再澆筑膨脹過渡區域(10%UEA摻量的膨脹混凝土),最后澆筑膨脹加強帶(提高一個等級的15%UEA摻量的膨脹混凝土)。澆筑過程要精心組織,確保混凝土連續供應,盡量縮短時間,保證各1,2區能夠連續施工,避免冷縫產生。要適當地延長微膨脹區域和膨脹區域的保溫保濕養護時間。移動泵管時需防止混凝土滴落在未澆筑部位而形成冷縫或薄弱點,嚴防普通混凝土混入加強帶。在施工側墻膨脹加強帶時,遵循“先澆帶外,后澆帶內”原則[13-14]。

4.4 施工控制要點

1)膨脹加強帶的保溫、保濕養護措施。在常溫下施工時,混凝土磨面后隨即覆蓋塑料薄膜,并在澆筑完成12 h內定時灑水養護。炎熱時,每天灑水養護不得少于3次。要適當延長對加強帶及其過渡區域膨脹混凝士的養護時間,且不少于14 d。在冬季溫度較低施工時,混凝土澆筑完畢收水后,需及時覆蓋土工布、毛氈或者麻袋保溫,覆蓋物需要搭接整體嚴密,保持濕潤狀態,防止水分及溫度損失過快,保持混凝土一定的膨脹速率和溫差范圍。由于混凝土澆筑完成后20 h～40 h溫度達到頂峰,所以覆蓋物保溫不得少于48 h,防止溫差過大,2 d后可以進行灑水養護。對于墻體膨脹帶可帶模養護,澆筑完1 d后松動螺絲使模板與墻體留縫2 mm～3 mm,并在墻體上端設置噴淋管養護。在養護階段應加強溫度、應力、開裂等方面的檢測,以便及時采取有效的措施[15-16]。

2)膨脹帶混凝土的澆搗方式和技術要求。施工中采用振動棒和平板振動器振搗,不漏振不過振,防止因漏振而導致蜂窩、麻面等缺陷。混凝土振搗時,振搗點間距小于40 cm,振搗15 s～30 s,點位均勻,當混凝土表面無氣泡、不再塌陷并泛漿時為準。遵循快插慢拔原則,為使上下層結合到位,振搗時應小幅度上下抽拔振動棒。施工縫、止水鋼板及預埋件附近應加密振搗點位,并適當延長振搗時間。混凝土初凝到終凝前表面用木銼二次壓抹磨面,以消除溫度及干縮引起的裂縫。

3)混凝土澆筑前,管理人員針對加強帶內和加強帶過渡區的澆筑工藝流程,對班組進行詳細交底。澆筑過程中,主要控制加強帶所處跨的澆筑順序及不同混凝土配比的澆筑部位。

總之,在實際施工中,為確保膨脹加強帶的替代效果,需謹慎判斷膨脹加強帶的替代范圍。在施工前期做好對混凝土材料的準備工作,并在施工過程中對混凝土配合比進行跟蹤控制,對澆筑過程嚴格把控,落實后期養護工作。

4.5 控制膨脹混凝土質量缺陷的材料措施

膨脹混凝土就膨脹劑而言,細度是其重要的均質性指標,不符合規定細度指標的,如大顆粒膨脹劑會造成膨脹混凝土局部鼓包、炸裂現象,造成質量缺陷,所以膨脹劑的細度指標需納入材料進場檢驗項目。膨脹混凝土膠凝材料應選用低水化熱、干縮較小的42.5R粉煤灰水泥,也可選用礦渣硅酸鹽水泥,控制混凝土的入模溫度,減小膨脹混凝土的內外溫差,避免產生溫度約束裂縫。改善砂石級配,摻入高效減水劑、緩凝劑等控制水膠比及凝結時間[17-18]。

膨脹加強帶外觀質量缺陷及裂縫處理時,灌漿修補用膨脹砂漿的水料(膠凝材料+砂)比宜為0.12～0.16,由于灌漿用的膨脹砂漿流動性較大,一般采用人工插搗,防止骨料不均勻下沉。

5 應用效果

在工程實際應用中,深圳勁嘉工業園區6號廠房采用膨脹加強帶替換后澆帶技術,簡化工藝,工程質量滿足要求。在超大混凝土無縫施工中,該技術在質量、工期、效益等方面均取得較好的成果,能達到提質增效的目的。具體應用效果闡述如下。

5.1 工程質量

完工后一年,對建筑結構特別是膨脹加強帶區域進行全面詳細地檢測觀察,未發現有滲水或結構裂縫的情況,且混凝土強度滿足要求。實踐證明,實施該技術能有效地減免裂縫的產生,膨脹混凝土加強帶可有效抵消混凝土溫度收縮等應力變形,且能滿足工程的施工質量要求。

5.2 工期對比

后澆帶封閉周期長,一般需留置60 d。而采用膨脹加強帶施工,混凝土實現無縫連續施工,極大簡化施工工藝,為后續工序更早地提供條件,工期大幅縮短。

5.3 經濟效益

采用膨脹加強帶替代后澆帶技術,減少傳統后澆帶模板支撐占用及回頂費用;節省二次澆筑時帶內垃圾清理費用;節省混凝土結構接茬處鑿毛及清理費用,有防水要求部位止水鋼板材料及安裝費用;同時縮短工期可獲得其他社會經濟效益。

6 結語

實踐表明,膨脹加強帶替代伸縮后澆帶技術能夠簡化工序、縮短工期、降低成本,滿足工程質量、安全及文明施工,是一種可行、有效的施工方法,且能帶來顯著的效益。