膨胀带在电厂地下室结构中的应用

【摘要】在超长混凝土结构施工中使用后浇带技术会给施工带来很多的不便, 如采用膨胀带则可以消除这些问题并可增强混凝土的强度,加快工期,具有一定的经济效益和社会效益｡通过工程实例介绍超长结构采用膨胀带替代后浇带的设计基本原理和施工技术要点。

【关键词】超长钢筋混凝土结构､ 裂缝､ 膨胀带､ 后浇带､

混凝土､ 施工技术

中图分类号：TU74文献标识码： A

钢筋混凝土结构具有耐久性,耐火性,整体性,可塑性好,可就地取材,施工方便等优点,是我国目前工程建设中应用最为广泛的一种结构形式｡而钢筋混凝土结构领域,一个相当普遍的质量问题就是结构的裂缝问题,随着现代工程建设的规模日趋宏大,结构形式日趋复杂,且有日趋增多的趋势,它已影响到正常的生活和生产,所以裂缝控制问题是工程建设中很重要的问题｡

裂缝问题是具有高度综合性质的复杂问题,它涉及到结构形式、材料及其组合、施工工艺、地基基础以及周围环境(温度､湿度､风速､化学腐蚀等),而且所有这些参数又都与时间有关｡通过工程实例分析大量裂缝的出现,并非与荷载作用有直接关系,而多是由于变形作用引起,包括温度变形(水泥的水化热､气温变化),收缩变形(塑性收缩､干燥收缩､碳化收缩)及地基不均匀沉降变形｡这些变形都是受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度从而导致裂缝｡所以在设计､混凝土生产以及施工过程中要有针对性地采取预防措施,减少或避免混凝土裂缝的产生,使建筑物具备良好的耐久性和结构稳定性｡

在电厂建筑结构中,一般现浇的连续墙式结构､地下构筑物及设备基础等是容易由温度收缩应力引起裂缝的结构,这类工程均以永久伸缩缝或施工缝来释放温度应力｡但留伸缩缝不仅麻烦,而且容易漏水并对抗震不利｡目前,通常在一些工程中采用临时性的伸缩缝即后浇带的办法来控制裂缝,这种缝根据具体条件,保留一定时间后,再进行填充封闭,后浇成连续整体的无伸缩缝结构｡设置后浇带能部分的解决施工过程中结构的沉降差,同时将混凝土在浇筑前期由于水泥水化热升温膨胀后,在降温过程中产生的拉应力予以消散｡然而,在实际施工操作过程中,后浇往往带来一些问题｡

1 后浇带在施工中存在的问题

1.1 留于基础底部结构的后浇带,将历经整个结构施工过程,直至结构封顶,对于大型建筑需要几个月甚至几年的时间,在这段时间内,后浇带中将不可避免地落进各种各样的垃圾杂物,由于底部结构钢筋较粗较密,使得清理工作非常艰难｡

1.2 后浇带贯穿整个地下､地上结构,所到之处遇梁断梁,遇板断板,给施工带来很多不便,影响施工进度｡

1.3 在后浇带灌充混凝土前,需将两侧混凝土凿毛,施工非常困难,而有些结构混凝土与后浇带混凝土浇筑时间间隔数月,新老混凝土的粘结强度很难保证,又由于浇筑时间差,造成这些结构的混凝土的干缩大部分已于后浇带灌充前完成｡因此,后浇带混凝土的干缩极易在新老混凝土的连接处产生裂缝｡设置施工后浇带的初衷是防止混凝土裂缝的产生,而后浇带处理不好却人为地在每条后浇带处造成两条贯穿裂缝,引起漏水｡

2 膨胀混凝土加强带的应用

如果取消或尽早浇筑后浇带混凝土,将基本上克服这些诸多困难,给施工带来很多便利｡采用以膨胀带取代后浇带的连续浇筑无缝施工技术,通过在工程上的应用,不仅消除了这些问题,还增加混凝土的密实度,提高了混凝土的强度及抗裂､防渗性能，同时缩短工期,效果显著。现以某电厂新建综合楼为例,简述在设计和施工中利用膨胀混凝土补偿收缩的原理,采用膨胀带代替后浇带,实现了超长钢筋混凝土结构的无缝施工｡

2.1､工程概况

某电厂综合楼,框架结构,建筑面积7800｡主楼为矩形,地下一层,地上五层,局部六层,主楼总长度为66.7m,宽20.5m,高26.25m｡地下室部分长度超出限制规定,为防止混凝土受温度应力和干缩应力而引起开裂,施工中通长采用设置后浇带的方法加以处理｡在主体施工期间正值7､8月份,多风季节,昼夜温差大,环境条件比较恶劣,加之工期及结构整体性的要求,建设单位希望不留置后浇带｡为了满足施工要求,施工中利用膨胀混凝土补偿收缩的原理,采用膨胀带替代后浇带,地下室通过设置膨胀带解决地下室超长结构无缝施工技术｡

2.2､技术措施

2.2.1利用膨胀混凝土补偿收缩原理,控制裂缝出现

无缝设计的思路是“抗放结合,以抗为主”的原则｡膨胀混凝土在硬化过程中产生膨胀作用,在钢筋和邻位约束下,钢筋受拉,而混凝土受压,当钢筋拉应力与混凝土压应力平衡时:

则:Ac・σc=As・Es・ε2

设:μ=As/Ac,

则σc=μ・Es・ε2……(1)

式中σc―混凝土预压应力(Mpa),As―钢筋截面积,μ―配筋率(%),Ac―混凝土截面积,Es―钢筋弹性模量(Mpa),ε2―混凝土的限制膨胀率(%)｡

由(1)式可见,σc与ε2成正比例关系,而限制膨胀率ε2随膨胀剂的掺量增加而增加,所以,通过调整掺量,可使膨胀加强带混凝土获得0.2～0.7MPa的预压应力｡膨胀带所建立的预压应力,与混凝土抵抗收缩变形所产生的拉应力能达到补偿平衡,这是无缝设计的关键｡

基本原理是:根据收缩应力的分布,用相应的膨胀应力予以补偿｡在收缩应力较大的部位掺加膨胀剂做成膨胀带,其它部位拌制微膨混凝土从而取消后浇带,实现连续浇捣｡

2.2.2合理设置膨胀带

膨胀带的位置宜布置在拉应力较大､配筋变化及截面突变的部位及应力集中的部位｡该工程主楼层五层,局部层数六层,主楼长度66.7m,1～5层楼层长度及宽度无变化,荷载､地基土质均匀,不设计沉降缝｡在长度方向的中间位置,长度及宽度方向上各设一条膨胀带代替后浇带,膨胀带宽2.0m,增加膨胀带内纵向钢筋,混凝土标号提高一个等级｡

2.2.3膨胀带做法

膨胀带要求设置在混凝土收缩应力发生的最大部位,一般也就是长度方向的中间位置,在顶板长度和宽度方向上各设一条膨胀带｡膨胀加强带宽度2.0m,膨胀带内钢筋连通,且上下另附加15%的附加纵向钢筋,钢筋两端伸出加强带2.0m,混凝土强度提高一个等级,以增强膨胀带的刚性｡在膨胀带两侧设置一层孔径5mm×5mm的钢丝网,并于200mm～300mm设一根竖向φ16mm的钢筋予以加固,其上下均应留出不小于2.5cm混凝土保护层,钢丝与钢丝网､上下水平钢筋及竖向加固筋必须绑扎或焊接牢固,不得松动,以免浇筑混凝土时被冲开,引起两种混凝土混合,影响膨胀带的效果｡

2.2.4混凝土试配

膨胀混凝土的试配｡膨胀混凝土用于超长结构无缝施工,其限制膨胀率设计和设定非常重要,膨胀率偏小,则补偿收缩能力不足,无缝施工难以实现,膨胀率过大,对混凝土强度有明显的影响｡我国现行《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119-2003)规定,掺膨胀剂的补偿收缩混凝土水中养护28天的限制膨胀率ε≥1.5×10-4,相当于结构中产生的预压应力>0.2MPa｡根据大量实践证明,混凝土的限制膨胀率以控制在2.0×10-4～3.0×10-4之间为宜,填充用膨胀混凝土的膨胀率最好控制在3.5×10-4～4.5×10-4之间,具体应用时可根据实际情况选用｡比如说,防水工程的混凝土底板的限制膨胀率可控制在2.0×10-4～3.0×10-4之间;混凝土侧墙的限制膨胀率可控制在3.0×10-4～3.5×10-4之间,其值比底板大｡这是因为混凝土侧墙受施工､环境､湿度和温度的影响比其底板大,所以,混凝土限制膨胀率稍有提高,以提高抗开裂的能力｡膨胀带的混凝土限制膨胀率控制在3.5×10-4～4.5×10-4之间｡因为膨胀混凝土早期膨胀与结束湿养护后的干缩及温度变化引起的冷缩等因素引起的收缩相叠加,其结果不至于产生等于或超过混凝土抗拉强度的收缩变形,则混凝土不开裂｡因此,控制混凝土裂缝的产生,不能只注意到混凝土收缩值的大小,还必须考虑约束条件。当混凝土的外约束及内约束一定时,必须注意其膨胀混凝土的膨胀率,以求与混凝土的收缩相适应,使其膨胀率大小适当｡膨胀率太大时,产生过大膨胀,会使混凝土疏松,削弱混凝土强度,甚至使混凝土开裂;膨胀率太小,则不足以补偿混凝土的收缩｡当然,结构设计时,必须注意结构的外约束条件,同时以适当的配筋,来保证混凝土有足够的内约束,以求内外约束适当｡

由此可见,混凝土因其结构型式及其所在部位的不同,其抗裂要求也会不同,相应的膨胀率要求也不同,因此膨胀剂的掺量也随之而变化｡也就是说,膨胀剂掺量大,则其膨胀率大;膨胀剂掺量小,则膨胀率也小,但不成正比关系｡同时必须指出,由于膨胀剂的品种和掺量不同,它与水泥､化学外加剂及掺合料的适应性也各异,因此,要通过混凝土试配来确定组成材料的用量｡要在满足混凝土强度等级､抗渗等级及坍落度的条件下,根据工程的具体情况,必须要达到设计所要求的膨胀率｡否则一定要调整膨胀剂的掺量,使其混凝土膨胀率满足不同结构及不同部位的补偿收缩的要求｡因此,图纸未指定膨胀剂的品种和掺量,除其指定采用掺加膨胀剂的补偿收缩混凝土及其强度等级和抗渗等级外,还指定了混凝土水中14天限制膨胀率≥1.5×10-4,并着重指定不同结构部位的不同膨胀率｡

膨胀剂代替水泥后混凝土强度会降低掺加膨胀剂混凝土试件在湿养护过程中呈现为无限制的自由膨胀状态,钙矾石膨胀对水泥结构有微小破坏,而膨胀作用主要表现在1～7天,所以7天抗压强度比空白混凝土下降10%左右属于正常现象｡在实际工程中,混凝土结构必然受到钢筋的内约束和外部边界的外约束,混凝土的变形呈现为限制膨胀的状态｡比如,混凝土底板受到基底和两维邻位的约束,混凝土墙受到基底及两侧端墙的约束,其限制膨胀与试件的自由膨胀不同｡试验表明,带模养护的混凝土试件的限度强度比不带模养护的混凝土试件强度高10%～15%,因此,不必担心膨胀混凝土强度的下降｡有资料介绍,当膨胀剂掺至14%～15%时,混凝土强度有所降低,所以将其强度提高一级｡

工程实践证明,膨胀混凝土的膨胀率除与膨胀剂的品种和掺量有关外,与其密切相关的因素还有水泥的品种,特别是熟料中C3A矿物含量､水泥中SO3含量､混合材料数量,以及水泥用量､掺合料的种类和数量､混凝土强度､水胶比､养护温度,养护湿度､外加剂､搅拌时间､骨料的品种和数量｡需要特别指出的是,在一定条件下,混凝土的限制膨胀率随混凝土强度的提高而增加,但不成正比关系｡由此可见,诸多因素关系相当复杂,为了使混凝土的膨胀率满足不同结构和部位的补偿收缩要求,对于掺有膨胀剂的补偿收缩防水混凝土,除要检测其强度和抗渗等级外,一定要检测混凝土的限制膨胀率,并以此作为混凝土配合比的主要依据｡地下防水用补偿收缩混凝土,除留置抗压及抗渗试件外,还应留置测试限制膨胀率的试件,以评估限制膨胀率大小和膨胀效果｡

2.2.5加强构造配筋

地下室板筋采用连续式配筋｡对特殊部位,如转角均采用上下两层放置放射筋,加强结构抗震力｡

3､施工过程控制措施

3.1施工中以膨胀带为界分段施工,释放热量｡按照膨胀带的位置确定混凝土浇筑方向｡混凝土浇筑时分两组对向浇筑,先用小膨胀混凝土从两侧浇筑,在接近膨胀加强带位置时,提前1.5小时进行膨胀带混凝土浇筑,等膨胀带混凝土浇筑完毕后,再用小膨胀混凝土浇筑膨胀带两侧｡

3.2在混凝土浇筑时,注意严防其它部位混凝土进入膨胀后浇带内,以免影响混凝土结构质量｡严禁混凝土散落在尚未浇筑的部位,浇筑混凝土前工作面应及时清理干净,以免形成潜在的冷缝或薄弱点｡

3.3在混凝土浇筑期间,要注意当地气候条件｡本工程因当地温度昼夜温差较大,加之白天风力较强,为保证施工质量,混凝土浇筑尽量安排在夜间进行｡

3.4膨胀混凝土浇筑完毕后的养护工作十分重要,是保证混凝土质量的重要措施之一｡膨胀混凝土只有充分湿养护才能发挥膨胀混凝土的膨胀效能,为确保养护效果,派专人养护,建立严格的混凝土养护制度｡混凝土浇筑完毕后应加强前14d保湿养护(达到全过程淋水保湿要求)｡混凝土收抹平整后及时用塑料膜或盖麻袋片严密覆盖一层｡在养护期喷洒雾状水保持环境相对湿度在80%以上,以减少混凝土干缩｡

4､实施效果

由于采用上述措施,采用以膨胀带取代后浇带的连续浇筑无缝施工技术,增加混凝土的密实度,提高了混凝土的强度及抗裂､防渗性能｡施工完毕后未出现裂缝､渗漏等质量问题｡提高了结构的整体性能,特别是提高了结构的整体防水性能｡如设置一道后浇带,等主体结构封顶一个月后,再浇筑混凝土将延长工期35天左右｡采用膨胀带取代后浇带的连续浇筑超长混凝土结构,施工很便利,同时缩短工期｡由于本工程取消后浇带,避免了后浇带部位长期占用周转料具及模板,也避免在砌体施工期间因后浇带脚手架而影响进度;省去后浇带的清缝､凿毛､钢筋除锈等复杂工序,节省了人工,同时解决了因施工不当而造成的结构渗漏等隐患｡省去了后期重新调整脚手架及重新安装模板的费用,降低了工程造价｡

5､结束语

采用膨胀带替代了原来的后浇带,不但减少了施工的麻烦,而且大大加快施工进度,同时也提高了结构的整体防水性能,因此,在超长混凝土结构施工中使用膨胀混凝土是一种切实可行的方法,具有一定的经济效益和社会效益｡