34 補償收縮混凝土及膨脹砂漿如何應用外加劑？

作者：馬清浩

混凝土硬化過程中的收縮，主要是干縮、冷縮、塑性收縮、自收縮和碳化收縮。不同條件、部位、環境中，這五種收縮先后主次不同。干縮主要發生在混凝土環境濕度較小的場合，冷縮是因為混凝土硬化過程中內部溫度高于最終使用溫度而產生，塑性收縮多由混凝土硬化前體積變化引起，普通混凝土自收縮和碳化收縮發生的情況少，影響程度輕。一般砂漿的收縮率為0.1％～0.2％，混凝土的收縮率為0.04％～0.06％。收縮的結果是使砂漿和混凝土產生開裂，破壞結構的整體性，降低抗滲性。能補償混凝土收縮產生拉應力的混凝土稱為補償收縮混凝土。

一、外加劑選擇

補償收縮混凝土主要補償干縮和冷縮。應用外加劑的目的是：在混凝土內產生0.2～0.7MPa的膨脹應力，抵消由于干縮而產生的拉應力，提高混凝土的抗裂性和抗滲性。

減縮劑可以減小干縮50％以上，纖維材料也有減小收縮開裂的效果，但它們都不符合補償收縮混凝土的定義，減縮劑適合在無約束、少配筋、不易保持潮濕養護的場合。補償收縮混凝土可用普通水泥摻加膨脹劑配制，用于有一定約束條件、易保持潮濕養護的場合，多在屋面、貯罐、水池、地下防水、壓力灌漿、鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土構件中應用。應用的膨脹劑有：①硫鋁酸鈣類膨脹劑，如UEA，ＺＦ-Ⅲ膨脹劑。硫鋁酸鈣膨脹劑不得用于長期處于80℃以上的工程中；②氧化鈣類膨脹劑，如脂膜石灰膨脹劑，含有該類物質的膨脹劑不得用于海水或有侵蝕性水的工程。

二、施工技術

（一）膨脹混凝土

（１）攪拌、運輸和模板工程：粉狀膨脹劑應與混凝土其他原材料一起投入攪拌機，拌合時間應延長30ｓ。補償收縮混凝土需水量較大，拌合物黏稠，沒有石子分離和泌水現象，因此適于泵送。拌合以后，如運輸或停放時間稍長，坍落度損失將引起施工困難。此時不許第二次添加拌合水，以免大大降低強度和膨脹率。補償收縮混凝土的澆筑溫度不宜超過35℃，應設法避免因機器故障或人力不足引起的停工間歇，對間歇時間長的應留置施工縫。澆筑補償收縮混凝土之前，所有與混凝土接觸的物件應充分潤濕，稍作噴灑是不夠的。建議在澆筑前一天晚上把基礎浸濕，并根據需要在澆筑前噴灑，把結構混凝土的模板和鋼筋潤濕也是一種好辦法。遇到干熱氣候和有大風的情況下，更應注意充分潤濕與混凝土接觸的物件、基層或地基。與老混凝土的接觸面，最好先行保潮12～24ｈ。澆筑和固結時，應注意把鋼筋保持在正確位置，以確保其約束作用。同時，混凝土應與鋼筋很好地粘結。補償收縮混凝土在施工過程中的少量膨脹，對模板穩定性并無危害，故模板設計可按普通混凝土辦理，但應注意避免漏漿漏水。

（２）混凝土澆筑：在計劃澆筑區段內連續澆筑混凝土，不得中斷；混凝土澆筑以階梯式推進，澆筑間隔時間不得超過混凝土的初凝時間（最好不超過初凝時間的２/３）；混凝土不得漏振、欠振和過振；由于不泌水及早期生成鈣礬石需要水，補償收縮混凝土比普通混凝土更容易產生早期塑性收縮裂縫，必須注意早期養護，在干熱多風的環境中應采取擋風、遮陽、噴水等措施。混凝土終凝前，應采用抹面機械或人工多次抹壓。抹面與修整工作因凝結時間較短和不泌水而提早。盡管砂漿豐富，抹面工作也較易做好，但要注意掌握時間，不宜過晚。適時和充分地保潮養護最為重要。最好的養護方法是蓄水或不斷灑水，也可采用連續噴水或塑料薄膜覆蓋，時間不少于7ｄ。而且應在抹面修整完畢后立即開始覆蓋，盡早噴水或灑水，也可帶模淋水，以充分供應膨脹過程中需要的水分。

（３）養護：補償收縮混凝土不論是在早期還是在硬化后均比普通水泥需要更多的水分，因此補償收縮混凝土除應遵照普通混凝土的施工規程以外，還必須十分注意水的問題，要保證足夠的供水和嚴防過早失水。

對于大體積混凝土和大面積板面混凝土，表面抹壓后用塑料薄膜覆蓋，混凝土硬化后，宜采用蓄水養護或用濕麻袋覆蓋，保持混凝土表面潮濕，養護時間不應少于14ｄ；可以在終凝后用潮濕麻袋覆蓋養護1～2ｄ以后用蓄水養護。

對于墻體等不易保水的結構，宜從頂部設水管噴淋，拆模時間不宜少于3ｄ，拆模后宜用濕麻袋緊貼墻體覆蓋，并澆水養護，保持混凝土表面潮濕，養護時間不宜少于14ｄ；池壁的表面積大，用外掛濕麻袋，人工澆水濕麻袋干燥快，質量難以保證，用PVC管上鉆孔，將管固定在池壁頂部，通水噴灑，養護質量好。

冬期施工時，混凝土澆筑后，應立即用塑料薄膜和保溫材料覆蓋，養護期不應少于14d。對于墻體，帶模板養護不應少于7ｄ。

（二）膨脹砂漿

使用無收縮高強灌漿料時，流動度不小于270ｍｍ；初凝不小于2ｈ，終凝不大于10ｈ；3ｄ豎向限制膨脹率大于0.0010％，7ｄ豎向限制膨脹率大于0.0020％，28ｄ抗壓強度大于60MPa。

灌漿用膨脹砂漿施工應符合下列要求：（１）灌漿用膨脹砂漿的水料（膠凝材料＋砂）比應為0.14～0.16，攪拌時間不宜少于３min；（２）膨脹砂漿不得使用機械振搗，宜用人工插搗排除氣泡，每個部位應從一個方向澆筑；（３）澆筑完成后，應立即用濕麻袋等覆蓋暴露部分，砂漿硬化后應立即澆水養護，養護期不宜少于７ｄ；（４）灌漿用膨脹砂漿澆筑和養護期間，最低氣溫低于５℃時，應采取保溫保濕養護措施。

三、質量控制

工程應用中，確定膨脹劑品種和摻量固然重要，但合理地使用外加劑更重要。補償收縮混凝土最終通過鋼筋和鄰位約束建立預壓應力，使混凝土的微膨脹彌補混凝土的收縮，因此混凝土水中１４ｄ的限制膨脹率是十分重要的指標。

從各種膨脹劑的抗裂原理分析，膨脹劑與水泥的水化、硬化過程中產生大量的鈣礬石晶體，這些晶體吸水膨脹，從而使混凝土產生微膨脹。當摻量不足或養護不夠，而膨脹率偏低時，產生的少量鈣礬石晶體僅僅起填充混凝土毛細孔的作用，即提高了混凝土的抗滲性，補償混凝土收縮的能力遠遠不夠，混凝土剩余的收縮變形遠大于混凝土的極限延伸率。只有生成較多的鈣礬石晶體時，混凝土才會產生良好的微膨脹性。在ＧＢ５０１１９—２００３中，對補償收縮混凝土應達到的限制膨脹率作了規定，即水中１４ｄ的限制膨脹率應大于００１５％，再經２８ｄ空氣中養護的限制干縮率應小于００３％。在膨脹劑的實際應用中，應注意不要將膨脹劑性能檢測時的砂漿試件膨脹率（大于００２５％）與施工用混凝土試件的膨脹率（大于００１５％）混為一談。兩者在所用材料、配比、配筋、試驗方法等方面都不一樣。補償收縮混凝土的限制膨脹率這一特性指標是膨脹混凝土抗裂效能的保證。要達到補償收縮混凝土的預期效果，需要從設計、材料、配比、養護等主要環節抓起。補償混凝土中使用膨脹劑時的質量控制有以下幾個方面：

（一）設計

摻膨脹劑的補償收縮混凝土大多應用于控制有害裂縫的鋼筋混凝土結構工程。混凝土的膨脹只有在限制條件下才能產生預壓應力。所以，構造（溫度）鋼筋的設計對該混凝土有效膨脹能的利用和分散收縮應力集中起重要作用，設計時必須根據不同的結構部位，采取相應的合理配筋和分縫。以往絕大多數設計者在設計圖上只寫混凝土摻入膨脹劑、強度等級、抗滲等級，有些結構大于70ｍ不設縫，對混凝土的限制膨脹率沒有提出具體要求，造成膨脹劑少摻或誤摻，達不到補償收縮效果而出現有害裂縫。按《混凝土外加劑應用技術規范》要求，摻膨脹劑的補償收縮混凝土水中養護14ｄ的限制膨脹率大于或等于0.015％，相當于在結構中建立的預壓應力大于0.2ＭＰａ。施工單位或混凝土攪拌站應根據設計的要求，通過試配確定膨脹劑的最佳摻量，在滿足強度和抗滲要求下，同時要達到補償收縮混凝土的限制膨脹率。只有這樣，才能達到控制結構有害裂縫的效果。所以，當采用膨脹劑時，結構設計者在設計圖上不僅應寫上強度等級、抗滲等級，還要注明“采用摻膨脹劑的補償收縮混凝土，水中養護１４ｄ的混凝土限制膨脹率大于或等于0.015％（或更高些），限制收縮小于或等于0.030％”。

構造（溫度）鋼筋的設計和特殊部位的附加筋配置，應符合《混凝土結構設計規范》（GB50010）規定。墻體受施工和環境溫濕度等因素影響較大，容易出現縱向收縮裂縫，混凝土強度等級越高，開裂幾率越大。工程實踐表明，墻體的水平構造（溫度）鋼筋的配筋率宜在0.4％～0.6％，水平筋的間距應小于150ｍｍ，采取細而密的配筋的原則。由于墻體受底板或樓板的約束較大，混凝土脹縮不一致，宜在墻體中部或端部設一道水平暗梁，配筋間距宜為50～100ｍｍ，以控制墻體有害裂縫的出現。

對于墻體與柱子相連的結構，由于墻與柱的配筋率相差較大，混凝土脹縮變形與限制條件有關，由于應力集中原因，在離柱子～２ｍ的墻體上易出現縱向收縮裂縫。工程實踐表明，應在墻體連接處設８～10ｍｍ水平附加筋，附加筋的長度為1500～2000ｍｍ，插入柱子中200～300ｍｍ，插入墻體中1200～1600ｍｍ，該處配筋率提高10％～15％。這樣，有利于分散墻柱間的應力集中，避免縱向裂縫的出現。結構開口部和突出部位因收縮應力集中易于開裂，與室外相連的出入口受溫差影響大也易開裂，這些部位應適當增加附加筋，以增強其抗裂能力。

對于超長結構樓板，為減少有害裂縫（寬度小于0.3ｍｍ），可采用補償收縮混凝土澆筑，但設計上要求采用細而密的雙向配筋，構造筋間距小于150ｍｍ，配筋率在0.6％左右；對于現澆混凝土防水屋面，應配置雙層鋼筋網，鋼筋間距小于150ｍｍ，配筋率在0.5％左右。樓板和屋面受大氣溫差影響較大，其后澆縫最大間距不宜超過50ｍ。

由于地下室和水工構筑物長期處于潮濕狀態，溫差變化不大，最適合用補償收縮混凝土作結構自防水。大量工程實踐表明，與樁基結合的底板和大體積混凝土底板，用補償收縮混凝土可不作外防水，但邊墻宜作附加防水層。底板和邊墻后澆縫最大間距可延長至60ｍ，后澆縫回填時間可縮短至28ｄ。

（二）材料及配比

目前膨脹劑的牌號和廠家很多，質量差別很大，用戶必須選用達到《混凝土膨脹劑》（JC476—2001）標準的產品。

（１）膨脹劑的摻量：膨脹劑本身具有活性，視為水泥的一部分，故《混凝土外加劑應用技術規范》（GB50119）規定為等量取代膠凝材料的內摻法。由于我國水泥大多摻入混合材，其活性有所不同，所以膨脹劑替代水泥率有所差異，原則上可以100％替代水泥，如水泥富余系數低，只能替代50％～80％。目前，我國大多數膨脹劑推薦摻量為10％～12％，少數為６％～８％。《混凝土外加劑應用技術規范》（GB50119）規定，補償收縮混凝土的膨脹劑摻量不宜大于12％，不宜小于６％；填充用膨脹劑混凝土的膨脹劑摻量不宜大于15％，不宜小于10％。不管產品說明書怎樣宣傳，應以混凝土限制膨脹率大小為準，同時要考慮水泥品種、水泥用量、水灰比和外加劑等影響，通過試驗，確定膨脹劑的科學摻量。有些膨脹劑中有CaO等成分，易吸收空氣中水分和CO₂，失去部分活性，使用時要注意產品的存放有效期。膨脹劑的摻量必須使混凝土達到補償收縮混凝土性能的技術指標：14ｄ水中養護的限制膨脹率不小于0.015％，28ｄ干空收縮率不大于0.03％，28ｄ抗壓強度大于25MPa。填充用膨脹劑混凝土性能應達到：14ｄ水中養護的限制膨脹率不小于0.025％，28ｄ干空收縮率不大于0.03％，28ｄ抗壓強度大于30.0MPa。不同的結構部位的抗裂要求不同，因此，膨脹劑摻量是不同的。根據大量工程實踐表明，底板混凝土的厚度在1ｍ以下的，配制的混凝土的限制膨脹率應達到0.015％以上，厚度超過1ｍ的大體積混凝土，限制膨脹率應在0.020％左右，這一限制膨脹率不可能完全抵消混凝土的干縮和溫差收縮，但由于底板混凝土受到的外約束較小，收縮應力能得到部分釋放，在徐變等因素的作用下，混凝土的收縮值不會超過混凝土的極限延伸率，混凝土不易開裂。

墻體、樓板等混凝土構件受到的外約束較大，整體的收縮性受到鄰位的限制，其收縮應力無法自由釋放，因此，墻體易產生豎向裂縫，宜采用限制膨脹率在0.02％以上的補償收縮混凝土。混凝土的膨脹率最好控制在0.025％～0.035％，填充用膨脹混凝土的膨脹率應控制在0.035％～0.045％。防水工程的底板混凝土的限制膨脹率ε₂＝0.02％～0.025％，側墻ε₂＝0.03％～0.035％，后澆帶或膨脹加強帶ε₂＝0.035％～0.045％為宜。

（２）最低水泥用量：膨脹混凝土的膠凝材料用量是硅酸鹽水泥、膨脹劑和摻合料的總和。考慮補償收縮效應，其膠凝材料用量應大于300kg/ｍ³，如膨脹劑摻量為10％，水泥為270kg/ｍ³，膨脹劑為30kg/ｍ³。如水泥用量小于300kg/ｍ³，膨脹劑宜用外摻法計算。有抗滲要求的補償收縮混凝土水泥用量不應小于320kg/ｍ³，但如摻入摻合料，水泥用量不得小于280kg/ｍ³。由于各廠的水泥和粉煤灰活性不同，各地砂石質量差異較大，施工選用混凝土的坍落度也不同，因此，試驗室應根據以往的經驗確定基準混凝土的水泥和粉煤灰單方用量，計算膨脹劑的摻量。

（３）摻合料用量：一般預拌混凝土都摻入粉煤灰、礦渣粉、沸石粉等摻合料，在有減水劑的情況下，它們都可等量或部分替代水泥。由于膨脹劑是按內摻法等量取代膠凝材料的，摻加膨脹劑后，摻合料和水泥應按其在膠凝材料中所占比例相應減少。例如：基準混凝土為水泥用量300kg，粉煤灰摻量20％，即60kg，膨脹混凝土中，膨脹劑摻量為10％，應摻36kg，則粉煤灰摻量調整為60－60×10％＝54kg，水泥用量調整為270kg，這樣才能保證補償收縮混凝土達到期望的物理力學性能。

（４）外加劑選擇與摻量：膨脹劑不宜與氯鹽類外加劑復合，與防凍劑復合應慎重，膨脹劑常與減水劑、緩凝劑等復合應用，其關鍵是兩者的相容性問題，有些減水劑、緩凝劑等外加劑會出現減小膨脹率的問題。減水劑（泵送劑）的摻量大，則流動性好，水灰比小，但可能使水中限制膨脹率增高、強度增加，空氣中收縮增大，在一定程度上會削弱補償收縮的效果。有的膨脹劑和水泥對混凝土坍落度損失影響較大，因此要通過試驗選擇用何種外加劑和適宜的摻量，其摻量以膠凝材料的總量來計算。此時混凝土必須滿足《混凝土外加劑應用技術規范》（GB50119）規定的限制膨脹率指標。《混凝土外加劑應用技術規范》（GB50119—2003）中的試驗方法，測試混凝土限制膨脹率用的混凝土試件尺寸為100ｍｍ×100ｍｍ×300ｍｍ，試件中間埋入10ｍｍ鋼筋作限制器，其兩頭焊厚度為12ｍｍ的鋼板，配筋率為0.79％，測量儀器精度為0.001ｍｍ的專用測長儀器，示意圖如圖１所示。

圖１　混凝土限制膨脹率測量儀示意圖

補償收縮混凝土縱向限制膨脹率和縱向限制收縮率的試驗，可按下列步驟進行：①先把縱向限制器具放入100ｍｍ×100ｍｍ×400ｍｍ的試模中，然后將混凝土一次裝入試模，把試模放在振動臺上振動至表面呈現水泥漿、不泛氣泡為止，刮去多余的混凝土并抹平，然后把試件置于溫度為（20±2）℃的標準養護室內養護，試件表面用塑料布或濕布覆蓋，防止水分蒸發；②當補償收縮混凝土抗壓強度達到３～５ＭＰａ時拆模（一般為成型后12～16ｈ），測量試件初始長度；③測量前3ｈ將測長儀、標準桿放在測量室內，用標準桿校正測長儀。測量前，將試體測頭及測量儀測頭擦凈。測量時，將記有編號的一面朝上，面向測量者，其方向和位置要固定一致，不得隨意變動，使縱向限制器測頭與測量儀測頭正確接觸，讀數應精確至0.001ｍｍ。試件測定時間應為規定齡期土１h。每個試件長度，應重復測量三次，取其穩定值；④將測定初始長度后的試件浸入（20±2）℃的水中養護，分別測定3ｄ，7ｄ，14ｄ的長度，然后移入室溫為（20±2）℃、相對濕度為（60±5）％的恒溫恒濕箱或恒溫恒濕室內養護，分別測定28ｄ，42ｄ的長度。上述測長齡期，一律從成型日算起；⑤每組成型的三個試件，取其算術平均值作為長度變化，計算應精確至小數點后第三位。