《超长钢筋混凝土结构无缝设计施工方法》.doc

超长钢筋混凝土结构无缝设计施工法 国家重大发明专利超长钢筋混凝土结构无缝设计施工方法专利号：ZL93117132. 6（最高级版本） 超长钢筋混凝土结构无缝设计施工方法是我国土木建筑行业一项重大专利技术成果，这 一技术是对国家规范混凝土结构设计规范的重大突破，先后获得国家发明专利、部级科技 进步二等奖，并列入北京市重大科技成果推广计划。在包括首都机场新航站楼等在内的全国 300多项重大结构工程中成功实施，创专利实施费超过1000万元。2006年王栋民专著高性能膨胀混凝土由中国水利电力出版社和知识产权出版社联合出版，书中对这一专利技术从理论 到实践进行了全面介绍。 下面对其中HPEC的无缝抗裂设计与工程应用进行刊登，愿与建筑工程设计、施工、监理和业主等各相关部门通例合作，以进一步推动这一技术成果的转化。 附：相关获奖证书 1、专利证书 2、部级科技进步奖证书 3、北京市重大科技成果推广证书 4、专著扉页 第一节 HPEC的无缝抗裂设计一 混凝土结构设计和施工中的缝在钢筋混凝土结构设计和施工中，常涉及到许多缝的概念(也称之为带)，如伸缩缝、后浇缝、沉降缝、施工缝、加强带等等 。这些缝内涵与外延各不相同，彼此相互联系又相互交叉，在工程应用中时有混淆。现将在钢筋混凝土结构设计和施工中常用到的缝分类如下并阐述其含义。 伸缩缝(expansion joint)是结构设计在构造上的-种考虑，是基于混凝土干燥收缩和热胀冷缩而设置的，其中永久性伸缩缝(通常称之为伸缩缝)是基于长期热胀冷缩的考虑。而临时性伸缩缝(通常称之为后浇带)则主要是基于干缩和施工期间水泥水化热温升的考虑，-般在主体结构混凝土浇注40-60天后用填充性膨胀混凝土回填。沉降缝是基于地基的不均匀沉降，如主楼与裙房间因高差而产生不均匀沉降等而采用的构造措施，有些沉降缝永久保留，更多的则是在主体结构封顶后用填充性膨胀混凝土回填。后浇带既是设计手段，又是施工措施。它是在设计施工期间保留的一个缝，在收缩或沉降基本完成后，用填充性混凝土二次回填，故称之为后浇带。后浇带从后浇的严格意义上来说包括临时性伸缩缝和部分沉降缝，但为防止混淆起见，工程习惯上-般将后浇带与临时性伸缩缝混同，而不包括沉降缝。本文遵从这-习惯，所讲到的后浇带即指临时性伸缩缝。施工缝是在混凝土施工间隙所形成的一种施工冷缝，包括水平施工缝，垂直施工缝和斜施工缝。施工缝在施工中应尽量避免出现，-旦出现则应进行处理。如水平缝可以做企口或阶梯形等，地下工程也可使用钢板止水带或橡胶止水带的办法处理，然后用1：2膨胀砂浆与新浇混凝土连结。垂直缝、斜缝也应凿毛、清理，然后用1：2膨胀砂浆与新混凝土连结。 膨胀加强带(简称加强带或膨胀带)是我们在超长钢筋混凝土结构设计和施工方法专利技术中提出的-个新概念，是为取消后浇带，实现超长结构连续施工，而人为采取的措施，是一 个假缝，具有特定的含义。 二、无缝抗裂设计的提出 在上世纪七十年代以前，对于-些超长钢筋混凝土结构，通常采用永久性伸缩缝来解决收缩开裂的问题。七十年代以来，后浇缝技术的出现特别是填充性膨胀混凝土在后浇带施工中的成功应用(以1977年毛主席纪念堂工程为典型代表)，成为-种扩大伸缩间距和取消结构中永久伸缩缝的有效措施。后浇缝-般在两侧混凝土浇灌40-60天收缩基本完成后回填，使结构成为-种连续整体的无伸缩缝混凝土结构。这是-种抗放兼施，以放为主的设计原则，是针对普通水泥混凝土存在的收缩开裂问题，以设置后浇带的办法释放大部分收缩应力，然后以膨胀混凝土填缝，抗衡残余收缩应力。这种设计已列入规范而广泛采用。然而，后浇带的凿毛与清理及填缝等给混凝土整体施工带来很多麻烦，填缝不好，还常常成为开裂和渗漏隐患，并且延长工期，有时还影响总体结构的设计。能否取消后浇缝，这是工程界向我们提出的新课题。中国建材院于八十年后期研究成功U型膨胀剂(UEA) 、复合膨胀剂(CEA) 和铝酸钙膨胀剂(AEA) ，九十年代以来又发展了多功能复合高效膨胀剂UEA-H、CEA-B、UEA-M等，在混凝土结构自防水方面取得重大突破，1992年补偿收缩混凝土防水工法列为国家级工法(YJGF22-92)，已在全国实施。 在此基础上，根据膨胀混凝土补偿收缩原理，我们在1990年探索取消后浇带的科研工作，首先在理论上搞清楚，后在工程上从小到大实践。经过几年的探索与实践，该技术在一些典型工程中应用取得成功，并受到建筑工程界的广泛关注。我们于1993年正式向国家专利局申报了发明专利申请超长钢筋混凝土结构无缝设计施工方法，期间技术成果不断完善，1999年5月12日国家知识产权局正式授予该技术国家发明专利权，同年获部级科技进步二等奖。至今，北京大部分民用与工业设计院和主要施工单位均采用了这一无缝抗裂施工方法，中南、华东、华南、西北、西南、东北地区的大型设计和施工单位也采用了这一新技术。到目前为止，该专利技术已在北京当代商城、西客站工程、青岛中银大厦、武汉百盛国际配售中心、长沙平和堂大厦、深圳贤成大厦、珠海口岸广场、中科院高能所板式楼等全国一百项以上重大工程中进行成功实施，取得良好的技术经济和社会效益。其应用范围不但在地下、水工结构，而且在上部楼面、墙体和屋面。 近年来混凝土膨胀剂向低掺量、高性能、高膨胀率方向发展，开发成功低掺量高效UEA、无水硫铝酸钙膨胀剂CSA等，为HPEC的配制提供了技术手段。随着膨胀混凝土向高性能混凝土的发展，混凝土呈现流态化、高强化的趋势，在HPEC中复合使用膨胀剂和高性能矿物质掺合料以改善混凝土的多种性能，这对无缝抗裂设计与施工也提出了新的要求。 三、无缝抗裂设计的应力分析 无缝设计是相对的，根据工程结构具体情况，可无缝或少缝。这里的缝指的是释放收缩应力的后浇带或永久伸缩缝，不包括沉降缝。其设计思路是抗放兼施，以抗为主。即用掺膨胀剂的补偿收缩混凝土作为结构材料，其在水化硬化过程中产生膨胀作用，该膨胀由于受到钢筋和邻位的约束，能在结构中建立一定的预压应力c，由此来抵抗收缩变形时产生的拉应力，防止混凝土开裂。膨胀混凝土用于超长结构无缝抗裂施工，其限制膨胀率(2)的设定至为重要。2偏小，则补偿收缩能力不足，无缝施工难以实现；2过大，对混凝土强度有明显影响。经大量研究与工程实践，高效UEA或CSA替代水泥8，对强度无影响，对中强混凝土限制膨胀率一般设计在21-310-4，对高强混凝土限制膨胀率一般设计在20.5-1.510-4，在配筋率0.2%-0.8下，可在结构中建立0.2-0.7MPa预压应力，这一预压应力大致可以抵消混凝土在硬化过程中因温度和干缩产生的拉应力，从而防止混凝土收缩开裂，或把裂缝控制在无害裂缝范围内(小于0.1mm)。基于这一抗的原理，采用补偿收缩混凝土，后浇缝的间距延长至60m是安全的，比规范20-40m增加l倍左右。这是无缝设计概念中的少缝含义，已成功应用于结构设 计中。 随着我国建筑长大化和多功能的发展，钢筋混凝土结构超长100m以上，水平面积超1万m2以上者越来越多。楼层数十层，设置后浇缝以防止结构收缩开裂成为必要措施。然而，它给结构设计和施工带来很多麻烦，工期延长，模板周转、降水和施工管理费都增加，能否取消后浇缝这具有技术经济意义。 工民建的整体式基础、箱形基础的底板、车间混凝土地面、地下隧道、涵管等结构的底板和墙体的特点是，其厚度(高度)H远小于长、宽方向尺寸L，当HL0.2时，板在温度收缩变形作用下，离开端部区域，全截面受拉应力较均匀。在地基约束下，将出现水平法向力x；从工程实践可知，x是设计主要控制应力，是引起垂直裂缝的主要应力，其max出现在截面的中点x0处(图8-1)。 当法向应力max超过混凝土抗拉强度R，在中部出现第一垂直裂缝，将板一分为二，每块板 的水平应力重新分布x，如xRt，则形成第二批裂缝，这种裂缝有序性常可在工程中 见到。为防止这种有序裂缝的出现，工业与民用建筑中以设置后浇缝作为释放收缩应力和控制 裂缝的主要措施之一。从以下法向应力公式可见： 后浇缝只在较短的间距(L)范围对削减温度收缩应力(ET)起显著作用，超过一定长度，即 使设后浇缝也没有意义。按理论计算，削减有效间距为20-60m。下面谈到的膨胀加强带间距应 设置在此范围内。 研究表明，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 AccAssAsEs2 设 A sAc 则 cjEs2 (1) 式中：c-混凝土预压应力，MPa； As-钢筋截面积； -配筋率，； Ac-混凝土截面积； Es-钢筋弹性模量。MPa； 2-混凝土的限制膨胀率(也即钢筋伸长率)。 由(1)式可见，c与2成正比关系，而限制膨胀率2随UEA(CSA)掺量增加而增加，所 以，我们通过调整UEA(CSA)掺量，可使混凝土获得不同的预压应力。根据水平法向力x分布 曲线，我们设想在max地方给与较大的膨胀应力c，而在两侧给与较小的膨胀应力(图8- 2)，全面地补偿结构的收缩应力，控制有序裂缝的出现。 图8-2 膨胀应力c补偿收缩应力x示意图 四、无缝抗裂设计的应变分析 根据我国著名的水泥混凝土专家、中国工程院资深院士吴中伟教授关于膨胀混凝土的基本理 论和观点，防止混凝土开裂，有如下判据 ： 2-(St+Sd-CT)Sk 式中，2-限制膨胀率 St-干缩率 Sd-干缩率 CT-受拉徐变率，徐变CT对补偿收缩防止开裂是有利因素。 S k-极限延伸率 满足上述判据，就不必设伸缩缝，否则应设伸缩缝。当不掺膨胀剂时，规范规定约30m设一 道伸缩缝，以避免收缩应变从自由端沿长向积累，引起中段开裂。 我国著名的裂缝专家王铁梦教授通过对结构物应力-应变分析与计算，求得了平均伸缩缝间距 (或裂缝间距)计算公式 如下： 这样(2)式就变为St+Sd-2Sk ，L 比较可见，王铁梦的裂缝间距计算公式在极限状态下其本质同吴中伟的防止混凝土开裂的 判据公式完全一致，当TS k即2-St-Sd0，且2-St-Sdsk时，混凝土开裂 ，裂缝间距可由王铁梦公式求得；当TS k即2-St-SdSk时混凝土不开裂。 五、无缝抗裂设计的实用化计算 在吴中伟院士和王铁梦教授学术思想指导下，通过对各种条件下混凝土膨胀和收缩的研究 ，用数理统计回归分析方法，建立了膨胀混凝土膨胀与收缩的拟合数学解析式，使用膨胀混凝 土的抗裂性能够针对构件的结构尺寸和具体的施工条件进行计算，为设计和使用膨胀混凝土提 供科学依据。 1、膨胀混凝土补偿收缩模式 水泥基材料抗拉强度低、韧性差，当干燥失水或环境温度变化使混凝土产生收缩时，很容 易出现裂缝。经多年研究和实践，膨胀混凝土被认为是一种解决混凝土开裂的理想材料。膨胀 混凝土在钢筋和邻位限制下，膨胀能做功产生预压应力，可抵消部分或全部限制收缩所产生的 拉应力，并推迟了收缩的产生过程，抗拉强度在此期间能获得增长，当混凝土开始收缩时，其 抗拉强度已增长到足以抵抗收缩引起的拉应力，从而防止或减少收缩裂缝的出现。膨胀混凝土 补偿收缩模式图如图8-3。 从上图看出，要想对膨胀混凝土进行补偿收缩能力的设计，最重要的是计算混凝土的限制 膨胀率2和收缩率S。如果2大于S，混凝土中将有压应力存在；2小于S，若其差值的绝对 值小于混凝土的极限伸缩率Sk，混凝土中虽有拉应力尚不致使混凝土出现裂缝，若其差值的绝 对值大于S k时，内部拉应力超过其抗拉强度，混凝土出现裂缝。因此，研究限制膨胀率2、 收缩率S和极限延伸率S k的大小，以及各种外部因素对这些参数的影响规律，是对膨胀混凝土 的补偿收缩能力进行计算的关键。 2、限制收缩率S 限制收缩率S包括干缩率Sd和冷缩率St、，即S Sd十St 根据大量研究，并经回归分析，得出膨胀混凝土干缩率Sd的拟合方式和冷缩率St计算式分别为： 式中：t为龄期(天) R为混凝土限制干缩率与自由干缩率之比，根据统计资料R取值-般在0.6-0.8之间。 1、2、3、4、5为偏离标准条件的修正系数，其中1为环境相对温度影响系数 ；2为构件尺寸影响系数；3为养护方法影响系数；4为掺和料影响系数；5为混凝土强 度等级影响系数。其取值范围已根据大量数据统计结果而确定，针对工程具体情况取值。 为混凝土热膨胀系数，为1.0x10-5 T1为混凝土水化引起的温升(0C)，可根据施工条件预定式设定。 T2为气温变化温差(0C)，可根据施工环境预计。 3、限制膨胀率2 根据大量研究，并经回归分析，得出膨胀混凝土限制膨胀率2的拟合公式为 式中t为龄期(天)1、2、3、4、5、6、7、8、9为偏离标准条件的修正系数 ，其中1为膨胀剂品种影响系数，2为膨胀水泥品种影响系数，3为混凝土强度等级影响系 数，4为膨胀剂掺量影响系数，4为水泥用量影响系数，5为水泥用量影响系数，6为配 筋率影响系数，7为粗集料影响系数，8为水灰比影响系数，9为养护制度影响系数。其取 值范围已根据大量数据统计结果而确定，针对工程具体情况和设计要求确定。 4、极限延伸率 如前所述，徐变对补偿收缩防止开裂是有利因素，它可使普通混凝土的长期极限拉伸增加一 倍左右，即提高了混凝土的极限变形能力。因此，在计算混凝土的抗裂性能时，即混凝土的极 限拉伸在考虑徐变的情况下，增加了50。故混凝土考虑徐变后的极限延伸率Sk为： SkSk(1+0.5) 通过以上的分析计算，我们可以针对具体工程参数和施工条件，对膨胀混凝土进行定量设计和 计算，将计算所得的2、S、Sk等带入上述抗裂判据公式，使之满足抗裂判据条件，即可实现 无缝施工而不开裂。 六、无缝抗裂设计施工方法 根据以上分析，在一定条件下(满足抗裂判据公式)进行无缝设计是可行的，那么，在工程设 计中，如何根据收缩应力曲线(图2)进行相应的补偿呢?参见图8-4的无缝设计示意图。 在应力集中的max处(按传统方法留后浇带处)，设膨胀加强带，其宽度2m，带的两侧铺设 密孔铁丝网，并用立筋(由850-100)加固，防止混凝土流入加强带，带内混凝土强度等级比 两侧高5MPa。施工时，带外用掺8%-10CSA的小膨胀混凝土膨胀率约(1-2)10-4，灌注到 加强带时，掺10%-12CSA的大膨胀混凝土膨胀率约(1.5%-3%)10-4，其强度等级比两侧 高5MPa。到另一侧时，又改为浇注掺8%-10CSA混凝土。如此循环下去，可连续浇注100- 150m超长结构。 在混凝土供应或施工力量达不到连续作业要求时，可采用图8-5的间歇式无缝施工法， 加强带一侧改为台阶式。施工缝凿毛清洗干净后，用掺10-12CSA的混凝土浇入加强带，随 后用小膨胀混凝土浇注带外区段。 对于无防水要求的楼板，考虑可允许出现小于0.3mm的裂缝，不影响结构安全。可采用如图 8-6的取消后浇缝的设计方法。与图8-4区别在于加强带两侧采用掺6-8CSA的无收缩混凝土 膨胀率约(1-1.5)10-4，加强带本身用10-12CSA大膨胀混凝土。此方法不影响模板周 转，加快楼面施工进度。由于楼板厚度小，加强带两侧可用模板隔离。对于墙体的加强带，由 于墙体薄，面积大，养护困难，受到风速和大气温度影响大，容易出现收缩裂缝。因此，我们 倾向采用后浇加强带(2m宽)，即分段浇注掺8-10CSA混凝土，14d后，用掺10-12CSA 混凝土回填。 此方法与传统后浇带设计一样，要设钢片止水带(图8-7)。所不同之处，后浇加强带的宽度 为2m，回填用大膨胀混凝土，回填缝时间为14d，比传统后浇缝缩短30多天。 七、无缝抗裂设计应注意的问题 由于钢筋混凝土结构长大化和复杂化，取消后浇缝的无缝设计必须根据结构特点灵活运 用， 沉降缝不能取消，对于具有沉降性质的后浇缝也不能取消。加强带的性质是以较大膨胀应力补 偿温差(包括干缩)收缩应力集中的地方，所以，它可以取消后浇缝。加强带的间距可控制在 40-60m。实践表明，对受大气温度和风速影响较小，保温保湿养护可操作性好的地下室、水池 、隧道等防水结构的底板和高层建筑的楼板，可采用图8-4的无缝抗裂设计。而边墙由于尺寸薄 而暴露面大，且立面养护困难，易受风速和温差影响，建议用图8-7的后浇加强带，这种设计比 较保险。 关于剪力墙的配筋构造设计，注意问题是：当柱子与剪力墙连在一起时，由于柱子的截面和 配筋率都比墙体大得多，往往在相连部位出现过大的应力集中而开裂。为分散应力，应该在此 处增加水平筋(8-10)200，其长200cm，横穿柱子两侧深入墙体中。墙体易裂原因是多方面 的，但我们发现墙体受力钢筋过多，而作为抗裂的水平构造筋偏少，按规范剪力墙最小配筋率 为0.2%-0.25%。工程实践表明，由于墙体一般拆模早，养护困难，受温度影响大，水分蒸发速 率大，容易开裂。为了控制温差和干缩引起的垂直裂缝；墙体的水平构造筋的配筋率不应小于 0.5，并使用螺纹钢筋，钢筋间距不宜过大，采用由10-16mm钢筋和100-150mm间距是比较合 理的。墙体厚度为30-50cm。从而提高混凝土的极限拉伸及抗拉强度可有效提高混凝土抗裂性 。我们认为，HPEC补偿收缩混凝土的抗裂防渗功能要与水平构造钢筋的设计相适应，共同抗衡 收缩应力才能凑效。HPEC混凝土作结构自防水，可省去外防水作业。因此，适当增加水平构造 钢筋和墙的厚度在技术经济上是合理的。 HPEC超长钢筋混凝土结构无缝抗裂设计施工方法是以补偿收缩混凝土为结构材料，以加强带 取代后浇缝连续浇筑施工的一种新技术。对于底板和楼板可用膨胀加强带取代后浇缝，连续 浇筑混凝土；对于边墙可用后浇加强带，间距30-40m分段浇筑墙体，等14d后再用HPEC混凝 土回填。对于变截面大的墙柱之间，要增设水平加强筋，墙体水平配筋率宜大于0.5，适当增 加墙体厚度，以提高抗裂能力。该新技术已在全国100多个重大工程应用，效果良好，其优点是 简化施工程序，加快模板周转，整体防水好，缩短工期和节省工程费。受到各方欢迎。本方法 是以抗放兼备，以抗为主的设计原则，在理论上尚需深入研究，施工实践是可行的，但要不 断总结提高。我们愿与设计、施工的结构工程师通力合作，让这一无缝抗裂设计新方法获得进 一步的推广应用，逐步列入规范中，以促进我国结构设计施工的技术进步。 HPEC已经在很多重大工程取得成功应用。现将举几个近年施工的典型的工程实例。 一 高性能自密实膨胀混凝土在河南省人民医院新病房楼工程的应用 河南省人民医院新病房楼工程地下1层，地上22层，总高80.2m，平面为扇形，外弧长131m，宽 21m，混凝土强度等级C30、C40、C50、C60。底板混凝土C40、P12，厚1.85m，四层钢筋网片 ，上下层为直径28mm150mm，中间两层直径14mm200mm。由于本工程位于医院病房区，为解 决施工噪声扰民问题，经研究确定采用高性能自密实混凝土(商品泵送混凝土)。 1 试验研究 11 原材料 水泥：河南上街525号普通水泥，28d抗压强度55.0MPa，425号矿渣水泥，28d抗压强度 45.0MPa。 粉煤灰：首阳山级、郑州电厂级粉煤灰。 膨胀剂：北京CEA膨胀剂。 硅灰：山西忻州产硅灰，SiO2含量占92%。 砂：卢山中砂，细度模数为2.7，含泥量1.2%。 石子：新密粒径525mm连续级配碎石，含泥量0.3%，压碎指标8%。 外加剂：中建八局一公司YNB高性能超塑化剂，减水率28%，泌水率80%，抗压强度比140%。 12 高性能自密实混凝土工作性能指标及评价 高性能自密实混凝土拌合物应具有高流动性和良好的变形能力，且有较好的均匀性和稳定性 ，能填充钢筋和模板的空间，形成均匀致密结构。高性能自密实混凝土的流动性、粘聚性、均 匀稳定性、填充性和间隙通过性体现了工作性的全部。参考国内资料，提出高性能自密实混凝 土工作性指标为坍落度240260mm，扩展度大于600mm，Orimet法流下时间717s；扩展促中 边差10%；并用坍落度、扩展度、Orimet法、L形仪、扩展度中边差进行工作性定量评价。试 验用配合比见表8-1。表中C50、C60混凝土：525号普通水泥，粉煤灰级；C30、C40混凝土所 用材料；425号矿渣水泥，粉煤灰级。 13 高性能自密实混凝土的坍落度、扩展度及其损失 坍落度、扩展度作为高性能自密实混凝土工作性的便捷定量评价方法，在应用中同样存在坍 落度、扩展度损失问题。试验中发现，坍落度损失和扩展度损失并不同步，扩展度损失一般先 表现出来，这可能是由于扩展度的增加必须通过自身的流淌和重力的推动作用，使其拌合物一 起向前移动才能有效地表现出来。扩展度损失与坍落度损失原因相同，有物理、化学因素，试 验中通过改善外加剂的组成和掺入大量粉煤灰等有效措施，较好地控制了坍落度损失，1h的损 失小于10mm，扩展度1h的损失后仍大于600mm。 15 高性能自密实混凝土的力学性能和耐久性能 在同材料、同配合比条件下做真捣和免振的28d标养强度试验及自密实混凝土的抗冻、抗渗 试验。经检测其抗压强度基本一直，在5%范围内波动，见表8-2。底板C40、P12混凝土的抗冻 等级达F100，抗渗等级达P40。 2 高性能自密实混凝土的施工 本工程地下室为超长结构，其底板为1.85m厚C40大体积混凝土，地下室外墙为C60。施工中 要考虑混凝土的工作性、力学性能，而且要较好地控制混凝土裂缝。C40底板混凝土一次浇筑完 成，C60外墙设计后浇带，分段浇筑，较好地解决了裂缝问题。 混凝土拌合的投料顺序为砂、石、水泥、膨胀剂、粉煤灰、外加剂，搅拌3min后出料。底板混 凝土采用蓄热养护法，覆盖一层塑料布，二层麻袋，保持麻袋湿润，7d后改为浇水养护；外墙 及柱拆模后，外包麻袋浇水养护。 对底板5020m3自密实混凝土历时2d一次浇筑成功，混凝土坍落度250mm，扩展度600mm，混 凝土强度平均值44.3MPa；C60混凝土地下部分1700m3，试件抗压强度平均值65.7MPa，施工完 成后，对底板自密实混凝土进行抽芯和抗冻、抗渗检测，芯样强度47MPa，成型试件抗冻等级 F100，强度损失率8%、重量损失率3%，抗渗等级P40。各项指标均满足了设计和施工验收规范 的要求。 二 流态泵送膨胀混凝土在中国科学院高能物理所高层板式住宅楼工程的应用 1、工程概况 该工程结构采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙体系，地下二层，地上十五层。该工程结构尺 寸为：地下室底板长83.58米，宽16.46米，底板厚0.7米，地下室外墙厚0.3米，人防层顶板厚 0.3米，正负0顶板厚0.15米；上部结构，外墙厚0.16米，首层至14层楼板厚0.1米，屋面、水 箱间厚0.15米。该工程为超长结构工程，对于地下室又涉及混凝土自防水，且底板为大体积混 凝土，须适当控制水化热。地下室底板、外墙和顶板混凝土强度等级均为C30，抗渗等级P8, 地上部分混凝土强度等级也为C30，无抗渗要求，后浇带混凝土强度提高一级，为C35，所有混 凝土均掺加WRA膨胀防水剂制作补偿收缩混凝土（注： WRA膨胀防水剂是CSA膨胀剂与减水剂复 合产品）。采用泵送混凝土施工。 由于该工程地基状况复杂，为消除可能存在的地基不均匀沉降问题，结构设计沿长度方向设 置了三条后浇带，后浇带混凝土在大面积混凝土浇注完成后60天后二次浇灌。 2、HPEC混凝土及配合比 由于该工程结构尺寸超过现行结构设计规范要求，工程构造要求又不允许设置伸缩缝，设计 与施工单位决定采用中国建筑材料科学研究院专利技术超长钢筋混凝土结构无缝设计与施工技 术，由中国建材院提供技术服务。 原材料技术条件如下：水泥为新港皇牌P.O 32.5普通硅酸盐水泥；砂：二区中砂，河砂， Mx=2.3-3.0, 含泥量小于3%；石子：碎石，粒径5-25mm, 连续级配，含泥量小于1% ；粉煤灰 ：天津华能电厂，一级粉煤灰，需水量比为90%；膨胀防水剂：WRA膨胀防水剂；水：洁净自来 水。 对工程各部位混凝土配合比设计如表8-3 3、工程施工 该工程从今年4月份开始浇注混凝土，现已完成地下两层和地上8层施工，所施工混凝土全部 满足强度、抗渗指标，施工和易性好，混凝土底板、墙板、各楼层顶板混凝土均未出现裂缝， 地下室无渗漏水现象。 三 北京经济技术开发区检验检疫综合业务实验楼地下室HPEC混凝土冬季施工技术及应用 （结构自防水、超长无缝施工） 1、工程概况 该工程地下室部分施工为冬季施工，施工时间在2002年1月至2002年2月。该工程为一级一 类建筑，结构采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙体系，地下一层，地上六层。该工程地下结构 尺寸为：底板长65.6米，宽32.55米，板厚0.5米，地下室外墙高度为8.45米，外墙厚0.35米 ，顶板厚0.2米。按照结构设计要求，地下室底板、外墙和顶板混凝土强度等级均为C35,抗渗 S8, 沿长度方向在6#-7#轴间设置一条后浇带，带宽0.8米，后浇带贯通至地下室墙板和楼板， 按照施工验收规范，在混凝土浇注后40-60天回填。 由于该工程结构尺寸超过规范要求，工期要求又不允许设置后浇带，施工单位决定采用中国建 筑材料科学研究院专利技术超长钢筋混凝土结构无缝设计与施工技术，以 CEA补偿收缩混凝 土实现，由中国建材院提供技术服务。 根据结构设计的配筋情况，按照超长施工的技术要求，对CEA混凝土进行了变形验算，认为 本工程采用超长无缝施工技术可以解决不留后浇带、一次浇注成型的问题。底板配筋完全满足 无缝施工要求，侧墙非常容易开裂，为了分散变形、防止裂缝，在重点部位适当增配分散变形 的细钢筋。 2配合比优化设计 超长施工混凝土的限制膨胀率是控制混凝土开裂的至关重要的指标，应根据膨胀剂的膨胀值 确定其最佳掺量，优化混凝土配合比。 根据结构设计要求，本工程地下室混凝土为强度等级C35，抗渗等级S8，掺加CEA混凝土膨胀 剂达到抗裂防渗效果；施工上要求采用泵送混凝土施工，入模坍落度以14-18cm为宜，并满足 冬季施工技术要求。 原材料技术条件：山东铝业普硅水泥，ISO强度等级为32.5R；潮白河中砂，Mx=2.5,含泥量 小于3%；潮白河碎石，粒径5-25mm, 含泥量小于1% ；河北蓟县一级粉煤灰；北京产CEA膨胀剂 ，符合JC476-2001标准；北京城龙外加剂厂生产的YGU-1防冻剂, 掺量4.0；洁净水。 对地下室各部位混凝土配合比设计如图8-4 注：在各配合比中，胶凝材料总用量为430kg/m3,砂率为42%，水胶比为0.42 实际加水量应以控制混凝土出机坍落度为18-20cm,入模坍落度为14-18cm为宜，做适当调整 膨胀剂掺入量底板、顶板为8%，墙板为9%，这是以膨胀剂水养7天限制膨胀率为0.03%左右来设置的。防冻剂掺量为4.0%。 三、施工 严格按照实验最终确定的混凝土配合比投料搅拌，膨胀剂、防冻剂、粉煤灰等一定要正确计 量；搅拌要保证混凝土均匀；控制加水量使得出机和入模坍落度完全满足工程要求；要求振捣 密实，混凝土初凝后、终凝前必须进行二次抹面，以消除表面塑性收缩裂缝。 膨胀防水混凝土养护特别关键，又值冬季施工，严格按照防水混凝土和冬季施工混凝土的技术 规范要求进行施工，在混凝土浇注完成并二次抹面后，应立即覆盖草袋、麻包等养护材料于底 板、顶板上面，进行保温、保湿养护14天。墙板养护为达到保温保湿效果，要求使用木质模板 ，浇捣后3天脱模。 对浇注混凝土的强度、抗渗、坍落度和限制膨胀率等指标均按要求进行了测定，所有指标满 足设计和施工要求。施工后对地下室进行了结构验收，结构施工质量状况良好，未出现裂缝和 渗漏水现象。四、东直门交通枢纽交换大厅梁板CSA混凝土无缝施工 在混凝土中掺加CSA膨胀剂，进行超长结构无缝施工是可行的，掺加CSA膨胀剂的混凝土超 长结构无缝施工技术有效地解决了东直门交通枢纽交换大厅梁板混凝土大面积施工而不设后浇 带的难题，大大加快了工期。经现场观察，没有出现混凝土贯穿裂缝，完全满足规范和设计院 规定裂缝宽度不超过0.2mm的要求。 在应用中，并不是掺加了CSA膨胀剂后混凝土就不裂，而是必须根据混凝土的特点和施工季 节，根据混凝土的结构尺寸等情况，首先进行混凝土抗裂分析，根据混凝土抗裂分析要求的混 凝土膨胀量，设计混凝土的配合比，确定CSA的最佳掺量，在设计和试配补偿收缩混凝土配合比 时，除进行强度等常规指标的检测外，必须进行混凝土限制膨胀率试验，只有这样，才能设计 出抗裂性能好的补偿收缩混凝土。 混凝土的拌合、振捣、养护等各个环节的质量关是否把好，是实施过程中的关键环节，必须 有专人负责，落实到位。 1、施工用混凝土配合比 由于委托建材院进行技术服务时，本工程第三区的钢筋已经基本帮扎完毕，而混凝土试验尚 未到龄期，因此，为确保工期，根据以往的大量工程经验和已有的科研结果，偏于保守地确定 了第三区地混凝土配合比，各材料用量如下： 在第三区混凝土中，CSA的掺量为10。混凝土28天强度普遍偏高，达135。 第一、二、四区混凝土，根据试验结果和第三区的部分强度情况进行了调整，调整后的混凝 土配合比如下： 调整后的混凝土配合比中，CSA的掺量为9，胶凝材料的用量进行了微量的下调。 2、混凝土凝结前性能 配制的混凝土合易性良好，混凝土无泌水现象，静态1小时坍落度损失2cm，动态坍落度损 失比静态要小，能满足本工程的泵送要求。试验室混凝土初凝1011小时，详见附件混凝土 凝结时间测定书，该凝结时间既可保证大面积混凝土施工时不出现冷缝，又能保证混凝土正 常拆模。 3、混凝土硬化后性能 硬化混凝土强度、限制膨胀率均满足设计要求，结构无开裂现象。 五、采用HPEC的部分工程简介 （1）青岛中银大厦地下结构占地面积6500m2(97.3mx66.7m),主楼地下4层，裙楼地下3层。主 楼为箱基础C50,深埋19.5m,底板厚度2.5m。边墙C50，柱子C60混凝土。C50 和C60混凝土约 5000-6000m3。整个地下室需抗裂防渗混凝土1200 m3。混凝土中掺加高性能UEA-V12%-13%， 配制成HPC。浇注地下室和承重结构，解决了大体积和高强混凝土的补偿收缩和裂渗问题。(2)首都机场停车楼该楼地下4层，地上1层，长262m*宽137m,总建筑面积16.7 m2，为预应力框架结构，除底板 42000万m3C40 、P8混凝土外，梁板、墙、柱均为C50、C60高性能混凝土，约为100 000 m3。 由中建一局华北公司施工；北京城建集团机场混凝土搅拌站供应HPC。为解决防渗问，采用北京 普通水泥525#，超低水泥用量（C50 300kg/m3;C60340kg/m3）掺入110 kg/m3-40 kg/m3细磨 矿渣粉，55 kg/m3复合形UEA。坍落度20cm-24cm，扩散度大于55cm，泵送性能好，28d强度达 110%-142%。有效的解决了混凝土水化热和收缩裂缝问题。该结构已完工，质量良好。（3）北京通产大厦该工程建筑面积：1000m2,其中底板混凝土5800 m3，厚度1.2m-1.4m，设计为C45、P8混凝 土，属大体积混凝土，要求可泵性好，水花热低，一次浇筑。为此采用北京525#普通水泥， 300 kg/m3 ，磨细矿渣粉12 kg/m30，UEA50 kg/m3和高效减水剂。混凝土坍落度18cm- 22cm，72h浇筑完毕。底板混凝土最大温差19，R28达119%-139%， R60平均达、 63.7MPa,14d后检查混凝土表面无裂缝。 （4）北京建华花园该工程地下3层，地上25层，长99.8m87m。底板处于18m，厚度分别为1.2m，2m和 2.5m，挡土墙厚40cm，总防水混凝土量15 680m3，设计为C40、P8混凝土，柱墙为C50、 C60混凝土。我院科龙抗裂防渗技术中心提供技术服务。C40混凝土采用525水泥300kg，掺合 料145kg，UEA-H55kg，水胶比0.35。该HPC混凝土坍落度20cm23cm，1.5h损失2cm3cm， 泵送性能良好。R28达118125，平均达49.5MPa。 （5）呼和浩特市鼓楼立交桥1996年冬季正是该立交桥紧张施工期，气温1520，为不延误整个工期，达到安 全可靠，立交桥接头处决定采用UEA补偿收缩高性能混凝土，强度C50等级。在这种气温下，使 用这样新型混凝土，施工单位还是第一次应用。经数次检查混凝土质量良好，强度发挥正常， 获得施工单位的好评。1997年7月立交桥投入正常使用。 （6）国家体育场国家体育场石北京2008年奥运会主会场，由中国建筑设计院设计，该体育场为椭圆形，总长 450m，总宽450m，地下一层，上面为8万人看台，顶盖为 鸟巢状钢结构，总建筑面积为 25.8万m . 底板为桩板结构，厚650mm，边墙厚100mm. 防水混凝土设计为C P .为解决超长结 构的裂渗难题，底板设计采用UEA补偿收缩混凝土；边墙采用惨聚丙烯纤维的补偿收缩混凝土， 看台采用部分予预应力的纤维混凝土，为加快施工进度，采用中国建材院的补偿收缩混凝土无 缝设计与施工专利，并提供技术支持，该工程由北京 城建集团总承包。 （7）北京东方广场北京东方广场工程位于王府井大街，总建筑面积875000m2，地上由十三幢单体建筑组成， 地下室四层，局部三层，总长约500m，总宽约250m，底板面积85000 m2，底板厚2.2m 1.2m，局部5.1m，边墙厚40cm50cm。香港巴马丹拿国际公司和北京市建筑设计院设计，北京 建工集团承建，中国建筑材料科学研究院提供技术服务。混凝土设计等级C35、C40，抗渗标号 P8。采用UEA补偿收缩混凝土达360000 m3。该超大型地下结构以沉降缝划分若干区段，每区段 均属超长，区段间以膨胀加强带连续浇筑。该建筑是目前国内最大综合商业建筑工程，获北京 市结构长城杯殊荣。 （8）首都国际机场新航站楼航站楼呈工字型，建筑面积260 000m2，纵向长747.5m，横向长342.9m，地下一层，地上 三层，现浇框架结构。为扩大空间，北京市建筑设计院采用无梁楼板预应力设计，由于楼板面 积达100 000m2之巨，以20m左右划分若干区段，纵横铺设无粘结预应力钢绞线，用C60补偿收 缩混凝土分区浇筑，每区之间设2m宽膨胀加强带，混凝土抗压强度达到设计等级8090时 ，施加预应力和锚固，然后用C65膨胀混凝土回填膨胀加强带；现场100组试件，平均强度 69.2Mpa，标准偏差3.6Mpa。14d限制膨胀率为1.89104 ，180d自由收缩率在1.510 44.0104，比普通混凝土减少30左右。评为国家重点优质工程。 （9）珠海拱北口岸广场广场总总长248m，总宽190m地下三层。顶板以上为露天广场，顶板厚350mm400mm， 面积470 000m2，珠海市建筑设计院设计，中国建筑材料科学研究院提UEA补偿收缩混凝土结构 自防水和无缝技术服务。无梁楼板为部分预应力设计。整个顶盖设六条后浇膨胀加强带和四条 施工缝，分24块，板中央区面积为139m131m，其余面积不等；12m跨中板带底筋为 180150，20150；16m跨中板带底筋为20150，面筋22150，各区楼盖敷设无粘结 筋15.2钢绞线，预应力筋的有效预应力值为1 116N/mm2。为防止混凝土板早期开裂和减少混 凝土后期收缩，顶盖全部用C35，P6UEA混凝土分块浇筑；施加预应力和锚固后，以C40P6膨胀 混凝土回填加强带。 （10）北京西客站预埋地铁工程全长513m，包括区间、车站及折返线，采用明挖法施工，基坑最深为17m，地车站总建筑 面积3055m2。地下一层为站厅层，呈T型，南北长216.2m，南端宽86.2m，北端宽153.2m。 地下二层为站台层，宽38.2m，长214.4m。北京市城建设计院设计，采用UEA混凝土结构自防水 合SBS卷材的刚性柔和二通道防水方案。由于结构超长，车站总向设二个变形缝，分段长度 84.6m、71.6m、60m。但是，分段后仍属超长，故在美结构段的中央、底板、边墙和顶板留一 膨胀加强带，带两侧浇筑惨1020UEA的微膨胀混凝土（膨胀率为21043104） 。带内浇筑惨1415UEA的大膨胀混凝土（膨胀率为41045104） ，实现无缝设 计连续作业。