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无声膨胀剂掺量怎么确定

在混凝土中添加适量膨胀剂是为了减少混凝土收缩,预防和减少混凝土开裂的措施,但在工程实践中一些工程添加了膨胀剂一却产生了不同程度的渗漏和开裂。膨胀剂在混凝土中使用受到结构类型、混凝土的内外约束,环境条件和混凝土配合比及混凝土原材料等多种因素影响,有时这些因素相互影响,相互联系。因此,膨胀剂不是不分场合一掺就灵,一掺就不裂的法宝,膨胀剂的使用是有一定条件限制的,是受多种条件制约的,是有其适当应用范围的。

(一)膨胀剂掺量怎么确定

从实践上看,很多技术人员都是根据混凝土的强度和抗渗等级来确定混凝土配合比和膨胀剂掺量,或者直接按照膨胀剂厂家的推荐掺量进行掺加。其实,膨胀剂的掺量应该以限制膨胀率为主要技术指标进行掺加,通过调整膨胀剂的掺量,满足限制膨胀率的要求。

(1)膨胀剂的用量计算。

膨胀剂本身具有一定活性,可视为胶凝材料的一部分,水泥和膨胀剂为胶凝材料的混凝土,石头膨胀剂以等量取代水泥的内掺法施工时,膨胀剂用量mE和水泥用量mc为(单位:kg/m3)

mE=mco·K

mc=mco-mE

式中:K——膨胀剂取代水泥率;mco——基准混凝土配合比中的水泥用量。

以水泥、掺合料和膨胀剂为胶凝材料的混凝土,以等量取代胶凝材料的内掺法施工时,水泥用量mc、掺合料用量mF和膨胀剂用量mE为(单位:kg/m3)

mc=mc′(1-K)

mF=mF′(1-K)

mE=(mc′+mF′)K

式中:mc′——基准混凝土配合比中的水泥用量;mF′——基准混凝土配合比中掺合料用量;K——膨胀剂取代胶凝材料率。

膨胀剂发生膨胀主要是在成型后的1d~7d,钙矾石膨胀对水泥结构的微小破坏,混凝土早期强度随膨胀剂的掺量增加而降低,后期强度能赶上甚至超过不掺膨胀剂的基准混凝土。一般而言,膨胀剂掺量在12%以下会引起混凝土强度下降,在后浇带或膨胀加强带施工时,使用膨胀剂掺量若>12%,可提高一个混凝土强度等级。随膨胀剂掺量的提高,混凝土拌合物坍落度损失随之增加。

《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119-2013)指出,膨胀混凝土的胶凝材料为水泥、掺合料和膨胀剂的总和,考虑到补偿收缩效应,补偿收缩混凝土的胶凝材料不能少于300kg/m3,膨胀剂掺量不宜大于12%,不宜小于6%;填充用膨胀混凝土的膨胀剂掺量不宜大于15%,不宜小于10%。

(2)约束条件

对于混凝土结构来讲,无约束的自由收缩不会引起开裂,而会使混凝土内部结构紧密;无约束的自由膨胀会使混凝土内部结构疏松,甚至开裂;有约束的收缩,会使混凝土内部产生拉应力,当拉应力大于或等于混凝土的抗拉强度时,混凝土则会开裂;有约束的膨胀,会使混凝土内部结构紧密,不会引起混凝土开裂。

掺有膨胀混凝土只有在约束条件下才能产生预压应力形成膨胀变形来补偿混凝土的收缩变形,产生这种约束条件可以分为内约束和外约束。混凝土内部的混凝土变形受到其内钢筋的限制和阻碍形成内约束,混凝土变形受到外部模板、界面及相邻构件或部位的限制和阻碍形成外约束。混凝土收缩受到内约束或外约束时就会产生拉应力,当该应力等于或大于混凝土抗拉强度时,则混凝土就要开裂。对于混凝土来说,限制和阻碍膨胀变形的约束是混凝土开裂的必要条件,约束要适当,不能过大,也不能过小。若约束过小而膨胀率过大会产生过大变形,导致混凝土结构疏松、混凝土强度降低,甚至引起开裂;若约束过大而膨胀率过小,则膨胀不足以补偿收缩,仍有开裂的可能。钢筋是产生混凝土膨胀变形的内约束重要因素,合适的配筋率及恰当的分布是限制混凝土膨胀变形的条件。一般来说,配筋率达到0.4%以上时,才具有限制混凝土膨胀的作用,而且钢筋布置要细而密。混凝土膨胀变形的外约束,也同内约束一样,也必须适应混凝土的膨胀变形。

(3)膨胀率

混凝土膨胀率随膨胀剂掺量的增加而增大,但不成正比例关系。正因为膨胀剂掺量与混凝土膨胀率密切相关,因此,膨胀剂掺量一定要合理和适宜,计量一定要准确。

混凝土的限制膨胀率随其混凝土强度的提高而增大,但也不成正比例关系。正因为混凝土强度与膨胀率密切相关,采用合适的限制膨胀率与合适的膨胀剂非常重要,应由试验而定。显然,不论混凝土等级大小而采用同一掺量是不对的,与混凝土强度相关的水泥用量也和混凝土的限制膨胀率关系很大,在水胶比一定的条件下,水泥用量大则混凝土的限制膨胀率也大。能使混凝土适度膨胀的补偿收缩混凝土,当其膨胀受到约束而在混凝土中产生压应力时,一般情况下,预压应力可达0.20MPa~0.70MPa,设计人员和施工人员可根据混凝土结构和部位,以及所需预压应力的大小,选择最佳膨胀剂的掺量。

除此之外,混凝土的膨胀率还与水中C3A矿物含量、水泥中SO3含量、不同品种水泥中混合材料数量、混凝土中掺合料品种和数量、混凝土水胶比及养护温度和湿度等诸多因素有关。因此要根据所用材料进行混凝土配比试验,在满足混凝土强度、抗渗等级及坍落度的情况下,还要满足不同结构和部位混凝土限制膨胀率的要求。一定要进行限制膨胀率检测,膨胀剂生产厂家出厂说明书上的膨胀剂掺量只能作为参考掺量,不可作为施工掺量的依靠。

(二)不同部位用量要有差异

按照前面所说的,膨胀剂的掺量应根据限制膨胀率的要求进行,那么,不同的工程结构及部位,其限制膨胀率是有差异的,膨胀剂的掺量也不应相同。例如:地下工程的混凝土底板,混凝土的限制膨胀率宜为0.020%~0.025%;混凝土墙体宜为0.030%~0.035%。填充用的混凝土膨胀率比普通混凝土结构的要大一些,例如后浇带或膨胀加强带的带外应用膨胀率较小的0.020%~0.025%膨胀混凝土,而带内则应用膨胀率较大为0.035%~0.045%,甚至更大为0.040%~0.060%的大膨胀混凝土。

(三)构造钢筋设置差异

掺有膨胀剂的混凝土是在内约束和外约束共同作用下进行工作的,足够的配筋是产生内约束的保证。混凝土内的受力钢筋和构造钢筋对有效膨胀能的利用和分散应力集中的作用很大,因此,应必须不同的结构和部位,按承载能力配置受力钢筋同时,合理布置构造钢筋,以受力钢筋和构造钢筋共同抵抗温度及收缩应力的作用。由于钢筋和混凝土能共同承担抗裂作用,膨胀混凝土则能通过合理配置钢筋,尽量把膨胀转化为预压应力,这就要求设计人员从设计上更好地合理限制混凝土的膨胀,建立有效的预压应力去抵消收缩引起的拉应力,防止混凝土开裂。

收缩和温度变化在混凝土中产生的约束拉应力是开裂的原因之一,设置温度及收缩构造钢筋有助于减少各种变形裂缝。受力钢筋和分布钢筋都能起到一定抵抗温度及收缩应力的作用,应在未配置钢筋的部位或受力钢筋数量不足的部位沿两个方向布置。

(1)楼板的配筋宜细而密,钢筋间距不宜大于150mm,配筋率宜为0.6%,楼面或屋面后浇带间距不宜超过50m。补偿收缩的防水混凝土屋面应配双层钢筋网,钢筋间距宜小于150mm,配筋率宜大于0.5%。

(2)混凝土墙体易出现竖向收缩裂缝,其水平构造钢筋的配筋率宜大于0.4%,水平钢筋的间距宜小于150mm,建议把其置于受力钢筋之外,以防应力集中和抵抗混凝土表面较大的拉应力。墙体中部或顶端300mm~400mm范围内水平钢筋间距宜为50mm~100mm,以此水平暗梁抵抗较大的水平应力。

一起浇筑的混凝土墙体与柱可能产生应力集中,往往在距离柱1~2m的墙体上产生竖向裂缝。为避免这种裂缝产生,在柱与墙体连接处插入长度为1500~2000mm、直径为8~10mm的加强构造钢筋,且钢筋插入柱内200~300mm,插入墙体1200~1600mm,其配筋率应提高10%~15%。

(3)在结构的开口部位及阴阳角、变截面部位及凸出、内凹部位,经常会发生应力集中裂缝,应适量增加构造钢筋。受温差及温度影响较大的与室外相连接出入口处也宜增加适量构造钢筋。

(4)混凝土底板、路面和地坪的厚度相对其他两个方向很小,外约束主要来自基底和两维邻位,其约束拉应力沿基底向上逐渐减弱,可不配置内约束钢筋。面积大的楼板结构应根据补偿收缩对膨胀的限制程度来计算配筋率。对于板厚度较大的板面,除在板底下部布置钢筋外,还应在沿厚度方向自表面以下1/3处配置双向构造钢筋。楼板的阳角及阳角、板端、顶层屋面等部位,在楼板上部和下部都按计算进行双层及双向配筋或布置钢筋网,有时未考虑膨胀剂的掺入对配筋影响使约束膨胀的配筋率明显不足。

(7)墙体工程一般拆模较早,养护困难,受温度和湿度影响大,蒸发快,易造成开裂。墙体宜采用直径10~16mm,配筋间距不大于150mm,且墙体的水平构造钢筋的配筋建议不应小于0.5%。在柱与剪力墙的连接处增设增设拉筋,且最小配筋率不宜小于0.2%~0.25%。

(四)伸缩缝、后浇带的设置

膨胀剂补偿收缩混凝土由于能减小最终收缩,推迟了混凝土收缩过程,可以适当增大最大伸缩缝间距,但不可省去不做,草率地过大增加伸缩缝间距,一般不宜超过50m~60m。具有可靠经验时,可适当增大伸缩缝间距,但不能用后浇带或膨胀加强带代替伸缩缝,更不能省掉后浇带或膨胀加强带。

混凝土1个月的收缩量约为最终收缩量的40%,3个月的收缩量能达到60%。后浇带应在膨胀剂混凝土收缩基本稳定后进行,最早宜在混凝土浇筑后的6周内补浇。

(五)混凝土养护

充分的湿养护是水泥水化和膨胀剂组分化学反应的基本保证,不论是硫铝酸钙类还是氧化钙类膨胀剂,在其发生体积膨胀时,都需要有水的参加,仅靠拌合水难以发挥抗裂性能。混凝土膨胀率在水中养护条件下至少要在14d后才趋于缓和,因此膨胀混凝土宜采用蓄水养护不少于14d。养护不充分或者停止养护,将产生较大的自收缩而出现裂缝。

施工中注意的问题

施工单位对建筑结构的裂缝十分头痛,认为混凝土中加入膨胀剂就能解决裂缝问题,这也是个误区。除了设计上保证合理配筋和补偿收缩混凝土的配合比保证足够的限制膨胀率外,施工管理则是关键。

1)工地或搅拌站不按混凝土配合比掺入足够膨胀剂是普遍存在的现象,这样造成浇筑的混凝土的膨胀效应极低,何能补偿收缩?这是首要一关,必须加强管理,确保膨胀剂掺量的准确性。

2)现场拌制混凝土的拌合时间要比普通混凝土延长30S,以保证膨胀剂和水泥、减水剂拌合均匀,提高其匀质性。商品混凝土拌合时间不少于10S。

3)混凝土布料、振捣要按施工规范进行。

4)膨胀混凝土要有充分的湿养护才能更好地发挥其膨胀效应,必须重视养护工作。即使普通混凝土也要按规范充分养护。只不过对膨胀混凝土提出更严格的养护要求,养护期不得少于14d。

5)边墙出现裂缝是个难题,要求混凝土振捣密实、匀质。有的单位为加快施工进度,浇筑混凝土1~2d内就拆模,其实这时混凝土的水化热温升最高,拆模过早造成散热快,加大了墙内外温差,更易出现温差裂缝。施工实践证明,墙体宜用保温较好的胶合板支模,混凝土浇完后,在顶部设水管慢淋养护,墙体宜在第3~5d拆模,然后尽快用麻包片贴墙并喷水养护,保湿养护10~14d。受阳光直照面要用塑料布遮挡。

6)即使用补偿收缩混凝土浇筑的墙体,也要以30~40m分段浇筑,每段之间设2m宽膨胀加强带,并设钢板止水片,可在14d后用大膨胀混凝土回填,养护不少于14d。

7)底板宜蓄水养护,或湿麻袋覆盖养护,冬施要用塑料薄膜和保温材料进行保温保湿养护;楼板宜用湿麻袋覆盖养护。

8)即使采取各种措施,尤其是强度等级C40以上的混凝土,墙体也难免不出现裂缝。但是膨胀剂可以防止和减少裂缝的数量,减小裂缝宽度。据我们调研,补偿收缩混凝土墙体裂缝,大多数为宽度小于0.2mm、深度20~30mm的表层裂缝,为无害裂缝,在潮湿环境中,微裂缝可以自愈。裂缝修补原则:宽度小于0.2mm的非贯穿裂缝不用修补;宽度大于0.2mm的非贯穿裂缝,可以凿开30~50mm,用掺膨胀剂的水泥砂浆修补;对于贯穿裂缝可用化学灌浆修补。为防止地下水中的有害离子对墙体的侵蚀,并弥补缺陷,我们建议在侧墙外壁用可湿作业的聚合物水泥基防水涂料做一层防水保护层。

9)混凝土浇筑完毕后,建筑物进入使用阶段,有些单位不注意建筑物的维护保养,致使其在竣工之前就出现裂缝,这是温度和湿度变化引起的,因此,地下室完工后,要及时回填土;楼层尽快做墙体维护结构;屋面要尽快做防水保温层。



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