氧化镁补偿收缩抗裂综合技术在地下工程中的应用研究

来源:用户上传      作者:毛祖夏

　　摘  要：为了提高地下建筑混凝土抗裂防渗性能，某医院门诊综合楼地下车库工程采用氧化镁补偿收缩抗裂综合技术：在混凝土中掺入镁质高性能混凝土抗裂剂，成立“地下工程混凝土质量控制QC小组”进行工程质量管控，通过设计、材料、配合比、施工和管理等方面采取综合技术措施。实体结构监测数据表明筏板基础混凝土各部位收缩均得到了长期的补偿，混凝土的体积变形受内部温度和养护条件的影响较大。地下车库主体建筑浇筑后180d未出现有害裂缝，镁质高性能混凝土抗裂剂在本工程中发挥出较好的抗裂防水效果，为氧化镁补偿收缩抗裂综合技术的应用提供了相关经验和数据支撑。
　　关键词：氧化镁  补偿收缩  抗裂  工程质量  施工
　　中图分类号：TU755    文献标识碼：A 文章编号：1674-098X（2020）02（a）-0014-06
　　我国在20世纪70年代初就开始了对氧化镁混凝土筑坝技术的研究与应用，经过40多年的基础理论和工程应用研究，工程技术人员全面掌握了外掺氧化镁混凝土的物理力学性能及长期膨胀变形规律[1]。
　　除应用于水利水电工程外，氧化镁混凝土还可以应用于普通工业、民用建筑工程、地下工程及交通工程等[2]。针对工民建工程混凝土特点，已开发出镁质高性能混凝土抗裂剂等产品，该类材料的持续稳定膨胀特性已被工程界所认可，并主要应用于补偿混凝土早期的温降收缩和中后期的干燥收缩，使混凝士体积保持稳定，减少裂缝产生[3]。
　　温州七都片区七都片区西单元05-C-01地块建设工程中，筏板基础采用胶凝材料6%～7%的镁质高性能混凝土抗裂剂，经验收未发现有害裂缝及渗漏现象，浇筑28d后混凝土仍处于微膨胀状态[4];重庆市开州区地下综合管廊主体底板、侧墙及顶板混凝土掺入32kg/m3的氧化镁膨胀剂，管廊回填后长期观测未现裂缝和渗水，与掺入氧化钙-硫铝酸钙侧墙试验段相比，前期膨胀率较小、但长龄期膨胀总量较大且释放均匀稳定[5];徐州市高铁商务区某项目地下室外墙防水混凝土中掺入31kg/m3的镁质高性能混凝土抗裂剂，拆模后未出现贯穿裂缝，并通过对比试验发现粉煤灰掺量越大，氧化镁混凝土膨胀量越多在后期发展。
　　为进一步验证氧化镁补偿收缩抗裂综合技术在民建地下工程中的抗裂及防水性能。以某医院门诊综合楼地下车库的主体结构为例，通过采用补偿收缩混凝土抗裂防水技术，即在混凝土中掺入镁质高性能混凝土抗裂剂，并联合项目多方成员成立“地下工程混凝土质量控制QC小组”，保障镁质高性能混凝土抗裂剂在应用过程中发挥出应有的抗裂效果。通过多手段，研究镁质高性能混凝土抗裂剂在混凝土中的抗裂表现。
　　1  工程概况及难点分析
　　本工程为某医院门诊综合楼地下车库。地下建筑面积约16000m2，地下2层，层高3.6m，顶板覆土1.5m和2.1m。结构形式为无梁楼盖结构，采用筏板基础。现浇楼盖体系，部分区域采用空心楼板。地下室抗渗等级为P8，地下室底板、侧墙采用防水混凝土，筏板基础混凝土强度等级为C30，墙柱混凝土强度等级为C45。
　　通过对相关技术图纸、地勘报告等资料分析和实地勘察，总结出本工程主要存在以下3个技术难点。
　　（1）对于筏板基础超长结构部位，对混凝土的施工要求更严格，整体性要求更高，防止收缩裂缝至关重要。
　　（2）变截面位置多，厚度大部位降温慢，厚度小部位降温快，易产生不均匀收缩，在变截面位置开裂风险高。
　　（3）地下室底板现场两台地泵浇筑，由于现场浇筑面积较大，且地泵在拆管移位过程中费时，施工过程中极易出现施工冷缝。
　　2  综合抗裂技术应用
　　通过以上情况的分析，本工程混凝土裂缝产生的原因与材料的物理化学性质有关、受施工过程控制影响，进行裂缝控制的目的在于预防有害裂缝。
　　2.1 后浇带设计优化
　　本工程地下室筏板基础尺寸约为260m×3.29m，是典型的超长结构。如图1所示，原设计做法在结构上每隔30～37.5m设置一道温度收缩后浇带，把整体结构分为7块，分别浇筑混凝土，须待其两侧混凝土浇筑45d后，用高一级强度等级的补偿收缩混凝土灌封密实。
　　根据本工程的具体情况，经专项技术论证后确定采用“超长无缝设计施工方法”，将传统的温度收缩后浇带设置成膨胀加强带，减少部分温度收缩后浇带，将部分温度收缩后浇带优化成连续式膨胀加强带或者后浇式膨胀加强带，尽可能地保持结构的整体性;同时采用镁质高性能混凝土抗裂剂配制的补偿收缩混凝土技术处理膨胀加强带。根据工程实际情况和特点，在工程中进行超长结构无缝施工的温度收缩后浇带优化如图2所示。
　　2.2 原材料性能
　　本工程混凝土原材料产地及技术指标如下。
　　（1）水泥：武鸣红狮水泥“红狮”牌的P·O42.5硅酸盐水泥，控制水泥的碱含量<0.6%，C3A含量≤8%，可减少早期水化热。
　　（2）粉煤灰：钦州壮盛建材Ⅱ级粉煤灰，细度（45μm方孔筛筛余）≤15%，需水量比≤100%。
　　（3）细骨料：选用颗粒坚硬、强度高、耐风化的天然河砂，细度模数为2.6～2.9的Ⅱ区中砂，含泥量≤2.5%。
　　（4）粗骨料：选用粒型较好的碎石，最大公称粒径≤38mm，粒径控制为5～25mm，粗石、细石混合使用的混合级配其紧密堆积空隙率不应大于40%，且不得使用具有潜在碱活性的骨料。
　　（5）减水剂：采用广西亚仔科技生产的YZ-1缓凝型高效减水剂，减水率≥25%，2h坍落度损失小于20mm。
　　2.3 混凝土配合比设计
　　抗裂混凝土配合比设计是保证混凝土降低开裂风险的重要措施之一。在满足现场施工工作性能要求并保证混凝土强度。按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011要求设计。 　　为保证混凝土的进场质量与抗裂性能，本工程混凝土原材料按以下技术指标进行选择。
　　（1）粉煤灰掺量为25%～30%，少掺或不掺矿粉，掺合料总量控制在35%～40%。
　　（2）底板混凝土坍落度为160±20mm，侧墙混凝土坍落度为180±20mm，1h坍落度的经时损失≤20mm。
　　（3）现场混凝土拌合物的含石率<1100kg/m3。
　　（4）使用镁质高性能混凝土抗裂剂，产生持续补偿收缩的效果，补偿混凝土的温度收缩和干燥收缩，降低温度应力开裂风险，推荐掺量为6%～8%。
　　本工程防水混凝土采用补偿收缩混凝土提高混凝土的抗裂性能，其限制膨胀率设计按工程标准《混凝土用镁质高性能混凝土抗裂剂应用技术规程》T/CECS 540-2018规定，针对本工程结构部位的设计混凝土限制膨胀率要求如表1所示。
　　针对以上混凝土的配合比设计指标，试验室根据当地原材料优化了混凝土配合比，经过多次混凝土关键性能试验验证提出实际生产混凝土配合比，并监督搅拌站应严格按照确定的混凝土配合比生产，实际生产配合比及现场混凝土工作性能指标见表2。
　　2.4 质量管理小组
　　为确保本地下工程的防水施工质量，通过项目实施过程中的质量控制措施，有效预防和处理可能发生的质量事故，最终实现本地下工程的抗裂防水质量目标，本工程多方人员成立“地下工程混凝土质量控制QC小组”。地下工程混凝土质量控制QC小组各参与方及职责分工如下。
　　（1）建设单位：协调各方，确定方案并组织评估和验收;（2）施工方：严格按照确定的施工方案施工;（3）抗裂剂厂家：制定施工方案，现场技术指导;及混凝土施工过程跟踪，对施工过程中出现的紧急情况提出处理性建议;（4）监理单位：监督施工队伍的混凝土施工质量，验收施工各工序要求;（5）攪拌站：提供满足方案要求的合格混凝土。
　　2.5 施工过程
　　（1）混凝土生产。
　　由抗裂剂供应商派专员与搅拌站技术人员作为混凝土质检专员，每隔1h监测砂石含水率，并实时反馈至搅拌楼，对实际配合比进行调整。计量准确性建立每8h定期的抽查制度，称量精度：骨料±1.5%，粉料±1%，拌合水±1%，外加剂±1%。质检专员驻守拌合楼进行人工投料及计量，每进行一次混凝土供应任务即核对一次用量，精准把控用量直至工程结束。掺镁质高性能混凝土抗裂剂补偿收缩混凝土的搅拌时间比普通混凝土的搅拌时间延长45s。
　　（2）浇筑。
　　根据后浇带优化本工程地下室筏板基础分为7块区域，按照①-②、③-④-⑤、⑥-⑦进行分阶段浇筑作业，每块浇筑区域间设置连续式膨胀加强带，采用超长无缝施工技术一次连续浇筑;每阶段浇筑之间设置后浇式膨胀加强带，待两侧筏板基础浇筑14d后回填，具体施工顺序如图4所示。
　　门诊综合楼地下室筏板基础①区于9月4日晚上20：00开始浇筑，整个浇筑过程天气为晴天，昼平均温度30℃，凌晨1时气温23℃。掺氧化镁混凝土由罐车运输至现场，运距约5.4km，由2台地泵浇筑。混凝土运送至现场后，查验送料单，并与搅拌楼QC小组混凝土质检专员确认每车均为掺氧化镁微膨胀混凝土，主体结构混凝土的抗裂剂掺量达到25kg/m3，膨胀加强带混凝土的掺量达到30kg/m3。QC质量小组由施工方现场技术专员检测到达现场的混凝土坍落度、拌合物和易性。当不满足要求时，及时反馈给搅拌站，由搅拌站质检专员即刻解决。截止9月5日晚上22：00浇筑完成，共计浇筑混凝土方量850m3。第一处膨胀加强带及②区域于当日23：00开始浇筑，截止次日晚上18：00浇筑完成，浇筑过程中间或伴有细雨，昼平均温度25℃，凌晨1时气温16℃。②区浇筑混凝土方量836m3，①-②作业段合计连续浇筑混凝土1686m3。
　　QC小组人员监督指导工人按要求对混凝土进行振捣，筏板基础混凝土浇筑采用“分层浇筑、分层振捣、自然流淌、一个斜面、一次到顶”的方法。振捣时做到快插慢拨，插点有序，无漏振，也不过振。浇筑时振捣密实，分层搭接及时，避免出现施工冷缝。分层浇筑时，振捣器插入下层混凝土内不小于50mm。振捣时间以混凝土泛浆，不出气泡为止。
　　（3）养护。
　　QC小组抽派专人负责抹面、养护工作，混凝土浇筑后人工抹面非常重要，可减少混凝土的塑性裂缝。本工程在混凝土失去流动性前，采用电抹刀抹面二次。筏板基础混凝土浇筑完后，摊平混凝土，进行第一次抹面和收光;待混凝土初凝时，使用电抹刀进行二次抹面，二次抹压后，立即用塑料薄膜覆盖，并确保湿塑料薄膜与混凝土表面紧密粘贴，相邻薄膜之间搭接6cm，人工排查空鼓、漏盖的现象。
　　QC小组的养护技术专员时刻关注外界环境及混凝土内外温度的变化，控制好混凝土降温速率，避免出现裂纹。并做好养护过程的记录。保湿塑料薄膜的拆除分层逐步进行，当混凝土的表面温度与环境温差小于20℃时全部拆除。混凝土终凝后直接洒水养护，保湿养护时间根据天气变化调整为7～10d。
　　2.6 工程异常情况处理
　　在工程项目的质量管理中，纠正过程质量问题是一个控制的重点。通过有效开展QC小组活动，在施工中及时发现质量异常情况，充分发挥各方人员的积极性和创造性，可以很好地做到及时反馈、及时解决。
　　QC小组成员首先进行了工程异常情况现状调查，对检查出的质量问题进行统计并绘出帕累托图（见图8），找出主要异常情况有施工冷缝、混凝土表观缺陷和基坑积水。QC小组针对上述问题对源头上进行进行调查，从“人、机、料、法、环”五个方面进行分析，找到末端原因。逐一制定改进措施，并在之后的施工过程中严格执行既定方案。QC小组进行对比总结，采取对策后上述工程异常情况出现频率降为3%。
　　（1）施工冷缝。
　　存在问题：由于整体浇筑面大，浇筑时间较长，过程中需拆管、接管，在新老混凝土接茬处存在施工冷缝。由于浇筑侧墙的混凝土钢筋较为密实，振捣难度大，造成下部混凝土提前初凝。 　　处理措施：①将已经凝结的混凝土表面凿毛并清理，浇筑同配比的砂浆后再进行后续混凝土的浇筑。②在分块浇筑时注意遮挡后浇带，用模板盖住以防止混凝土漏入后浇带中。③避免用振捣棒别钢筋下料，防止已经收面的混凝土被传导振裂，避免用振捣棒振动钢板止水带，防止已经浇筑完毕的混凝土与钢板止水带之间出现裂隙。④优化布料设备的布置，布料要到位，不留死角。⑤增加备用机械设备，浇筑过程中维修人员必须在浇筑现场随时应对突发情况。
　　（2）混凝土表观缺陷。
　　施工过程中，工人素质不一，若不进行督促，振捣工人经常未能及时进行混凝土振捣。主要存在以下缺陷：混凝土局部不平整，误差≥3mm/m，混凝土表面龟裂，混凝土表面气气孔偏多、偏大，色泽不均匀。
　　处理措施：①针对不同原因分别采取模板修饰整平;更换脱膜剂或调整脱膜剂涂刷方法，确保成膜不留残积;②加强模板密闭性的检查及过程检查，避免漏浆。③避免混凝土捣空，砂浆严重分离，石子成堆造成孔洞，主要应强化拌和，避免离析，同时加强施工振捣控制。
　　（3）基坑积水。
　　存在问题：在浇筑混凝土前遭遇连续降雨，导致基坑积水过多。现场解决办法为采用水泵抽水，但是由于基坑底部钢筋密实，水泵只能置于底部钢筋之上抽水，故截止水泵抽水完毕，仍有约20cm深积水无法抽出。
　　处理措施：①浇筑基坑混凝土时，与搅拌站联系，将电梯基坑内混凝土的塌落度适当降低，以免形成更大的泌水。②浇筑基坑内混凝土时，顺基坑一个方向浇筑，浇筑时应加大泵送混凝土的压力，将基坑模板下的积水赶至另一侧基坑顶，然后用水泵抽出。③要求各浇筑作业队自备两台小水泵，一备一用，及时处理基础内积水现象。
　　3  数据监测及分析
　　3.1 实体结构监测数据
　　在地下室筏板基础的①-②浇筑区域内埋设三支应变传感器，分别埋设于筏板中心处、筏板上表面、筏板膨胀加强带的中心处，其中筏板厚500mm，并通过扎丝将应变传感器的传输线捆绑接引至侧墙外侧。混凝土温度由温度传感器监测，同时采用温湿度计测量现场环境的温度。应变计及温度传感器的布置具体如图11～图13所示。
　　筏板基础混凝土入模温度27.2℃，筏板不同部位的温度曲线如图15所示：筏板表面于22h到达温峰，为41.8℃，筏板中心于24.5h到達温峰，为56.1℃，膨胀加强带中心于32h到达温峰，为63.5℃。筏板中心与表面温差达17.3℃，超过了规范中最大里表温差≤15℃的规定，且混凝土表面受环境温度影响较大，若养护不到位，极易产生温缩裂缝。过高的温度及较大的里表温差在降温过程中会带来巨大的开裂风险，因此，在混凝土降温过程中需要提供一定的膨胀来补偿由温度引起的收缩是解决混凝土开裂的关键所在。
　　筏板混凝土应变数据如图15所示，从综合应变数据来看，混凝土配比相同时，内部温度对掺镁质抗裂剂的混凝土膨胀率有较大影响：浇筑14d内筏板中心与表面温差在16℃以上;筏板基础混凝土中心处平均温度高于40℃。该处混凝土限制膨胀率明显高于表面处的混凝土，最大膨胀率相差316×10-6，这因为40℃以下温度镁质高性能混凝土抗裂剂的水化反应较为缓慢。在环境温度相同的情况下，混凝土温升越大温降时产生的温度收缩越大，而氧化镁混凝土的膨胀率越大，氧化镁的这种温度敏感性能更好的匹配温度收缩。28d后筏板混凝土变形由膨胀转为收缩，各部位均稳定在60×10-6收缩值以内，但此时混凝土抗拉强度已发展完全，能够抵御这部分收缩拉应力，混凝土的开裂风险较低。
　　从温度修正应变数据来看，掺镁质高性能混凝土抗裂剂的混凝土结构在7d的养护期内持续膨胀，停止养护后自生膨胀率缓慢降低，这是因为混凝土开始发生持续的干燥收缩;28d后自身持续保持微膨胀，且膨胀值保持稳定，证明镁质高性能抗裂剂能能够补偿长期的干燥收缩;对比相同龄期不同埋设深度的应变数据发现，离浇筑面越近的混凝土自身膨胀率越小，一方面因为表面散热较快，水化温升低导致氧化镁膨胀率发展慢，另一方面是表面水分散失快，混凝土干缩更大;但是12d后自生膨胀率已基本稳定，这是由于前期低温条件下未反应的氧化镁，在中后期持续反应补偿板面处混凝土更大的干燥收缩。
　　3.2 混凝土试件数据分析
　　为控制工程使用的掺氧化镁混凝土质量，QC质量小组在工地现场进行了混凝土抗压强度、限制膨胀率的留样成型试块，并进行40℃水中养护（按照《混凝土用镁质高性能混凝土抗裂剂》CBMF 19-2017的中规定的试验方法）和现场同条件养护，测试数据见表3。由试验数据可以看出：（1）筏板主体及膨胀加强带混凝土的强度、限制膨胀率均达到设计要求;（2）现场保湿洒水养护10d期间，同养混凝土强度与40℃水中养护试件强度相差2.5MPa以下，在停止养护后强度相差4MPa左右，再次证明了持续保湿养护对混凝土质量的重要性;（3）同养混凝土7d限制膨胀率受温度影响略低于40℃水养，10d～28d受混凝土干缩影响较大，限制膨胀率有下降的趋势，至56d混凝土体积变形基本稳定。
　　3.3 应用效果
　　从浇筑后180d内QC质量小组组织专人检查采用镁质高性能混凝土抗裂剂的板、墙、梁等结构的裂缝情况：筏板基础总共260m×32.9m的区域内均未发现裂缝;负二层剪力墙总长约260m，浇筑后14d查看剪力墙仅发现1条表面细微裂缝，浇筑后28d查看裂缝情况无变化;负一层的剪力墙和顶板浇筑完后，为观察是否有因载荷而新产生的裂缝，浇筑后28d再次查看负二层剪力墙的裂缝情况，发现整个260延米的剪力墙仍仅有1条裂缝（长3m，宽0.04mm），地下室回填完毕后180d内无任何渗水点。采用了镁质高性能混凝土抗裂剂配置补偿收缩混凝土，本工程地下车库达到了设计的抗裂防水要求，此次地下工程抗裂防水技术应用效果良好。
　　4  结语
　　本文的主要结论如下。
　　（1）镁质高性能混凝土抗裂剂配置的补偿收缩混凝土在本工程中有效减小了温度收缩和干燥收缩，地下车库混凝土结构未出现有害裂缝，抗裂防水效果显著;
　　（2）混凝土结构内部温度对镁质高性能混凝土抗裂剂的性能发挥会产生至关重要的影响，对于不采用保温措施的非大体积混凝土工程，混凝土内部温度通常会在3～5d内便降至环境温度，此时镁质高性能混凝土抗裂剂性能的发挥也就会受到环境温度的影响;
　　（3）镁质高性能混凝土抗裂剂的应用还需配合相应的施工技术措施，需从结构设计、配合比优化、原材料、混凝土生产、浇筑、养护等全流程中的每个环节进行严格把控;
　　（4）针对地下工程混凝土超长无缝施工等此类重点技术难题，成立专项QC小组是非常经济高效的施工管理模式，在有效解决了工程现场异常情况、保障工程质量的同时，还形成了一套针对本工程的镁质抗裂剂混凝土抗裂防水施工应用技术。
　　参考文献
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