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本文由同济大学孙振平教授课题组杨旭整理 注：本公众号所发布内容均为课题组原创，转载或修编时请务必注明出处。 采用膨胀水泥或掺加膨胀剂拌制的，硬化过程中产生的体积膨胀能补偿干燥收缩的微膨胀混凝土称为补偿收缩混凝土。在钢筋和邻位限制下，补偿收缩混凝土能在结构中建立（0.2-0.7）MPa的预压应力，可防止或大大减轻混凝土硬化过程产生的收缩裂缝，从而达到抗裂防渗的目的[1]。 吴中伟院士于1979年出版的《补偿收缩混凝土》一书[2]，是当代第一本论述补偿收缩混凝土的专著。该专著提出了混凝土的补偿收缩原理、补偿收缩模式，以及补偿收缩混凝土的设计和工程应用等。游宝坤等通过对膨胀水泥的研究和开发应用[3]，用混凝土膨胀剂取代膨胀水泥，具有技术先进、有利于施工以及降低造价等突出优点。 目前，混凝土膨胀剂和补偿收缩混凝土的研究方兴未艾。中国土木学会混凝土外加剂专业委员会分别于1994、1998、2002、2006 、2010及2014年召开了六届“全国混凝土膨胀剂学术交流会”，并出版了六部论文集。2009年住房和城乡建设部制定了行业标准JGJ/T 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》，2014年建设部修订了GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》，完善了掺膨胀剂的补偿收缩混凝土的配合比设计、构造设计和施工注意事项，这在很大程度上提高了我国补偿收缩混凝土的理论和工程应用水平[4]。 补偿收缩混凝土是一种微膨胀混凝土，当膨胀剂加入普通水泥与水拌合后，水化反应生成膨胀性水化物----钙矾石（C3A·3CaSO4·32H2O）、Ca(OH)2或Mg(OH)2等，这是它的膨胀源。 当混凝土膨胀对钢筋产生拉应力，钢筋也对混凝土产生了相应的压应力。一般来说，在钢筋混凝土结构中建立（0.2-0.7）MPa预压应力，这就相当于提高了混凝土的早期抗拉强度，同时推迟了混凝土收缩的产生，抗拉强度在此期间得到大幅增长，当混凝土开始收缩时，其抗拉强度已增长到足以抵抗收缩产生的拉应力，从而大大减轻或防止混凝土的收缩开裂，达到抗裂防渗的目的[4]。 补偿收缩混凝土选择水泥的立足点与普通混凝土有所区别，主要是考虑水泥与膨胀剂之间应具有良好的适应性，以使其获得足够的强度和良好的膨胀变形性能。 （1）水泥品种 可采用硅酸盐水泥（P·I与P·II）、普通硅酸盐水泥（P·O）、矿渣硅酸盐酸水泥（P·S）、火山灰硅酸盐水泥（P·P）及粉煤灰硅酸盐水泥（P·F），不能选用快硬水泥、铁铝酸盐水泥和高铝水泥，水泥的强度等级不低于32.5级。大体积混凝土可选用低热微膨胀水泥（GB 2938-1997），大坝混凝土可选用高贝利特水泥（HBC）。 同强度等级情况下，水泥品种选择的顺序为：P·O→P·S→P·II→P·I→P·P或P·F。此外，宜优先选用细度较大的水泥、回转窑水泥以及SO3含量较高或适中的水泥（不超过8%），这些水泥有利于混凝土膨胀性能的发挥和后期强度的发展。 （2）水泥用量 膨胀剂的掺入会使混凝土的早期水化热提高，为防止或减少混凝土温度裂缝，在配制补偿收缩混凝土时，水泥用量不宜过大。有抗渗要求的补偿收缩混凝土的水泥用量不应小于320kg·m-3，当使用掺合料时，其水泥用量不应小于280kg·m-3。 膨胀剂是补偿收缩混凝土实现补偿收缩性能最关键的组成材料，用于制备补偿收缩混凝土的膨胀剂应达到如表1所示的性能指标。 表1 补偿收缩混凝土膨胀剂性能指标 注：1.细度用比表面积和1.25mm筛余或0.08mm筛余和1.25mm筛余表示，仲裁检验采用比表面积和1.25mm筛余进行；2. A法和B法可参考GB50119—2013附录B，检验时A、B两法均可使用，仲裁检验采用A法。 使用适宜的掺合料对补偿收缩混凝土的性能是有利的，但需经试验确定其最佳掺量以控制膨胀率。掺合料的品质应符合相关标准的要求，并按照相关应用规范或试验结果确定掺合料对水泥的适宜置换率。在使用掺合料时，还应严格控制SO3的含量，以防止生成过多的钙矾石，从而导致混凝土的体积不稳定，降低混凝土的耐久性。 在计算补偿收缩混凝土的配合比时，应把膨胀剂掺量与掺合料掺量一并加到水泥中计算，三者的最少用量不应低于300kg· m-3。否则，混凝土的限制膨胀率偏低。 细集料要求使用干净的河砂，应严格按高标准控制砂中云母含量、硫化物含量、含泥量及压碎指标值，其中以细度模数为2.6-3.1的中砂为宜。不宜选用砂岩类山砂、机制砂和海砂，因为此类砂对补偿收缩混凝土的膨胀率的影响非常大。 粗集料常因地质条件及岩石分布而异，无碱-集料反应的坚硬浆岩、沉积岩和变质岩的卵石和碎石均可使用。凝灰岩要慎重使用，不宜使用胶结不良的砂岩以及泥岩、页岩和片状的变质岩碎石。一般来说，石灰岩、花岗岩等碎石性能都较好。 如粗集料是碎石，需经过二次破碎，使碎石基本无棱角，并减少针片状颗粒的含量。 补偿收缩混凝土中掺加其它外加剂必须慎重，同一外加剂在不同补偿收缩混凝土中会产生不同的效果，无论掺加何种外加剂，都必须经过试验后才能正式用于工程。一般来说，尽可能选用使混凝土收缩率比较低的化学外加剂，如缓凝剂、减水剂和高效减水剂等。 补偿收缩混凝土用拌合水除质量应符合混凝土用水标准外，其用量应比相同坍落度的普通混凝土多10%-15%。但用水量的增加会增大水灰比，使混凝土的膨胀率减少，干缩率增加，因此，在施工工艺允许的条件下，尽量减小用水量，补偿收缩混凝土的水胶比一般控制在0.35-0.50的范围内。 补偿收缩混凝土配合比设计原则与普通混凝土大致相同，需满足混凝土施工性能、设计强度等级和抗渗等级等要求。此外，不同于普通混凝土，补偿收缩混凝土还需达到工程要求的限制膨胀率的设计指标等要求。补偿收缩混凝土的配合比设计要特别注意以下注意事项[5]。 （1）补偿收缩混凝土因利用“水泥+膨胀剂”组合以后的综合性能，必然存在着膨胀剂与水泥的适应性问题及最佳匹配关系。膨胀剂的合理掺量与水泥的SO3含量有关，同时，水泥的强度等级与早强性会影响混凝土的膨胀速度。 （2）补偿收缩混凝土最低限制膨胀率应满足相关标准的规定。日本JJs. A 6202规定，用100mm*100mm*360mm试体，配筋率μ=0.95%时的混凝土水中7d限制膨胀率应大于1.5*10-4；我国GB 50119—2013规定，用100mm*100mm*300mm试体，配筋率μ=0.785%时的混凝土水中7d限制膨胀率应大于1.5*10-4。另外，考虑到化学外加剂、掺合料以及混凝土内外温差等影响因素，需酌情增减限制膨胀率以满足工程要求。 （3）膨胀剂内掺量用膨胀剂占“水泥+膨胀剂+掺合料”总量的质量百分比来表示。GB 50119—2013规定，补偿收缩混凝土中膨胀剂最低内掺量为8%、最高内掺量为12%，即合理的用量范围是8%-12%。但这并不是绝对的约束条件，补偿收缩混凝土中膨胀剂的适宜掺量还需根据实际应用情况（如限制膨胀率设计指标等）进行试验确定。 （4）GB 50119—2013规定，补偿收缩混凝土的水胶比不得大于0.50，水泥（C）+掺合料（F）+膨胀剂（E）不得小于300kg·m-3。工程实践经验发现，胶凝材料总用量为（400-450）kg·m-3时，最利于发挥膨胀变形的作用，掺合料的适宜用量为胶凝材料总用量的10%-20%。 （5）使用化学外加剂时，外加剂掺量用胶凝材料的外加百分比表示。同时，应重视缓凝带来的作用，混凝土终凝时间夏季应大于15h，冬季应大于10h。 近年来，补偿收缩混凝土在国内已成功应用于多项国家重点工程，其中包括国家体育场，国家游泳馆，奥林匹克国际会议中心，首都和广州白云机场新航站，北京、天津地铁，深圳华为科研中心，苏州科技新天地，三峡水电站以及秦山、田湾核电站等数千个抗裂防渗工程。根据补偿收缩混凝土的特性，其在以下几方面具有良好的应用前景[6]。 （1）结构自防水技术 钢筋混凝土结构既能承重又能防水，称之为结构自防水。在1980年以前，结构防水原理都是通过某种手段减少混凝土的孔隙率，细化毛细孔径，以提高混凝土的抗渗性能。然而，工程实践表明，这些防水技术往往得不到令人满意的效果，这是由于人们忽视了水泥混凝土收缩的致命弱点。尽管混凝土很密实，但混凝土干缩和冷缩等均会使结构产生裂缝，从而破坏结构的整体防水功能。大量试验表明，添加膨胀剂的补偿收缩混凝土具有良好的抗裂性，对强度无不良影响，后期强度增长率高于普通混凝土强度，对钢筋无腐蚀，对水质也无影响。 （2）超长结构无缝设计施工新技术 游宝坤等人[3]提出了采用补偿收缩混凝土加强带取代后浇带，连续浇筑超长建筑的无缝设计施工方法。依据“以抗为主”的设计原则，利用补偿收缩混凝土在硬化过程中产生的膨胀作用，在结构中产生少量预压应力用来补偿混凝土在硬化过程中产生的温度和收缩拉应力，从而防止收缩裂缝或把裂缝控制在无害裂缝范围内。采用补偿收缩混凝土加强带有如下优点。 1）取消伸缩缝与后浇带，提高了混凝土结构的整体性能，特别是对于有防水要求的结构混凝土，提高了其整体防水性能。 2）后浇带一般需经(40-60)天才能浇注，采用该技术省去了施工对后浇带处理这一繁琐的环节，大大地缩短了施工周期，加快了施工进度。 3）对于某些结构，由于取消伸缩缝而免去了双梁双柱结构，扩大了可有效利用的空间。 （3）大体积结构混凝土裂缝控制新方法 为控制大体积混凝土温差裂缝，在设计和施工方面已有许多成功经验和措施，如掺入缓凝剂、粉煤灰、降低砂石温度以及埋设冷水管等，但代价较大。近年来，我国有些高层建筑底板设计厚度达3m，混凝土等级达C40-C60。对于C40以上混凝土，水泥用量约为(400-500) kg·m-3，即使采用粉煤灰替代部分水泥，混凝土的水化温升仍然很高，可使混凝土内部温度高达60℃-80℃。而实际上，当混凝土内外温差超过25℃时，就有可能导致混凝土结构出现贯穿性裂缝。根据吴中伟院士[2]提出的混凝土干缩和冷缩联合补偿的理论，在水泥中掺加膨胀剂、粉煤灰和缓凝减水剂的“三掺”技术，在降低水化热的同时，可利用混凝土膨胀剂产生的前期膨胀以补偿混凝土干缩，后期（14d后）微膨胀以补偿冷缩。 （4）刚性屋面防水技术 采用补偿收缩混凝土做刚性屋面比普通细石防水混凝土更好，其原因是该技术提高了混凝土的抗裂性，以柔性分隔缝缓解了屋面的温差裂缝。 补偿收缩混凝土是一种微膨胀混凝土，可以通过内部膨胀组分水化过程中的膨胀作用补偿普通混凝土的收缩作用，使混凝土结构更加密实，从而实现抗裂防渗的目的，具有很好的应用前景。但补偿收缩混凝土的配合比设计也因此变得更加复杂，对原材料及配合比的要求也要更加苛刻，因而，改进和完善补偿收缩混凝土配合比设计仍然是一个至关重要的问题。 参考文献
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