国内外补偿收缩混凝土规范述评

    [摘　要]本文简要介绍了美国ACI 223298 的报告《补偿收缩混凝土的使用准则》，对美国在补偿收缩混凝土的理论研究、设计、施工实践等方面的经验作了介绍，并对我国应用补偿收缩混凝土的现状作了总结，将我国规范与美国、日本等国的标准作了比较，指出了它们的异同及我国规范的不足之处。

    [关键词]补偿收缩混凝土；外加剂；膨胀剂；膨胀率

   

    1. 1 　美国ACI 223298 报告概要

    1998 年，美国ACI 223 主席H . G . Russell 提出《补偿收缩混凝土的使用准则》报告，综合了理论研究、设计方面、施工实践的经验，提出规范性的使用方法，目的是减少混凝土楼层、路面和构筑物的干缩开裂。减少膨胀混凝土开裂的作用取决于早期的养护，混凝土的配合比应保证适当的膨胀以补偿随后的干缩。

 

    1. 2 　混凝土材料

    1) 水泥(K型)

    要选用能满足混凝土膨胀和强度的水泥，要求CaSO4 和Al2O3 的比例在适当时间内利于钙矾石的生长。水泥过细会导致混凝土早期强度较高，影响混凝土膨胀的发展。当配筋率0115 %时，最低水泥用量为306 kgPm3 。

    2) 骨料

    用河卵石，一年后膨胀率为0103 %；用砂岩碎石，一年后膨胀率为0102 %。海砂(含氯) 会降低膨胀性，增加干缩。

    3) 水

    比普通混凝土多10 %～15 %。

    4) 外加剂

    各种外加剂对膨胀各有利弊，要注意其相互适应性，由试配决定哪些可用。如有些减水剂、缓凝剂不利于钙矾石反应；快凝剂(如CaCl2 ) 不能用，它会减少膨胀，增加收缩；粉煤灰、火山灰会影响强度和膨胀等。要特别注意对坍落度、限制膨胀率以及干缩的影响，要控制温度。

 

   1. 3 　结构设计

    要求补偿收缩混凝土的膨胀与随后的收缩互相抵消，才不致产生裂缝。

 

    1. 3. 1 　约束

    主要约束条件有以下几个方面:由配筋提供的弹性约束，将发展补偿收缩作用，但高配筋率的构件膨胀率小，而低配筋率的膨胀率大；相邻构件的约束(如底板对墙和柱对墙板的约束) ；地基对底板的摩阻约束。强约束条件补偿收缩较少。

 

    1. 3. 2 　最低配筋率和布筋

    补偿收缩混凝土的最低配筋率为0.0015。如全补偿需膨胀率0.025 % ，配筋率为0.05 %的构件要求棱柱体试件的膨胀率为0.04 %；反之，膨胀率为0.05 % ，可以满足配筋率为0.75 %构件的补偿收缩。可能板的配筋率分区不同，可取其平均膨胀率。预计构件收缩量时，应考虑构件厚度和混凝土材料对收缩的影响。

 

    1. 3. 3 　钢筋混凝土板

    结构设计时应预计早期荷载叠加膨胀应力后不应超过规范规定。可按以下计算:对构件膨胀率εc ，混凝土截面面积Ac ，钢筋面积As ，配筋率ρ，钢筋弹性模量Es ，则钢筋中的拉力和混凝土中的压力均为εc Es As ，混凝土中的压应力=εcEsAs/Ac =εcρEs ，构件伸长Δ = Lεc 。例:构件配筋率ρ=0.15 % ，εc = 0.10 % ， Es = 200 GPa ，产生压应力013 MPa。对大部分工程，设计师应规定构件的最小膨胀率εc ≥0.03 %。

 

    1. 3. 4 　隔离接缝

    墙、柱、机器基础、基础或外约束的其它结点常设接缝以适应垂直或水平的位移。如管路、油池的接缝能适应混凝土的初始膨胀。接缝垫料不能太硬，可用压缩应力0.17 MPa时，压缩应变能达到50 %的材料。

 

    1. 3. 5 　施工缝

    采用补偿收缩混凝土时，在封闭结构内其温度变化小，可铺设1500m²板不设缝；在不封闭环境，温度变化大时可铺650～1100 m²不设缝，尽可能做成方形板。相邻板的差异收缩和新浇板水化热引起的膨胀，如不采取措施，可能发生裂缝。

 

    1. 3. 6 　收缩缝

    在露天地面，可以30.5m设1个收缩缝，在有湿度的地面可以45.7～61.0 m设缝。除了高应力区外，补偿收缩混凝土可取代收缩缝。

 

    1. 3. 7 　膨胀缝

    要保证适度膨胀，0.06 %膨胀率相当于温度变化38 ℃，在自由非约束边，应允许地基上的板发生膨胀应变。

 

    1. 3. 8 　后张结构混凝土

    后张产生弹性缩短和附加徐变，加上收缩、徐变、温度冷缩使框架结构中的构件长度变短，由于这些变形，框架柱必须抵抗更高的力矩和剪力，特别是对连续基础上的第一层框架柱，框架缩短将柱向内拉。对地基上的后张板，补偿收缩混凝土初始阶段压缩应力大于张拉应力，在混凝土浇后5～10d 内，在外部作用适当约束时，可以达到0.01～0.10 MPa的压缩应力，混凝土的压缩应力消失很快，除非在混凝土收缩前施加后张应力。对补偿收缩混凝土可以消除地基板摩阻约束产生的张应力，由于早期混凝土存在约束，可以由混凝土膨胀抵消，因而不需后张混凝土，而普通混凝土则需要。

 

    1. 4 　混凝土浇筑、抹面与养护

    通常，补偿收缩混凝土稍粘，不易离析，适于泵送。a) 当塑性混凝土浇筑于干土或硬化混凝土上，应将其浇湿，热天还应把模板、钢筋浇湿。b) 在干、热、多风天气，混凝土易失水产生塑性裂缝，可用一定功能的喷雾机喷水雾于混凝土表面防止水分散发，直到终凝。c) 防止预拌混凝土浇筑延误，因搅拌时间愈长，坍落度损失愈大。d) 建议在温度30 ℃限时搅拌1 h ，在30 ℃以下可拌115 h ，当用高效减水缓凝剂，上限温度可提高。要求养护7 d ，水温要适当。e) 补偿收缩混凝土泌水少，对抹面有利。f) 养护应防止早期混凝土收缩，要选较好的养护方法，如蓄水养护、连续喷淋、湿麻袋覆盖等就很有成效。在混凝土终凝后马上养护(至少7 d) ，如未到位，可先喷雾水(特别在干、热、多风天气) 。如在7 d 前拆模，应用养护平衡湿度，在极端冷热天气应做好初期养护。

 

 

    2. 1 　总的情况

    a) 我国是使用补偿收缩混凝土的大国，每年使用膨胀剂达40 万吨，国内膨胀剂产品很多，应用的工程也很多。

    b) 国内补偿收缩混凝土的使用缺少详细的规范，使用不当易出现问题，从而使人产生误解，有些省、市甚至发文禁止某些膨胀剂的使用。

    c) 有些施工单位缺乏应用补偿收缩混凝土的经验，出现少用膨胀剂；应用假货、次品；膨胀剂不符合要求等情况，导致工程出现问题。

    d) 设计方面对混凝土要求不准确、不要求或由施工单位作主，而在美国的准则中，规定设计人员要参与必要的计算和决定。

    e) 我国各地水泥种类、生产厂家繁多，应选择适合补偿收缩的水泥品种和外加剂类别。

    f) 规范化设计、施工是可以把补偿收缩混凝土工程做好的。另外，加强研究工作也很需要，如对混凝土中各种材料的相容性，设计指标的准确性的研究就很有必要。

    g) 对膨胀剂材料已有相应的规程。膨胀剂一般掺率为8 %～12 % ，但也有同样品牌(不同厂) 的膨胀剂有不同的膨胀率和掺率的情况，从而引起使用上的混乱。《混凝土外加剂应用技术规范》(GBJ 50119) 对补偿收缩混凝土的设计、施工作了若干规定。

 

    2. 2 　中国、日本、美国的膨胀混凝土标准的比较日本JISA 6202 :1997 标准规定，试件按表1 要求试验。从试验要求上比较，我国与其性能是相近的。我国与日本都用膨胀剂制作补偿收缩混凝土，我国明矾石膨胀水泥(AEC)也有使用，但较少，由于对水泥混凝土总碱量的限制(小于3kg/m³混凝土)，AEC水泥用于碱骨料产地(如北方) 要加以特别注意。各国补偿收缩混凝土标准的试验比较见表2。

　从内容上看我国规范较简要(仅5000余字) ，美国标准较详细(40000 字以上) 。a) 我国规范对混凝土养护较注意，时间也较长(14d) ，但对混凝土的施工要求太简单。b) 美国标准对膨胀率的要求比中国高，见表3。c) 美国标准强调补偿收缩膨胀量应大于预期的收缩量，设计要规定混凝土的膨胀率> 0.03 %(ASTM C 878 标准) ，施工时应留样做膨胀试验，对膨胀混凝土的质量更有保证。除个别工程，这点我国做不到。d) 美国标准对构件约束很注意，如底板对墙的约束采取减少约束的措施，地下室墙的浇筑考虑墙的自由膨胀，同时考虑框架变形对柱的影响。我国则通过增加配筋率和布筋来解决。e) 美国标准要求按工地材料试配，选择适合膨胀性又符合强度等要求的水泥，特别对外加剂(减水剂、缓凝剂) 要选用合适的。f) 我国混凝土试件和砂浆试件的限制膨胀率之比ε2 (混凝土)/ε2 (砂浆) = 0.6～0.7 ，美国为ε2 (混凝土)/ε2 (砂浆)= 0.03/0.04 = 0.75。

 

    a) 认真按规范或标准去做，补偿收缩混凝土结构是可以做好的，有害裂缝是可以减少或避免的。

    b) 各地的水泥以及外加剂应作认真的筛选，改善级配，以利于膨胀混凝土的补偿收缩作用。

    c) 中国和美国均未规定应用纤维混凝土作为混凝土的抗裂方法，采用膨胀混凝土是相对经济的方法，有时可配合用后张预应力防止裂缝出现。

    d) 国外规范中有些内容值得我们借鉴、参考。

 

    1 　ACI Committee 223. Standard Practice for the Use of Shrinkage Compensating Concrete. 1998

    2 　中华人民共和国建设部. 混凝土外加剂应用技术规范，GBJ50119. 2002