超长钢筋混凝土结构UEA膨胀剂无缝设计及应用

　　1 前言
　　后浇带是一种扩大伸缩间距和取消结构永久伸缩缝的有效措施，它是施工期间保留的临时性温度收缩变形缝，保留一定时间后，再进行填充封闭，后浇成连续整体的无伸缩缝结构。这是一种：抗放兼备、以放为主的设计原则。因为普通混凝土存在收缩开裂问题，后浇带的设置就是把大部分约束应力释放，然后以膨 胀混凝土填缝，以抗衡残余收缩应力，这种设计已列入规范而广泛使用。
　　
　　后浇带的清理与凿毛，给填缝施工带来麻烦，延长工期，有时影响总体结构的设计。因此，取消后浇带，采用无缝设计，在混凝土内掺膨胀剂的新方法，广泛应用于高层建筑地下防水工程、各种水工结构和超长钢筋混凝土结构。
　　
　　2　无缝设计的含义和理论依据
　　2.1所谓无缝设计是个相对概念，根据结构情况，可无缝或少缝。它不包括沉降缝。它指的是释放收缩应力的后浇带，其设计思路是：抗放兼备、以抗为主的原则。也即用UEA补偿收缩混凝土作为结构材料，在硬化过程中产生的膨胀作用，由于钢筋和邻位约束，在结构中建立少量预压应力σ。
　　考虑结构强度的安全，膨胀不能太大，且在硬化14d基本结束。经研究，UEA替代水泥量10～12％范围内，对强度不影响，其膨胀率ε2=(2～3)×10-4， 在配筋率υ=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补偿混凝土在硬化过程中产生温差和千缩的拉应力，从而防止收缩裂缝，或把裂缝控制在无害裂缝范围内。基于这一以抗为主的原理，采用UEA混凝土时，后浇带的间距可延长至60m是安全的，比规范20～40m 增加1倍左右，这是无缝设计的少缝含义，已成功应用于结构设计中。
　　
　　2.2从材料上来讲UEA膨胀剂在水化过程中以形成钙矾石为膨胀源，这种膨胀结晶是稳定的水化物，具有填充毛细孔和切断毛细管的作用，使大孔变小孔，使混凝土孔隙率降低，从而增加混凝土的密实性，提高混凝土本身的抗渗能力。
　　2.3随着我国建筑超长、超大的发展，超长建筑物设置后浇带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一定麻烦，后浇带的清理凿毛问题，工期延长，模板周转、降水和施工管理费都增加。若取消后浇带，就具有明显的技术经济意义。
　　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、涵管等结构底板和墙体的特点是，其厚度远小于长、宽方向尺寸，当H/L≤0.2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，将出现水平法向应力σx，从工程实践可知，σx是设计主要控制应力，是经常引起垂直裂缝的主要应力，其最大值在长度的中点截面x=0处(见图1)。
　　当法向应力σmx超过混凝土轴心抗拉强度设计值f1时，在中部出现第一垂直裂缝，一分为二，每块板的水平应力重新分布σ1x如σ1x>ft，则形成第二批裂缝。这种裂缝有序性常可在工程中见到。所以后浇带作为建筑物中控制裂缝的主要措施之一。从以下法向应力公式可见
　　σmx=-EoacT(1-1/coshβ)•S　(1)
　　cosh——双曲余弦函数
　　Cx——地基对混凝土的约束系数(N／mm2)
　　H——混凝土结构的厚度(mm)
　　L——混凝土结构的长度(mm)
　　Ec——混凝土的弹性模量(1×104MPα)
　　αc——混凝土的线膨胀系数(1×10-5/℃)
　　T——综合温差(℃)
　　S——应力松驰系数
　　只有在较短的间距(L)范围对削减温度收缩应力(E。a。T)起显著作用，超过一定长度，即使设后浇带也没有意义。按理论计算，削减σmax有效间距为20～60m。下面谈到的膨胀加强带间距应设此范围内。
　　2.4研究表明，UEA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
　　Ac•σc=As•σs=As•Es•ε2
　　μ＝As/Ac
　　σc＝μ•Es•ε2 　(2)
式中σc——混凝土预压应力(MPα)
σs——钢筋预拉应力(MPα)
　　 As、Ac——分别为钢筋截面积和混凝土截面积(mm2)
　 　μ——配筋率(％)
　 　Es——钢筋弹性模量(MPα)
　 　β2——混凝土的限制膨胀率(也是钢筋伸长率)(％)
　　由(2)式可见，σc与ε2成正比关系，而限制膨胀率ε2随UEA的掺量增加而增加，所以，我们通过调整UEA掺量，可使混凝土获得不同的预压应力。
　　根据水平法向力σx分布曲线，我们设想在σmax地方给予较大的膨胀应力σc，而在两侧给予较小的膨胀应力，(见图2)，全面地补偿结构的收缩应力，控制有序裂缝的出现。这就是取消后浇带的粗浅理论依据。
　　
　　3　无缝设计方法
　　3.1在设计中，如何实现图2的补偿收缩应力曲线呢?请参看图3的无缝设计示意图。
　　在应力集中的σmax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(φ8@100)加固，目的是防止混凝土流入加强带。施工时，带外用掺10～12％UEA的小膨胀混凝土(膨胀率约2～3×10-4)，浇注到加强带时，掺14～15％UEA的大膨胀混凝土(膨胀率约4～6×10-4)，其强度等级比两侧高C0.5等级。到另一侧时，又改为浇注掺10～12％UEA混凝土。如此循环下去，可连续浇注100～200m超长结构。
　　
　　由于混凝土供应或施工力量达不到连续作业要求时，底板可采用图4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，用掺14～15％UEA的混凝土浇入加强带，随后用小膨胀混凝土浇注带外地段。
　　3.2对于无防水要求的楼板，考虑可允许出现小于0.3mm裂缝，不影响结构安全。可采用如图5的取消后浇带的设计方法。与图3区别在于加强 带两侧采用掺8～10％UEA的无收缩混凝土(膨胀率约1～2×10)，加强带本身用14～15％UEA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。
　　3.3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。因此，我们倾向采用后浇加强带(2m 宽)即分段浇注掺10～12％UEA混凝土，养护14d后，用掺14～15％UEA混凝土回填浇注后浇加强带。此方法与传统后浇带设计一样，要设钢板止水 带(见图6)，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，比传统后浇带缩短30多天。
　　
　　
　　4　工程应用实例
　　4.1长沙百联东方广场由我院设计。主楼高100m，沿街裙房高26.8m，裙房5层，地下2层。采用人工挖孔桩。负二层为车库和设备用房，负一层为商场。负二层总面积12000多m2，底板板面标高-9.40m，负一层板面标高-5.50m。地下室底板全长203m，宽44m、104m。抗浮设计水位为-4.0m。塔楼负二层底板1.0m厚，裙房负二层底板0.7m厚。与桩帽相联结。外壁厚负二层400mm，负一层300mm。
　　4.2为解决地下室防水问题和加快施工速度，我院设计中采用了UEA补偿收缩砼无缝施工技术。整个地下室长、宽方向未设伸缩缝。底板横向设6 条、纵向设2条膨胀加强带(见图7)，间距控制在30～40m范围内。整个底板采用结构自防水。竖壁及负一层、±0.00楼板采用后浇膨胀加强带，其位置 对应底板膨胀加强带的位置。带宽均为2m。砼强度等级：带外C30掺10％UEA；加强带内C35掺14％UEA，抗渗等级S8。底板采用连续浇注，竖壁 及负一层、±0.00楼板带外养护15d后再浇捣后浇膨胀加强带。
　　加强带增设①12加强钢筋长4m，间距同受力钢筋间距，按左右间隔交替布置形成6m宽应力过渡段。非加强带与加强带的接触面采用铁丝网隔离，并用φ8@100立筋加固。外侧竖壁后浇膨胀加强带及外侧竖壁水平施工缝做钢板止水带。
　　4.3±0.00以上设有3处抗震伸缩缝，突出部分交接处设1条，横向设2条。但每段还是超长，楼面采用后浇带的方法，后浇带用掺10％UEA混凝土，待楼面混凝土浇捣后45～60天浇注后浇带。
　　4.4长沙百联东方广场地下室工程竣工3年来，未出现渗漏点，防水效果很好。
　　
　　
　　5　结语
　　UEA无缝设计是以UEA补偿收缩混凝土为结构材料，以加强带取代后浇带连续浇筑超长钢筋混凝土结构的一种新技术。对于底板可用膨胀加强带取代后浇带，连续浇注混凝土；对于边墙、地下室楼板、顶板可用后浇加强带，间距30～40m分段浇筑，待15d后再用UEA膨胀混凝土回填浇注。通过工程的应用，在理论上是可靠的，施工上是可行的，效果是理想的。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用，有广泛地应用参考价 值。