混凝土结构自防水实践与思考

谢吉锋

谢吉锋

北京众美房地产开发有限公司众美城项目土建负责人

摘要：本文对地下室渗漏、混凝土开裂的原因分析，对混凝土膨胀剂的选择、掺量、限制膨胀率、施工等方面进行了研究与探讨，结合北京某地下室工程结构自防水的成功案例，通过合理划分后浇带、选择合理的防水节点构造、补偿收缩混凝土配合比优化设计以及详细的施工方案、严格的施工过程控制和妥善的施工缺陷处理，确保了结构不开裂，不渗不漏，达到了地下车库混凝土结构自防水的目的。

关键词：膨胀剂；限制膨胀率；补偿收缩混凝土；裂缝控制

一、混凝土结构自防水实现原理

由于柔性防水材料多为石油化工制品，存在使用年限及保修年限均短于结构使用年限的局限性，而混凝土自防水能实现与结构同寿命，从根本上解决柔性防水的缺陷。

混凝土的防水性能主要取决于混凝土的密实程度，而混凝土裂缝是影响抗渗性能的主要原因。控制和防止有害裂缝的产生是提高混凝土坑渗性能最有效的办法。

1、混凝土结构开裂的原因分析

混凝土在凝固过程，发生体积变化是结构开裂的主要原因，导致混凝土结构开裂的主要原因有以下两种：

1）混凝土在升温过程中会发生膨胀，称之为热膨胀，在降温过程中会发生收缩，也称之为冷缩。

当冷缩值大于混凝土的极限拉伸值时，会引起混凝土结构开裂。发生冷缩变形，如果混凝土是处于自由状态下，这种冷缩变形会得到释放，一般不会产生裂缝；然而在结构中，由于邻位以及钢筋等的约束，冷缩会使混凝土结构产生拉应力，而一旦拉应力超过此时混凝土的抗拉强度，混凝土就会开裂。

像以上所述的各种因温度变化产生的变形裂缝，称之为温度裂缝。

2）水泥加水后变成水泥硬化体，其绝对体积减小。研究表明，每100g水泥中掺加33ml水，水化后的化学减缩值为7～9ml；如混凝土的水泥用量为300kg/m3，则形成孔缝体积约21～27L/m3，这是混凝土抗拉强度低和极限拉伸变形值小的根本原因。在干燥条件下，混凝土孔缝中的水分将会逸出而产生毛细管压力，导致干燥收缩。

由以上原因可知，水泥在水化、硬化过程中的化学反应、物理反应和热力学反应所引起的体积变化，是混凝土早期产生收缩开裂的根本原因。

2、预防混凝土结构开裂的主要措施

造成混凝土开裂的原因很多，采取的措施也各不相同。防止混凝土开裂的主要措施有：在混凝土中掺入膨胀剂、矿渣粉、磨细粉煤灰、聚丙烯纤维、钢纤维等。掺入矿渣粉与粉煤灰能替代部分水泥，降低水化热，对防止大体积混凝土开裂有较好效果，掺入聚丙烯纤维、钢纤维等效果较好，但工艺复杂，成本较高。大量的研究和应用实践表明，掺加膨胀剂以形成补偿收缩能有效地抑制早期混凝土收缩；避免收缩裂缝的形成；补偿收缩混凝土硬化过程中生成的膨胀结晶还具有填充、堵塞毛细孔缝的作用，使大孔变小孔，总空隙率降低。因此，补偿收缩混凝土是抑制早期收缩裂缝，最方便、最经济和最有效的措施。当膨胀剂与细磨掺和料复合使用时效果最优，应用也最广泛。

3、补偿收缩混凝土与混凝土膨胀剂

（1）混凝土膨胀剂

混凝土膨胀剂是指与水泥、水拌和后经水化反应生成钙矾石，或钙矾石和氢氧化钙，或氢氧化钙等产物，使混凝土产生膨胀的外加剂。

掺和料：习惯上把掺量大于5%的矿物材料称为掺和料。但是GB/T18736《高强高性能混凝土用矿物外加剂》也将其称为“外加剂”。

膨胀剂掺量大于5%，也是矿物材料，但是国内外约定俗成还是称为“膨胀剂”。

膨胀剂的主要功能是补偿混凝土硬化过程中的干缩和冷缩。

根据膨胀剂与水泥、水拌和后经水化反应生成的产物来划分，通常将膨胀剂分为3类：硫铝酸钙类混凝土膨胀剂、硫铝酸钙-氧化钙类混凝土膨胀剂和氧化钙类混凝土膨胀剂。

新一代硫铝酸钙-氧化钙类Ⅱ混凝土膨胀剂，通常叫高性能混凝土膨胀剂（简称HCSA），根据《混凝土外加剂应用技术规范》GB50119-2013与《混凝土膨胀剂》GB23439-2009，氧化镁含量不大于5%，碱含量≤0.75%，水中7天限制膨胀率≥0.050%，空气中21天敢限制膨胀率≥-0.010%。

高性能混凝土膨胀剂（HCSA）的优点：

相对于Ⅰ型混凝土膨胀剂，HCSA膨胀能高，膨胀速度快，绝湿膨胀大，长期性能稳定。

（2）补偿收缩混凝土

补偿收缩混凝土由膨胀剂或膨胀剂水泥配制的自应力约为0.2MPa～1.0MPa的混凝土。

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和水拌合后，水化反应形成膨胀性水化物钙矾石（C3A?3CaSO4?32H2O）或Ca（OH）2，这是它的膨胀源。

当混凝土膨胀时对钢筋产生拉应力，与此同时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0.2-1.0MPa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过程，抗拉强度在此期间得到较大的增长，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，从而防止和大大减轻混凝土的收缩开裂，达到抗裂防渗的目的。

结构自防水的前提是控制有害裂缝，关键要解决钢筋混凝土硬化过程中的收缩变形。补偿收缩混凝土具有抗裂防渗的双重功能，这是其他外加剂防水混凝土所不具备的。

（3）补偿收缩混凝土与一般抗渗混凝土的区别

1、建立化学预应力——抗裂性强；

2、改善混凝土的孔结构和孔级配——抗渗性好；

3、在湿养期间，补偿收缩混凝土产生的限制膨胀ε2，不仅能抵抗混凝土干缩所产生的拉应力，而且能够推迟极限拉伸变形SK出现的时间，在此期间混凝土的抗拉强度会进一步增长，将会大幅度提高混凝土的抗裂性，故可免减有害裂缝的产生，这是补偿收缩混凝土的基本抗裂原理。

4、补偿收缩混凝土硬化过程中生成的膨胀结晶具有填充、堵塞毛细孔缝的作用，使大孔变小孔，总空隙率降低，因此，抗渗性能优于普通混凝土，如C30混凝土，抗渗标号大于P20，而普通抗渗混凝土的抗渗等级主要为P6、P8、P10、P12。

二、众美城地下车库混凝土结构自防水实践

1、工程概况

本工程位于北京市大兴区庞各庄，东至纵十一路，南至团结路，西至纵十路，北至幸福路。为地下车库，地下车库周围为住宅楼及商业楼。地下车库部分采用板柱抗震墙结构，基础为筏板基础。基础采用C30抗渗混凝土，抗渗等级为P6；地下室墙体及顶板采用C35抗渗混凝土，抗渗等级为P6。底板板厚均为550mm，车库顶板厚度600mm，地下外墙厚度300mm、500mm。

2、设计关键点

（1）配筋设计

基础底板及车库顶板通长筋三级钢E18@200双层双向；地下二层车库墙体高度4.1m，地下一层墙体高度3.6m；墙体厚度300mm、500mm，墙体分布筋三级钢E16@100双排双向、三排双向。满足补偿收缩混凝土应用技术规程（JGJ/T178-2009）4.0.5有关配筋的要求。

（2）合理的后浇带设置

底板：本工程取消全部收缩后浇带，仅保留主楼地下室与地下车库之间的沉降后浇带。沉降后浇带须在主体结构完成后，经沉降观测合格方可浇筑；防水外墙：每隔30m设后浇式膨胀加强带，后浇式膨胀加强带留置时间约14d。

所有施工缝及后浇带处必须设置钢板止水带，其中底板施工缝及后浇带的钢板止水带，应选择平钢板，防止钢板止水板下方有混凝土浇筑缺陷，采用250mm宽，3mm厚钢板。车库通道处施工缝应使用“Ω”型止水钢板。

由于墙体薄、面积大、养护困难，受风速和大气温度影响大，容易出现收缩裂缝。因此，采用后浇加强带方式，即以40~50m分段浇注小膨胀混凝土，养护14d后，用大膨胀混凝土回填。后浇加强带的宽度为2m，回填用大膨胀混凝土。

3、补偿收缩混凝土技术要求

（1）膨胀剂及膨胀性能要求

补偿收缩混凝土外加剂采用《混凝土膨胀剂》GB23439-2009规定的Ⅱ型产品，经膨胀率测试比对及成本综合考虑，采用武汉三源生产的高性能混凝土膨胀剂HCSA。

经中国建筑材料科学研究院检测试配，HCSA膨胀剂7d水中的膨胀率必须≥0.08%，该取值满足《混凝土膨胀剂》GB23439-2009的要求。

配制的补偿收缩混凝土限制膨胀率必须≥0.030%且≤0.060%，该取值满足补偿收缩混凝土应用技术规程JGJ/T178-2009第4.0.2条的要求。

（2）混凝土配合比设计

以混凝土强度性能、限制膨胀率为目标，兼顾混凝土施工性能，通过试验确定混凝土配合比。

补偿收缩混凝土结构自防水施工的核心技术在于如何保证补偿收缩混凝土的体积稳定性，即我们需要通过配合比设计，掺加高性能混凝土膨胀剂，利用其产生的膨胀抵消混凝土自身因干燥和温度等原因产生的收缩，使得混凝土体积稳定，从根本上避免混凝土开裂的发生。

配合比如下：

表2-1混凝土配合比

如表1所示为采用的补偿收缩混凝土配合比，根据GB50119-2011《混凝土外加剂应用技术规范》测得混凝土水中14d的限制膨胀率平均值为：0.041%，0.043%，0.046%，均满足要求。

（3）对混凝土搅拌站的要求

采用预拌混凝土，选定的搅拌站距离工地5km。与搅拌站签订技术协议，做好技术交底，要求单独设置膨胀剂罐，设一位专门技术人员常驻搅拌站，检查膨胀剂进场情况与混凝土搅拌情况，按《混凝土膨胀剂》GB23439-2009方法，检查膨胀剂及补偿收缩混凝土限制膨胀率。

1）原材料要求

水泥：P.O42.5普通硅酸盐水泥。

砂：中砂，含泥量应小于3%。

石：碎石，连续级配，含泥量<1%。

混凝土膨胀剂：武汉三源生产的高性能混凝土膨胀剂HCSA，7d膨胀率不低于0.08%。

活性掺合料：二级以上粉煤灰，S95级磨细矿渣粉。

泵送剂、防冻剂：性能符合国家及行业标准，减水率不小于20%。

2）混凝土拌合物要求

运送形式：泵送；

混凝土坍落度：160mm～180mm。

3）原材料计量：

水泥、砂、石、外加剂、掺合料、水必须经过计量后才能投入搅拌机，计量累计偏差应符合下列要求（按重量计）：

水泥、外加剂、粉煤灰、水：±1％；砂、石：±2％

4）混凝土搅拌：应派专人负责投料，并符合计量要求；及时测定砂、石的含水量，以便及时调整混凝土拌合用水量；投料顺序为：石子→水泥→砂子→水。严格控制加水量，搅拌要均匀，最短时间不少于90s。

5）混凝土运输：

混凝土用混凝土罐车运至浇筑地点。运送过程中应不停旋转，旋转速度1-3r/min，防止混凝土离析。对混凝土出厂时间超过5h的，做退回处理。

4、结构自防水混凝土施工

（1）浇筑前准备

1）钢筋按设计图纸配置，绑扎要牢靠，模板表面涂上脱模剂。模板按设计尺寸安装，模板缝要严密，防止漏浆。

2）混凝土浇筑前对混凝土生产厂家进行实地检察，进行统一的技术交底，要求统一配合比，统一原材料。

3）为了保证补偿收缩混凝土的质量，确保到场混凝土能够达到设计要求的限制膨胀率，需对到场混凝土进行了限制膨胀率监测。

现场试验委托中国建筑材料科学研究院实行。

对每个检验批进场的混凝土拌合物按《混凝土膨胀剂》GB23439-2009附录B的方法，检查补偿收缩混凝土限制膨胀率。

按《混凝土膨胀剂》GB23439-2009附录B的方法对掺混凝土膨胀剂的混凝土的膨胀性能快速试验，进行了烧杯法检测。

（2）混凝土浇灌

1）基础底板混凝土浇筑

由于底板混凝土浇筑方量较大，且要连续施工，因此要求生产部门在混凝土浇筑前3天，与搅拌站取得联系，确定好浇筑时间、车辆、行车线路，做好人员、设备的组织工作。

为防止砼产生冷缝，要求砼初凝时间6-8小时，现场坍落度160mm，若因各种原因使砼在罐车内时间过长（超过4个小时的混凝土退回搅拌站，不得浇筑），坍落度损失过大，搅拌站应预先准备同品种外加剂随车携带，以便在技术人员的指导下二次添加，严禁加水。

底板浇筑按后浇带的位置划分流水段，流水段内混凝土的浇筑沿纵向采用连续浇筑方法，混凝土自然流淌形成一个斜坡。为防止混凝土集中堆积，先振捣出料口处混凝土，形成自然流淌坡度，然后全面振捣，并严格控制振捣时间、振捣棒的移动间距和插入深度。底板混凝土标高用钢筋50线拉小线进行控制。

2）墙体混凝土浇筑

浇筑机械采用混凝土地泵，辅之以塔吊，坍落度要求不大于180mm，浇筑混凝土时，分层厚度为450mm，测量分层厚度时采用特制PVC杆尺。墙体混凝土标高用钢筋50线拉小线进行控制。浇筑路线为循环路线，混凝土浇筑高度增长呈螺旋式上升，为了防止出现混凝土大斜槎，外墙与内墙交接处用钢丝网把墙体隔开。万一情况有变，如混凝土供应不及时，则先沿外墙进行浇注，使外墙保持整体性。

3）顶板混凝土浇筑

采用混凝土地泵配合布料杆浇筑，坍落度要求不大于200mm，顶板混凝土浇筑时，混凝土下料不得从一处集中下料，布料杆上橡胶软管下口距不得超过800mm，局部混凝土堆集过厚时用铁耙整平，顶板混凝土标高用钢筋50线拉小线进行控制。

4）混凝土振捣

为切实保证混凝土的质量，必须加强振捣工作，每浇筑点配备3台Φ50插入式振捣器，第一道设置在卸料点，解决上部振实，第二道在坡角处，确保下部砼的密实，第三台备用，浇筑底板混凝土时配备6台振捣棒（电梯基坑和积水坑部位浇筑点占用两台）。在振捣过程中，宜将振捣棒应快插慢提，以使上下振捣均匀，振捣点间距不大于插入式振捣器作用半径的1.25倍，约450mm，具体操作为每两个钢筋网格，每点振捣程度以砼表面不再显著下沉、不再出现气泡、表面泛出灰浆，混凝土振捣的原理是用振动器使混凝土受振，把混凝土内空气排出去，砂子充满石子间的空隙，水泥浆充满砂子之间的空隙，以达到混凝土密实。为保证混凝土振捣密实，防止过振产生离析现象，每个振点振捣时间为15秒，以表面泛出浮浆，不再出现气泡为准。在分层处为保证上下层混凝土结合成整体，振捣棒要插入下层5cm左右，以消除两层间的接缝，施工时注意不要碰撞钢筋、模板、管线及各种埋件。钢筋较密处及外墙高低台处，由人工配合捣固，振捣一定要密实。底板、顶板砼初凝前用木抹子压实搓平，塑料扫帚扫毛，以控制砼表面龟裂，减少砼表面水分的散发。

严禁用振捣棒别钢筋下料，防止已经收面的混凝土被传导振裂，严禁用振捣棒振动钢板止水带，防止已经浇筑完毕的钢板止水带与混凝土之间出现裂隙，丧失止水效果，钢板止水带的部位采用人工插捣；底板与外墙的阴角加强振捣，宜采用二次振捣工艺。

（3）混凝土养护

混凝土的养护是保证混凝土质量的很重要的工序，组织专人负责养护工作。

1）底板、顶板：为防止温度应力和失水干缩引起混凝土开裂，要覆盖塑料薄膜和洒水或蓄水进行保湿养护。具体做法：保湿养护方式——振捣刮平后，立即覆盖塑料薄膜，避免水分散失，表面混凝土终凝或能上人后，蓄水养护。在养护其间，混凝土不准发白。蓄水养护方式——混凝土终凝之后，即可分区筑坝蓄水养护，蓄水深度不小于5厘米。确保底板在14天内保持湿润状态，在养护其间，混凝土不准发白。

2）墙体：混凝土终凝后松动固定模板的螺栓，在模板顶部浇水对墙体混凝土进行养护，应带模养护7d，模板拆除后，应避免墙体暴露，受阳光直射，干燥太快易产生开裂，因此应涂刷混凝土养护剂养护，确保墙体不开裂。

结构自防水混凝土的养护不小于14天。

（4）施工缝及节点处理

施工缝和节点是容易渗漏的部位，应该成立专门的施工小组进行处理。

1）所有预留施工缝（水平施工缝、竖直施工缝）都要设置止水措施，

施工缝、穿墙螺栓、穿墙管道等结点构造详见下图：

2）施工缝、穿墙螺栓、穿墙管道内、外侧处理

由于施工组织原因形成的水平或垂直施工缝，在模板拆除后施工缝内、外表面往往露出砂、石的明显接缝，这不仅是易渗水的地方，而且混凝土外观也不美，为此必须进行处理。具体方法如下：在施工缝或穿墙螺栓上、下或左、右各10cm处抹压聚合物防水材料两遍。

图3-1混凝土外观

三、众美城地下室混凝土结构自防水效果

针对本工程具体情况，采取补偿收缩、增设温度筋来“抗”、以后浇带设置工艺来“放”、以减小约束，减小混凝土温度变形措施来“防”的综合温度裂缝控制措施，通过对质量的严格控制，对过程的细致管理，底板、外墙、顶板拆模后没有发现可见裂缝，2013年12月地下室施工完毕，养护14d后拆模，如图3-1所示，外观良好，观察无裂缝。从2014年4月回填完毕至今，除外墙柱帽处有两处渗漏外（已处理），整个地下室未发现明显水渍，自防水效果良好。工程实践表明采用补偿收缩混凝土刚性结构自防水技术，在工程中使用可以起到控制开裂的目的，达到预期结构自防水的效果。

参考文献：

[1]赵顺增，游宝坤.补偿收缩混凝土裂渗控制技术及其应用[M].中国建筑工业出版社，2010.

[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.