《超长地下混凝土结构无缝施工方案》讲课讲稿.doc

《超长地下混凝土结构无缝施工方案》

超长钢筋砼结构无缝设计与防水施工技术方案

一、工程概况
中国建筑设计研究院、北京市建筑设计院、清华大学建筑设计院和天津市设计院等设计。总建筑大面积约100万m2。根据中国建筑设计院介绍，该院承担的M4地块总建筑面积约30万m2，共有6栋办公楼，地下室长度在150～300m之间，地下室总建筑面积约9万m2。建设方要求在保证工程质量的前提下，加快施工进度，为滨海新区开发奠定招商引资的良好环境。设计院希望与我院合作，提供技术支持。为此，根据我院的科研成果和20多年的工程实践经验，提出地下室超长钢筋结构无缝设计与防水施工技术方案供各方专家论证和参用。
二、需要解决的问题
1、该建筑群为超长钢筋砼结构，按常规设计，每30－40m设一道后浇缝，等砼收缩60d后才能回填砼，且后浇缝的施工十分麻烦，处理不好会成为渗水隐患。由于设后浇缝，给建筑布置带来不利，工期延长，建设方要求尽快把该建筑物建好，如何在保证工程质量前提下加快施工进度。
2、该地下室对防潮防水要求高，尽管作柔性外防水，但其防水寿命只有15～20年。因此，砼结构自防水是永久防水之保证，普通砼收缩开裂是不可避免的缺陷，为此，如何控制结构有害裂缝（缝宽>0.2mm，不贯穿）的出现，这是保证工程质量的关键。
3．该基地是建在靠海的渤海新区，原为盐碱地，地下水有含有Na+、Mg++、Cl-、SO4=等有害成份，对钢筋混凝土有一定腐蚀作用。因此，要求地下室混凝土具有抗裂、防渗和抗腐蚀的功能，这是保证地下结构耐久性的关键。
三、超长钢筋砼结构抗裂防渗技术内容
1、简介
自八十年代中期以来，中国建筑材料科学研究院先后研制成功了UEA、ZY系列砼膨胀剂。其后又在砼结构自防水和超长钢筋砼结构无缝施工技术领域进行了深入研究。根据膨胀砼补偿收缩的原理，我院从1990年开始探索取消后浇带和结构自防水的科研工作，首先在理论上进行研究，后在工程上从小到大实践。1992年《UEA补偿收缩砼防水工法》列为土木建筑国家级工法(YJGF22－92)，1993年首次在《建筑结构》杂志上公布了“取消伸缩缝的设计新方法”，受到许多设计、施工单位的关注。中国建筑设计研究院、北京市建筑设计院、城建设计院、市政设计院、总后设计院以及中南、华东、西北和西南等众多建筑设计单位采用了这一设计新方法，至今已在全国上千工程中得到应用，取得了良好的社会经济效益。工程实例详见我院提供的技术资料。该技术已列入建设部即将在2009年颁布的《补偿收缩砼应用技术规程》JGJ／T178-2009。
2、砼结构自防水技术
根据砼收缩引起构筑物开裂的成因，我院在吴中伟院士的砼补偿收缩理论的指导下，研制开发了UEA、ZY等系列砼膨胀剂。通过水泥的化学反应，使砼产生适量膨胀，在钢筋和临位结构限制下，在钢筋砼中建立0.2～0.7MPa的预压应力，可大致抵消砼收缩时产生的拉应力，防止砼开裂。同时，水化反应生成的钙矾石晶体属针状、棒状晶体，填充、切断、堵塞砼的毛细孔，切断渗水通道，使砼的密实度和抗渗能力大大提高，抗渗能力可比普通砼提高2-3倍，使砼不裂不渗，从而达到砼结构自防水。而普通防水砼能提高抗渗性，但不抗裂，这是两种砼的最大区别。
采用补偿收缩砼做结构自防水，在施工保证措施完善的前提下，迎水面可不做柔性防水。施工简便、工期短、与柔性防水材料相比，耐久性好、与结构物同寿命、不污染环境。这一防水技术已列入住宅和城乡建设部的《补偿收缩混凝土应用技术规程》。
3、超长钢筋砼结构无缝设计施工方法
在现浇整体式钢筋砼结构中，为防止荷载裂缝设沉降缝；为防止收缩和温差裂缝设伸缩缝或后浇缝。而后浇缝是一种扩大伸缩缝间距和取消伸缩缝的有效措施。因为这种缝只在施工期间存在，其目的是取消结构中的永久伸缩缝，它既是施工措施，也是设计手段。然而，后浇缝的清理与凿毛会给填缝施工带来麻烦，另外，后浇缝保留时间一般在40～60天，工期延长，填缝不好，会留下渗漏隐患。
本文根据理论计算和工程实践效果，提出采用补偿收缩砼，取消收缩缝或后浇缝的施工新方法。该方法已在许多重大工程应用，效果甚佳。
(1)、取消伸缩缝的理论依据
根据王铁梦提出的砼裂缝间距计算公式［1］

式中 H——板或墙的计算厚度或高度，
——砼的极限拉伸，（×10-4）
——砼的弹性模量，（×10-4MPa）
——地基对砼的约束系数，（N/㎜3）
——砼线膨胀系数，（10×10-6）
——综合温差（℃），
——双曲余弦的反函数。
该公式是用极限变形计算伸缩缝间距。由上式可见，温差或收缩变形与结构材料的极限拉伸之间的关系(即与之间关系)很重要，一般总是大于大于，它们的差别越大，伸缩缝间距越小，差别越小，伸缩缝间距越大。如果采取措施使趋近于，，则完全无需伸缩缝。这就需要降低温差或收缩，提高砼的极限拉伸。然而，提高砼的是十分困难的，只有设法降低砼的水化热和收缩，即控制裂缝原则是≤，这是“抗”的办法。
（2）、膨胀带替代伸缩缝的作法
根据我们的工程实践，采用掺ZY膨胀剂的砼时，在长度60m以内结构可不留缝，超过60m时，为了保险起见，我们在收缩应力最大的地板和边墙中央，设一道“膨胀带”替代伸缩缝或后浇缝，见图l。膨胀带的宽度为2～3m，带的两侧挂上密孔铁丝网，目的不让砼中的石子通过。浇ZY砼时，膨胀带两侧浇灌掺8％ZY砼，膨胀带本身浇灌掺10％ZY砼，整个施工过程是连续的。该工法的理论依据是：如图1所示，一般在构筑物中部产生最大收缩，水平法向应力超过抗拉强度ft，便产生裂缝，用普通砼时则设一道伸缩缝。而用ZY砼时，以膨胀带代替，由于多掺了ZY，产生较大膨胀(一般)，而两侧砼的膨胀率较小(一般)，形成中部大两边小的膨胀区，从而补偿相应的收缩曲线。使任意长度可以不设伸缩缝。该工法已在许多工程应用，十分成功。
铁丝网

40m
40m
2m
膨胀应力
膨胀带，掺ZY10%砼
收缩应力
掺ZY8％砼
图1 膨胀带替代后浇缝的示意图

四、我院技术方案
1、无缝设计方案
该基地的各栋建筑结构设计正在进行中，我们就中国建筑设计院提供一栋建筑基础底板结构图作无缝设计。该建筑基础为桩板结构，长为267.8m，宽为66.25m，地下室为停车库，地上为多栋独立办公楼。根据我院的专利技术，该地下室以膨胀加强带取代后浇带，加强带位置见图2，沉降后浇带要等结构基本稳定后再用膨胀砼填充。
267.8m

66.25mm

图2 膨胀加强带位置示意图（例一）
2、膨胀加强带设置
（1） 连续式膨胀加强带（见图3），加强带宽为2米，带两侧用密孔铁丝网拦隔，采用￠16@300钢筋加固，浇筑加强带时，改用大膨胀砼，浇完后再用小膨胀砼浇筑另一侧，如此循环下去，实现无缝施工。
2000㎜ mm mm mm mm mm
铁丝网
膨胀加强带
ZY8%
C35P8
ZY10%
C40P8
ZY8%
C35P8

图3、连续式加强带
（2）间歇式膨胀加强带（见图4）

2000㎜
2500㎜
已浇砼
铁丝网
ZY8%
ZY10%
C35P8
C40P8
ZY8%
C35P8

图4、间歇式加强带
（3）后浇式膨胀加强带（见图5）沉降后浇带采用后浇式膨胀加强带。用小膨胀砼浇筑带外两侧砼，要等沉降基本稳定后再浇筑，清洗企口施工缝后，再用大膨胀砼浇筑膨胀加强带。

2500㎜

ZY8%
ZY10%
ZY8%

已浇砼
C40P8
已浇砼

C30S8
C30S8

2000㎜

图5、后浇式加强带
（4）裙楼楼顶板膨胀加强带位置设置与底板一致。施工单位根据混凝土的浇筑计划，可选择上述三种膨胀加强带进行无缝施工。
（5）边墙，由于边墙长且薄，施工养护较困难，受外界温度影响很大，易出现竖向裂缝，应采取分段浇筑，有利于收缩应力的松弛，边墙上的膨胀加强带宽2m，带两侧架设钢板止水带、铁丝网，其位置与底板加强带相对应。先采用小膨胀砼（ZY8%）浇筑带两侧边墙，14天后再用大膨胀砼（ZY10%）浇筑膨胀加强带。（见图6）。为保险起见，宜在边墙迎水面做一道粘结力强，可湿作业的PCM聚合物水泥防水涂料。
2000㎜ mm mm mm mm mm
铁丝网
膨胀加强带
ZY8%
C35P8
ZY10%
C40P8
ZY8%
C35P8
钢板止水带

图6、边墙后浇带示意图

补偿收缩混凝土的无缝设计和施工的原理，见我院提供的技术资料。
注：本方案图中所标记的膨胀剂均为北京新中岩建材技术公司生产的ZY高效膨胀剂。

3．沉降后浇带设置
该工程地上设计多栋高层建筑，与地下停车库联成一体。考虑因高差产生不均匀沉降，故设计沉降后浇带，待结构沉降稳定后，再用膨胀混凝土填缝，按规范设计，后浇带宽800～1000mm，两侧设止水带，在填缝之时,地下室抽水不停。
根据我们的施工经验，提出如下修改方案：
（1）沉降后浇带构造形成改为如图7中，上口宽400mm，下口宽200mm形成企口缝，并用盖板封口，以免杂物落入缝内。
（2）结构沉降稳定后，用高压水把企口缝冲洗干净，充分湿润。
（3）用UGM无收缩高强灌浆料和25～30%的水拌成大流动度灌浆料，把沉降后的后浇带填充。该材料28天抗压强度大于60Mpa，具有膨胀性能，流动度为250～270mm，可把结构联成整体，不会渗漏。
上述方法供设计和施工参考使用。
钢板网
400
无收缩高强灌浆料
400

h/2

h/2
h

200
200
200

图7 沉降后浇带细部结构示意图

五．本工程混凝土抗裂防渗技术方案
在本工程中地下室为超长钢筋混凝土结构，底板为大体积砼，顶板和墙体为薄板型结构。如何解决超长钢筋混凝土结构因干缩和温差收缩引起的开裂问题，确保底板、墙体不裂不渗，楼板不发生影响结构强度的裂缝，就成为结构设计和施工技术的关键。
（一）地下工程混凝土结构主体防水
根据《地下工程防水技术规范》GB50108-2008，结构主体规定选用防水混凝土，它可通过调整配合比，或掺加外加剂，掺合料等措施配制而成，抗渗等级不得小于P6。现今多用大流动度的商品砼，收缩裂缝大为增加，渗漏增多，影响了使用功能和耐久性。经过多年的研究和工程实践，提出在混凝土中掺入膨胀剂和聚丙烯纤维的双掺抗裂防渗技术。
1．根据混凝土四种收缩，提出如下分析与应对措施
①干缩是砼内水分散失引起的收缩，裂缝由外向内发展，采用ZY补偿收缩砼产生微膨胀，主要目的是防止干缩和增加砼密实性达到防渗抗裂。同时采取保潮养护，最好蓄水法，既防止失水，还向内部补给水分，这对水灰比低于0.4的高性能砼更重要。
②在混凝土掺入聚丙烯纤维（技术参数参考“裂必克”），它具有高分散性和耐酸耐碱的化学稳定。这种短切有机纤维性能分散在混凝土中，防止初期出现的塑性裂缝，分散收缩应力集中，阻止混凝土硬化过程中的收缩开裂，同时能提高混凝土的抗渗性，抗拉强度和抗震性等。
ZY膨胀剂和聚丙烯纤维都是混凝土常用的抗裂材料，它们有互补作用，化学纤维主要防止混凝土初期的塑性裂缝和分散收缩应力；ZY膨胀剂主要作用是减免混凝土硬化过程中产生的冷缩和干缩裂缝，在许多重大防水工程中都采用这种双掺技术，效果良好。
③冷缩是砼结构各部分热量散失引起收缩。温差大，降温快（温度梯度大)，尤其反复多次，容易开裂。为限制温差范围，必须将砼硬固前的初始温度尽量减小，一方面适当增加砼限制膨胀率，在补偿干缩之外，有一定的补偿冷缩能力。另一方面掺入缓凝减水剂，使砼初凝时间大于10h，可延缓水化热释放速度，采用膨胀剂和粉煤灰复掺亦可降低水化热，这样可缓解因水化热造成的温差。
④早期砼收缩仅限于表层砼。在初凝前因表面蒸发快内部水份补充不上，出现表层砼干缩，生成网状细裂缝，及时抹压或盖薄膜防止过快蒸发，可以防治。
⑤自收缩。水泥水化前后绝对体积约减少8%，这是砼自收缩的来源。掺加膨胀剂并延长潮湿养护可以防止自收缩引起的开裂。
通过以上分析和大量工程实践说明，掺加ZY膨胀剂和“裂必克”聚丙烯纤维的双掺补偿收缩砼，可以防止混凝土因干缩、自收缩引起的开裂，实现混凝土结构自防水。
2．补偿收缩纤维混凝土的主要性能
①建议采用由中国建材院研制，北京新中岩建材技术公司生产的ZY膨胀剂，水中7d限制膨胀率为0.03%～0.04%，可以在混凝土中建立0.2～0.8MPa的自应力值，补偿混凝土收缩，增强钢筋混凝土结构的抗裂能力。
②建议采用北京五方达科技发展有限公司生产的“裂必克”聚丙烯纤维，增强混凝土的抗裂能力。
③该混凝土对早期强度有增强作用，后期强度稳定增长。
④大大提高混凝土的抗渗性。其抗渗标号达S20～S30，可大幅度提高结构自防水功能。
⑤该混凝土具有抗硫酸盐侵蚀性能和抗裂防渗功能，能阻止有害介质对钢筋砼的腐蚀。
3．本工程混凝土中ZY和化学纤维使用要点：
对膨胀剂而言，限制膨胀率是关键的指标之一，只有具有高限制膨胀率的膨胀剂，才会对混凝土的收缩起到有效补偿作用。根据《补偿收缩混凝土应用技术规程》的要求，限制膨胀率设计取值见表1，从而避免砼硬化后、渗漏。一般要求：砼的限制膨胀率为0.015—0.025% (建议ZY掺量为胶凝材料总量的8—10％)，加强带为0.030—0.04%（建议ZY掺量为胶凝材料总量的10—12%）。

限制膨胀率的设计取值 表1
结构部位
限制膨胀率（%）
ZY建议掺量
底板、墙板、顶板
0.015～0.020
8—10%
后浇带，膨胀加强带等部位
≥0.025
10—12%

本工程各部位ZY掺量的建议值，为提高砼的抗裂性能，建议掺量采用上限，须进行混凝土配合比试验后并加以确定。
聚丙烯纤维的建议掺入量，每立方混凝土为0.6—1.0kg。
4．本工程补偿收缩纤维砼性能要求
（1）原材料
水泥：P．042．5级 减水剂：缓凝高效减水剂，应达国标
砂：中砂 化学纤维：“裂必克”聚丙烯纤维
石子：5—31.5mm碎石
膨胀剂：ZY膨胀剂，应达到《混凝土膨胀剂》国家标准GB23439-2009
（2）性能要求
A．砼坍落度：14—16cm
B．时间：初凝16—18h，终凝18—20h
C．强度：C30～C40
D．标号：＞P8
E．制膨胀率：
底板、墙壁：0.015—0.020％
膨胀后浇带：0.025—0.30％
（3）砼配合比设计
砼配合比设计可由我院提供参考配合比，由指定砼搅拌站做试验，根据试验结果，再确定砼的施工配合比。
（二）关于附加防水的技术方案
根据《地下工程防水技术规范》的强制性条文：“地下工程迎水面主体结构应采用防水混凝土，并应根据防水等级的要求采取其他防水措施”。按规范推荐迎水面的附加层有防水卷材，防水涂料和防水砂浆等。鉴于本工程地下室基础为桩板结构，用防水卷材铺贴难以做到天衣无缝，且防水卷材存在老化腐烂的问题，其防水寿命只有10—15年，与砼的寿命不同步。因此，建议采用抗裂防水砂浆（20mm厚）作底板防水附加层，施工简易，成本低，我院研制的ZAF抗裂防水剂是用膨胀剂、密实剂和憎水剂配制而成，其掺量为水泥用量的8%，与砂子拌制成抗裂防渗砂浆，抗渗标号＞S20。其性能超过《水泥·砂浆防水剂》建材行业标准JC474—2006的技术要求。当然，使用防水卷材也是可以的。
对于边墙防水附加层，建议采用PMC弹性聚合物水泥防水涂料，这种涂料既有水泥类的无机材料强度高，耐久性好的优点，又有橡胶类材料良好的弹性和防水性能，这种涂料可湿作业，连续涂抹，粘结力强。聚合物水泥防水涂料建材行业标准JC／T894—2001，该产品已列入防水技术规范，涂层厚度不小于1.2mm。当然，边墙防水附外层也可选用防水卷材或其他防水涂料。
× × ×
根据以上技术分析和大量的工程实践，对于本工程地下室超长结构的防水技术方案归纳如下：

地下室防水材料推荐 表2
部 位
推荐材料
技术特征
砼结构主体防水
掺膨胀剂和聚丙烯纤维的补偿收缩砼
无缝施工，结构自防水
砼结构附加防水
底板：20mm厚抗裂防水砂浆
抗裂防渗，耐久性好
边墙：1.2mm厚聚合物水泥防水涂料
可湿作业，粘结力强

六、技术经济分析
按本技术方案设计施工，进行如下经济分析
1．结构防水
建筑物地下室采用外防水的费用一般在50～60元/m2左右（卷材），本工程底板可采用结构自防水，取消外防水作业，每平方米防水费用为10～15元/m2左右，可节省防水费用约30～50元/m2。边墙采用聚合物水泥防水涂料作外防水层，一般为30元／m2，则每平方米可节省10元/m2的外防水费用。
2．无缝施工
采用补偿收缩纤维砼进行结构防水和无缝施工，不但提高了混凝土结构防水的整体性，而且简化了施工工艺，加快施工速度，可缩短工期60天以上。并在此基础上提高了模板周转，降低了人工、设备占用以及降水周期等费用，使本工程的综合费用大大降低。

七、技术承诺
20年来，我院以本技术为全国500多个重大防水工程提供技术服务，以北京为例，有当代商城（90×90m），北京西客站（165×200m），北京邮政综合楼（88×59m），北京古胜庄小区1号楼（174×62m）北京力鸿花园（122×70m），北京深房大厦（133×105m），北京希格玛中心（103×66m），天津市第一人民医院（165×86m），北京奥运会“鸟巢”体育场，国家会议中心，昆明国际机场新航站楼等，至今无渗漏，受到用户好评。
天津滨海新区渤龙湖总部基地是市重点工程，要求质量高，施工进度快，建设成本较低，防水耐久性好，本技术方案可达到上述要求，我院愿提供全方位技术服务，提供优质防水材料，派工程师到现场技术指导施工，防水保质期20年以上。

天津市滨海新区渤龙湖总部基地地下室

超长钢筋砼结构无缝设计与防水施工

技 术 方 案

中国建筑材料科学研究总院
科龙抗裂防渗技术中心