提高桩芯砼抗渗性能的研究

熊福全

中国电建集团贵州工程有限公司，贵州贵阳 550002

摘要：阐述了抗渗混凝土的发展及抗渗机理，针对微膨胀混凝土补偿收缩的特点，介绍了预应力管桩填芯混凝土，使用微膨胀混凝土填芯时，增加预制桩的抗渗性能，并增加预制桩与基础的有效连接。

关键词：高强混凝土；微膨胀混凝土；渗性能

引言

预应力混凝土管桩具有桩身质量优良，单向承载力突出，抗裂能力强，适用范围广，施工进度快等优点，已在工程中得到广泛应用。为提高预应力管桩的抗渗性能，需采用微膨胀混凝土进行管桩填芯。所谓抗渗性是指混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部孔隙的大小和构造有关。混凝土的密实度越高、孔隙率越小、大孔越少、连通孔越少,则抗渗性越好。混凝土内部互相连通的孔隙和毛细通道以及混凝土施工成型时振捣不密实产生的蜂窝、孔洞等,均会造成混凝土渗水。混凝土的抗渗性还与其本身是否开裂有关,大量的观察和研究表明,相当一部分工程之所以发生防水质量事故,是由于混凝土开裂所致。一般来讲,当裂缝宽度>0.1 mm时混凝土便渗水。

1.抗渗混凝土的发展历程

1.1抗渗混凝土

为了提高混凝土的密实度,20世纪初,前苏联、前民主德国等欧洲国家都进行过级配理论的研究,以最小孔隙率和最大密实度的砂石连续级配为理论根据配制抗渗混凝土。50年代初,我国曾推广应用骨料级配抗渗混凝土。它是根据前民主德国工业标准DIN1045卵石和DIN4163碎石来配制的,但这种混凝土要求严格的骨料级配,砂率高达50%~60%,并要求砂中含有占骨料相当比例的粒径<0.15 mm的粉细料。配制时,为了使粗细骨料配达到理想的曲线要求,不仅要丢弃部分砂石、耗费大量劳动力,而且需要有大面积的料场存放不同规格的石子,施工繁琐,难以在实际工程中应用。

1.2富砂浆抗渗混凝土

20世纪60年代初,我国提出了富砂浆抗渗混凝土技术,它将砂石混合连续级配简化为普通混凝土的骨料级配,而以控制水灰比、适当增加砂率和水泥用量的方法来提高混凝土的密实度和抗渗性。配制该种混凝土要求水灰比限制在0.60以下,水泥用量一般∀300kg/m3,砂率为35%左右,灰砂比一般∀0.5。对于这种混凝土,水泥砂浆的质量是决定混凝土抗渗性能的关键,因为混凝土中砂浆除了要求填充石子空隙并包裹石子外,还必须有一定的厚度。这样石子的骨架作用减弱,可能导致所配制的抗渗混凝土不仅抗压强度减小,而且水泥用量大,增加了造价。

1.3外加剂防水混凝土

随着人们对混凝土中水的通路(即孔隙)的特性及其形成过程研究的深入,以及混凝土外加剂应用技术的发展,人们提出了一系列改善混凝土抗渗性能的措施。自2世纪7年代起,已开始掺用各种外加剂,通过降低孔隙率、改善孔结构等手段来提高混凝土的抗渗性,增强其防水能力。外加剂抗渗混凝土是在拌合物中掺入少量能改善其抗渗性的有机物或无机物,以满足工程防水需要的混凝土。与前述的级配法、富砂浆法相比,掺外加剂配制抗渗混凝土是最简便有效的方法。国外于20世纪30年代开始研究和应用引气剂抗渗混凝土,我国于70年代也研制出多种引气剂并应用于抗渗混凝土工程中。除引气剂之外,我国还普遍采用掺加防水剂、减水剂等外加剂的方法来配制抗渗混凝土。

1. 4补偿收缩抗渗混凝土

混凝土浇注后,在其凝结硬化过程中,会由于化学收缩、冷缩和干缩等原因引起体积收缩,当收缩产生的拉应力超过其自身的抗拉强度时混凝土就会开裂。在混凝土的生命周期中,其表面和内部会产生很多微裂缝,影响其力学性能和抗渗等耐久性能。由于混凝土会产生体积收缩,在大面积浇注施工时,不得不预留出收缩缝,然后再将这些预留缝用高分子材料封填。这种做法给施工带来了不便,而且如果对预留缝封填不妥或封填物老化,数年后,预留缝就会成为渗流渠道。因此,有效地减小和补偿混凝土的收缩、防止开裂,对于提高混凝土结构的自防水能力具有积极的意义。我国于80年代中期开始进行混凝土膨胀剂的研制与工程应用,由于调整膨胀剂掺量能配制出不同膨胀率的混凝土,而且膨胀剂适应性强、使用方便、随用随掺,因而至今在工程中广泛应用。

2微膨胀混凝土的特点

（1）强度高。高强混凝土的抗压强度很高，可使钢筋混凝土柱和拱壳等以受压力为主的构件的承载能力大幅度提高。因此，利用材料强度高的特性可以显著地减小构件截面尺寸，降低结构自重，增加建筑有效空间和跨度，并在一些领域中可以代替钢结构。

（2）流动性大，早期强度高。用高效减水剂等配制的高强混凝土能同时具有坍落度大和早强的性能，可釆用商品混凝土泵送的机械化施工工艺。施工可以早期拆模，加速模板的周转，缩短施工周期，提高施工速度。

（3）耐久性好。高强混凝土比一般混凝土有更高的密实性，所以它具有抗外部侵蚀能力强，长期使用性能好的特点。

（4）重量轻，节材效果显著。在实际工程应用中，减小结构的截面尺寸，意味着降低结构自重，增加有效使用面积。据有关资料分析，在一般情况下，混凝土强度等级由C30提高到C80,结构体积可以减少1/3,相应的自重也可以减少1/3,且往往还可以使混凝土快硬、耐久性改善，建筑物的使用期限将超过一个世纪。此外，可以大量减少材料用量及建筑成本，生产、运输和施工能耗将大大降低等等。

3.微膨胀混凝土增强抗渗性能的关键

（1）掺入性能高的高效减水剂。在普通混凝土中，为在实际施工中得到较好的混凝土和易性，实际用水量比水泥水化所需用水量大得多。这样硬化后的混凝土，多余的水分蒸发掉，并在水泥石中、骨料界面区域形成大量的孔隙，这些孔隙是导致混凝土性能低劣的主要原因。只有掺入能大幅度降低用水量的高效减水剂，从而减少或消除孔隙及缺陷，才能实现混凝土的高强度高流动性的目的。

（2）掺入效能高的复合矿物掺合料(粉煤灰+矿粉)。通过系列试验研究发现，在矿物掺合料相同的条件下，复合矿物掺合料混凝土不仅各龄期强度均高于单掺的混凝土，而且还克服了单掺的一些缺点。复掺的效果不是简单的机械混合，而是不同类型的混合材发生了优势互补作用，即所谓的“超叠加效应”。

（3）微膨胀混凝土在限制条件下会发生体积微膨胀，产生稳定均匀的压应力和压应变，能够缓慢地补偿收缩，抵消拉应力，既保证了管桩填芯密实，又不会过度膨胀破坏管桩。

（4）根据膨胀量的大小，膨胀混凝土分为微膨胀、小膨胀、较大膨胀与大膨胀4个等级，其中微膨胀混凝土要求水中14 d限制膨胀率小于0.015%；小膨胀混凝土要求水中14d限制膨胀率大于等于0.015%；较大膨胀混凝土要求水中14 d限制膨胀率大于等于0.025%；大膨胀混凝土要求水中14d限制膨胀率大于等于0.040%。

4.结论

（1）微膨胀混凝土作为管桩填芯的重要技术，已越来越受到重视，其限制膨胀率和强度是主要的控制指标。

（2）微膨胀混凝土在养护1〜7d内，膨胀显著，之后14~28d内混凝土收缩量逐渐大于膨胀量，导致膨胀率缓慢降低，直至稳定，以14 d水中限制膨胀率作为判定依据。

（3）随着膨胀剂掺量提高，膨胀量增大，抗压强度降低。膨胀剂作为胶凝材料一部分，依然符合抗压强度与水胶比的关系。水胶比越大，强度越低。不掺膨胀剂的混凝土7d强度明显高于掺膨胀剂的混凝土7 d强度，而28d强度两者又趋于相近。

（4）膨胀混凝土在无约束情况下养护，会产生自由膨胀，使结构不够致密，导致7d抗压强度降低，而28 d抗压强度可以达到设计强度，所以带模养护不应少于7d，并以28d抗压强度作为判定依据。

参考文献

[1]中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会.高强混凝土结构设计与施工指南第2版[M].中国建筑工业出版社,2001.

[2]张忠.预应力混凝土管桩填芯混凝土抗拔试验研究及理论分析[D].合肥工业大学,2006.

作者简介：熊福全（1979.02-），男，汉族，贵州台江人，大专学历，助理工程师，主要从事：项目管理。