超高性能抗渗混凝土在地下空间结构工程中的应用

 超高性能抗渗混凝土在地下空间结构工程中的应用

孙祯  王海兵  马晓珂 

中建科工集团有限公司（上海201111）

摘要：随着城市建筑密度的不断升级，地下空间开发愈发普遍，尤其是在上海等地，地下水位较高，做好地下空间的高防水要求就变得尤为重要，一旦建筑防水层出现破坏，钢筋混凝土结构将直接暴露在浸水环境下，提高混凝土的耐久性，把牢防线、减少维护，对实现节能环保可持续发展具有重要意义。本文以上海工业智能中心项目建设为例，对超高性能抗渗混凝土在地下空间结构工程中的应用进行了研究。实践证明，施工效果良好，总结的施工经验可供类似项目借鉴。

关键词：高性能抗渗混凝土；地下防水；混凝土抗裂

Abstract: With the continuous upgrading of urban building density, the development of underground space is becoming more and more common, especially in Shanghai and other places, where the groundwater level is high, so it is particularly important to meet the requirements of high waterproofing of underground space. Once the waterproof layer of the building is damaged, the reinforced concrete structure will be directly exposed to the immersion environment, which is of great significance to improve the durability of concrete, strengthen the defense line and reduce maintenance. Taking the construction of Shanghai Industrial Intelligence Center as an example, this paper studies the application of ultra-high performance impervious concrete in underground space structure engineering. Practice has proved that the construction effect is good, and the summarized construction experience can be used for reference by similar projects.

Keywords: High performance impermeable concrete；underground waterproofing；Concrete crack resistance

防水工程作为建筑施工当中非常重要的一个环节，影响着建筑结构的安全性、耐久性和舒适性，从实际来看，许多完工项目的地下空间渗漏隐患依然普遍存在，目前常见的做法有添加混凝土膨胀剂、添加混凝土防水剂、外铺防水卷材和涂刷渗透结晶防水涂料等，但以上做法存在着诸如膨胀剂掺量难以控制影响结构强度，添加剂氯离子含量较高，渗透结晶对温湿度敏感、防水卷材单点破坏整体失效等缺点，且鉴于当前我国施工行业劳动力水平仍有待提高，对于混凝土的振捣、养护、防水细部处理无法做到相当完善，故在进行了大量文献参考和市场调查后，以上海工业智能中心项目的建设为主体，研究出了一种超高性能的抗渗混凝土在项目地下空间结构中进行使用。

一、工程概况

上海工业智能中心项目位于上海市闵行区马桥镇，根据地质勘察报告显示，本工程所在区域属于三角洲冲积平原，浅部土层中的地下水属于孔隙潜水类型，其水位动态变化主要受控于大气降水及地表水补给等，实测地下水稳定水位埋深在0.50~1.50m之间，平均1.08m，水位较高，地基土呈饱和状态，地下水在长期浸水环境下对钢筋混凝土中的钢筋有微腐蚀性，在干湿交替环境下对钢筋混凝土中的钢筋有微腐蚀性。项目地下二层共计10.8米，为钢筋混凝土框架结构，地下室防水等级为一级，部分墙身防水等级为二级。底板防水设计做法为预铺反粘高分子自粘胶膜防水卷材+P8抗渗混凝土+1.0厚水泥渗透结晶型防水无机涂料，墙身防水做法为3.0厚自粘聚合物改性沥青防水卷材+P6抗渗混凝土+1.0厚水泥渗透结晶型防水无机涂料，地下室顶板防水做法为P6抗渗混凝土+3.0厚自粘聚合物改性沥青防水卷材+4.0厚耐根穿刺SBS改性沥青防水卷材+隔离层、构造层+保护层。

二、抗渗混凝土性能研究与应用

1.混凝土渗漏原因分析

混凝土工程的渗漏其根本原因主要是内部结构开裂造成的，可见的或不可见的裂缝位置成为了地下水渗漏的主要通道，而产生裂缝存在着许多影响因素，如水化热过大产生的温缩效应、养护不到位造成的干缩开裂，又如混凝土材料配合比用量不当降低了抗拉强度，再如施工过程中振捣不密实接缝部位处理不好影响防水效果等等。以混凝土抗裂憎水技术为出发点，围绕上海工业智能中心项目复杂地质水文条件，对外加剂进行研发评价，研究超高性能抗渗混凝土作为地下结构施工的主要材料。

2.超高性能抗渗混凝土的性能研究

（1）多元醇聚醚类材料。研究表明，多元醇{即分子中含有二个或二个以上羟基的一大类醇类，其通式为）}类结构中的羟基（-OH）能有效抓住水分，具备保水保湿效果，目前主要用于化工行业油漆、橡胶、塑料等高分子材料反应物和生活用品行业氨纶面料、化妆品等的高分子材料产品，其存在价格低廉、安全性高的特点，而聚醚多元醇是一种由含活性氢基团的化合物与环氧化物通过开环加聚反应制得的有机聚合物，添加剂中富含双键的多元醇聚醚类物质与丙烯酸类物质通过共聚反应可生成富含双键的聚羧酸类物质，因羧基（R-COO～）与水泥基材中的游离（）碱反应，延缓氢氧化钙，减少C-H-S凝胶的形成，释放更多的游离水，减缓水泥水化速度，降低水化热，同时，其中与水亲和力强的极性基团如羧基（R-COO～）、羟基（-OH）、氨基（-NH2）、聚氧烷基（-O-R）等通过吸附、分散、润滑等表面活性作用，对水泥颗粒提供分散和流动性能，增加混凝土的保坍性和和易性，且使水泥结晶更密实，降低混凝土的温缩效应。

（2）富含羟基的多糖类高分子材料。富含羟基的多糖类高分子和长分子链聚乙烯接枝共聚物通过偶联剂冷拼共混进行改性。长链结构能有效和水产生吸附效应，使得水泥——水——共聚物达到电离平衡，进一步控制水泥和水反应的速度。同时，长链共聚物对水的吸附性，可有效防止水的挥发，大幅降低干缩效应。

（3）有机硅材料。硅氧烷{含硅-氧-硅键构成主链的化合物，环状通式为}的烷基取代物有机硅氧烷，俗称硅酮，具有耐热性、耐候性、疏水性和较高的抗压缩性，其可通过与富含羟基的丙烯酸脂类物质进行缩合反应，使两者生成长侧链的接枝共聚物，该接枝共聚物以丙烯酸酯为主链，以有机硅类为侧链，因硅氧烷烷基为非极性，水为极性，两者不相容不反应，故可以利用有机硅的侧链非极性基团的电离排斥反应，能够有效地拒水。

（4）纳米高分子材料。纳米材料由于具有小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异特性，因而能够在结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的性能，通过纳米高分子材料在混凝土中应用，提高拉伸和抗弯折强度，提高混凝土的密实度，提升抗氯离子渗透的能力，降低弹性模量，降低混凝土形变，大幅加强混凝土的柔性抗裂能力。

（5）超韧性抗渗抗裂混凝土改性剂。通过多项高分子材料的组合添加，将混凝土的八大抗裂性能进行有机结合，多维度的提高混凝土的抗裂、抗渗性能。a、抗裂组分：增强抗拉、抗折强度。b、减水组分：降低水灰比，大幅提升力学性能。c、增稠组分：增加粘聚性，降低离析泌水，大幅提升强度。d、密实组分：增强密实性，提高耐腐蚀性、耐冲刷性。e、缓释组分：降低水化热程度，降低温缩效应。f、保水组分：增强分散性，提高流变性能，降低干缩效应。g、防水组分：增强密实性，有效防止水的侵蚀。h、引气组分：梳理内部不规则气孔，阻断过水通道形成。

3. 超高性能抗渗混凝土的配比与应用

（1）超高性能抗渗混凝土试验材料与配比。实验选用42.5普通硅酸盐水泥，S95矿渣微粉，Ⅱ级粉煤灰，中砂，碎石、粒度5-16mm，JRC-AIII减水剂，DX-1超韧型抗渗抗裂剂进行配比试验，混凝土强度为C40，具体配合比设计见表1。经7天龄期标准养护后进行抗渗试验，试验结果见表2。

表1超高性能抗渗混凝土的配合比

表2试验结果

（2）超高性能抗渗混凝土的现场施工。超高性能抗渗混凝土施工前应做好操作人员的各项交底，完成隐蔽工程验收。因其有着高效减水的效果，很好的改善保水粘聚性，故在水胶比小于0.40的情况下，保坍性好，可使混凝土的出机坍落度达到180mm以上，不宜泌水、不产生离析，对运输条件的要求相对较低，这对适应夏季气温高、运输距离长、大体积混凝土浇筑时的缓凝要求尤为重要，但实际混凝土的供应仍需保持连续均衡，间距不宜超过1.5h。超高性能抗渗混凝土的振捣同普通抗渗混凝土振捣，振捣棒“快插慢拔”振点均匀排列，应其和易性好，振捣方便快捷，施工效率高。超高性能抗渗混凝土应按照规范要求留置好抗渗试块，另外进行不少于14天的养护。

三、超高性能抗渗混凝土效果分析

1.经济效益

通过与传统抗渗混凝土施工相比较，超高性能抗渗混凝土可节约水泥等原材料用量，经济环保，改善混凝土和易性，使得混凝土浇筑施工时振捣方便填充密实均匀，人工效率提高，早期强度高，可提前进行模板拆除提高模板的周转速率，同时混凝土成型效果好，抗裂抗渗效果优异，能减少或避免后期的渗漏维护工作，大大降低后期维护费用。

2.社会效益

超高性能抗渗混凝土的实施，有效的解决了地下空间多渗漏隐患的难题，通过添加超韧性抗裂抗渗混凝土改性剂同时调整各项原材料用量大幅提升了结构自身防水等级可达P16及以上，具有保水粘聚性，对运输条件、浇筑条件要求低，氯离子、碱含量低、氨气释放量小，对环境无害，原理简单、施工方便，经实践证明具有可推广性，广泛适用于对抗渗要求高的大体积混凝土、地下室外墙、地下室顶板等部位构件的施工。

四、应用与研究建议

由于超高性能抗渗混凝土优异的抗裂防水性能，使其可广泛用于民建项目有抗渗要求的地下防水结构、水处理厂等，机场类项目其跑道、公路桥涵项目、地铁隧道现浇结构、水利大坝整体结构等通过调配超韧性抗渗抗裂混凝土改良剂含量增加矿物参合料及钢纤维或合成纤维亦可大幅提高混凝土可靠性及耐久性。因此超高性能抗渗混凝土推广使用还较少，对于其性能保障措施的研究，提出了以下思路和建议：

1.研究不同环境温度条件下的的混凝土抗渗抗裂性能

在低温5℃以下时，混凝土有反复冻融情况下，每间隔10℃，作为一个数据期间，在高温30℃以上时，没间隔5℃，作为一个数据期间，形成详细的横、纵向对比数据。主要以3d及28d抗压强度、混凝土内外温差、表面抗裂性能、抗氯离子渗透性能、抗水渗透性能为研究指标。

2.研究不同材料情况下的混凝土抗渗抗裂性能

如研究在不同地材（主要为河砂与机制砂）对混凝土抗渗抗裂性能的影响，或研究不同矿物掺合料（主要是粉煤灰、矿粉、硅灰）对混凝土抗渗抗裂性能的影响。主要以3d及28d抗压强度、表面抗裂性能、抗氯离子渗透性能、抗水渗透性能为研究指标。

3.研究不同运输距离情况下的混凝土抗渗抗裂性能

研究不同运输距离（以混凝土出机时间和泵送时间差为基准），对混凝土抗渗抗裂性能的影响。主要以3d及28d抗压强度、坍落度损失、最终泵送坍落度、抗水渗透性能为研究指标。

4.研究不同施工振捣方式条件下的混凝土抗渗抗裂性能

研究不同振捣方式，如：常规振捣、二次振捣、滞后振捣等，对混凝土抗渗抗裂性能的影响。主要以3d及28d抗压强度、表面抗裂性能、抗水渗透性能为研究指标。

5.研究不同拆模时间和养护方式条件下的混凝土抗渗抗裂性能

研究不同拆模时间，如：1天拆模、3天拆模、7天拆模等，对混凝土抗渗抗裂性能的影响。研究不同养护方式，如：涂刷养护液、覆膜浇水养护、湿贴麻袋养护等，对混凝土抗渗抗裂性能的影响。主要以3d及28d抗压强度、表面抗裂性能、抗水渗透性能为研究指标。

五、结语

上海工业智能中心项目两层地下室外墙结构从2023年4月动工到2023年7月地下室顶板结构施工完成为止，共计完成了外墙及顶板共计11520.8m³超高性能抗渗混凝土的浇筑施工。通过混凝土用量配比，节约了水泥等原材料的用量，节能环保、降本增效，得到了参建各方及社会各界的认可，很好的保证了项目地下空间的防水效果。混凝土在我国基建中的投入量及其巨大，而普通混凝土耐久性不足的问题一直困扰着建筑行业，随着混凝土维护期的到来，大量的维修费用将用来弥补此类缺陷，造成经济指标的浪费。而超高性能抗渗混凝土的研究与应用大幅提升了混凝土抗裂、抗渗等耐久性能，符合当前国家的可持续发展战略，对于越来越多的地下空间开发项目具有十分广阔的应用前景。

参考文献：

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【作者简介】孙祯（1993.05-），男，汉族，河北张家口市人，大学本科学历，中建科工集团有限公司技术管理，主要研究方向：建筑施工。