混凝土艺术地坪技术难题及解决方案
1 工程概况
中科电商谷位于北京市大兴区旧宫镇南小街路与西三路交汇处, 是电商等高科技企业云集的高科技园区, 在建设过程中, 设计师提出采用混凝土艺术地面的思路, 他们认为混凝土的色彩和质感, 更能够体现那种低调奢华的气度和内涵。
但是, 混凝土艺术地面, 只有做到非常好, 才能够体现出这种独特的美感。否则, 如果出现缺陷, 比如平整度差、色差、起砂、裂缝等, 就像我们经常看到的普通混凝土地面和路面, 不但没有美感, 而且看起来很低廉, 甚至影响使用效果。
2 裂缝的成因及解决方案
在一系列技术问题中, 裂缝是最容易出现也最难解决的问题之一, 接触混凝土艺术地坪的项目施工后, 再仔细观察能够看到的混凝土地面和路面, 无一不裂。混凝土裂缝问题极其复杂, 业界人员普遍认为其是不可避免的。对于混凝土地面和路面, 裂缝的产生原因主要有:塑性裂缝、干缩裂缝、自收缩裂缝、钢筋锈蚀裂缝、荷载裂缝等。
塑性裂缝发生在混凝土初凝前, 由于混凝土的塑性, 不可避免地形成不均匀沉降, 造成混凝土剪切应力, 从而形成塑性裂缝。从裂缝的成因可以看出, 塑性裂缝可以减少, 但无法避免。在混凝土硬化前抹面可以有效地弥补塑性裂缝, 同时防止其继续发展。
干缩裂缝与混凝土失水有关, 应加强保水养护, 降低发生干缩裂缝的风险。自收缩裂缝与水泥水化后的体积收缩有关, 水泥水化是一个体积收缩的过程, 因此混凝土体积收缩不可避免, 当收缩造成的拉应力达到混凝土的抗拉承载能力, 混凝土就会开裂, 必须采取有效的技术措施减少混凝土自收缩。
钢筋锈蚀裂缝是由于混凝土中的钢筋锈蚀后表皮剥落并产生体积膨胀, 从而造成混凝土裂缝。室外地面在使用过程无任何防护措施, 要经受风霜雨雪、寒冬酷暑、温湿度交替变化、流水冲刷等等恶劣环境, 在具有充足的水分和氧气时, 混凝土中的钢筋很容易发生锈蚀, 表皮剥落并产生膨胀, 引起混凝土开裂。在这种使用环境下, 钢筋锈蚀是不可避免的, 所以, 对混凝土艺术地坪来说, 素混凝土比钢筋混凝土更有优势, 因此, 选用了素混凝土的方案。
3 应用试验和试生产
经过上述分析, 在项目试验的基础上, 针对各种裂缝及其产生原因, 采取了一系列的措施, 降低混凝土开裂的风险。
3.1 选用优质的原材料
粗骨料:粗骨料粒型、级配良好, 这样可达到同样的施工要求, 能最大限度地增大粗骨料用量, 增加混凝土的体积稳定性, 降低混凝土的自收缩。粗骨料含泥量低, 含泥量<0.5%。
细骨料:细骨料采用天然水洗中砂, 级配好, 细度模数2.7, 含泥量<3%。用于艺术地坪的混凝土, 在生产过程中, 不宜使用人造细骨料, 也就是机制砂。因为机制砂粒型不如天然砂, 用其生产的混凝土, 在胶凝材料用量一定的情况下, 达不到用天然砂生产的混凝土的施工性能, 不能够满足在混凝土表面刻画花纹和造型的需要。如果过多地使用胶凝材料, 对混凝土体积稳定性和耐久性不利。
水泥:选用钻牌水泥, 7d强度25MPa~30MPa, 28d强度50MPa左右, 比表面积<360m2/kg。
矿渣:唐山天龙S95磨细矿渣粉, 比表面积400m2/kg~450m2/kg。
粉煤灰:兴达2级粉煤灰。
外加剂:合众聚羧酸高效减水剂。
引气剂:选用上海凤阳引气剂。引气剂的品质很重要, 好的引气剂, 引入的气泡孔径分布合理, 能够显著提高混凝土抗冻融等耐久性能, 差的引气剂虽然混凝土含气量提高了, 但气泡孔径分布不合理, 大气泡不仅不能提高混凝土耐久性, 反而影响混凝土结构性能。
膨胀剂:CSAⅡ型膨胀剂。
3.2 配合比设计及应用
配合比设计时, 磨细矿渣的掺量不宜太大, 以避免泌水, 改善混凝土和易性。同时磨细矿渣的掺量太大, 会增加混凝土的自收缩。
粉煤灰掺量不宜太大, 因为粉煤灰比较轻, 容易上浮, 使混凝土硬化后表面的强度、硬度、耐磨性变差, 从而影响混凝土艺术地坪的使用寿命。
在保证混凝土和易性的条件下, 应尽量降低砂率。降低砂率不仅有利于混凝土的体积稳定性, 同时有利于控制胶凝材料的用量。
在保证混凝土和易性的条件下, 尽量降低胶凝材料用量, 降低开裂的风险。
加入引气剂, 使混凝土的含气量在3%~5%的范围, 不仅改善了混凝土的和易性, 而且对混凝土耐久性有利。
加入CSAⅡ型膨胀剂, 降低混凝土的自收缩率。
控制混凝土的坍落度。通过项目试验发现, 坍落度宜控制在120mm±20mm, 这时, 混凝土能够满足振捣密实的要求, 同时振捣后表面浆体量合适, 刚好满足表面刻画花纹的需要, 又不至于过多, 因为过多的翻浆会增加开裂的风险, 也会降低表面强度和耐磨性等。经过试验, 表1的配合比能够满足上述要求。
3.3 施工方案及关键技术
2015年10月, 采用上述原材料和配合比, 试生产混凝土约60m3, 浇筑路面4m×60m, 厚度250mm。
混凝土浇筑采用表面人工振捣。这是混凝土地坪施工常用的表面振捣方式。振捣的力度适中, 混凝土表面翻浆量合适, 刚好满足表面刻画花纹的需要。
浇筑完成后, 及时覆盖塑料薄膜。待至混凝土几乎失去塑性、快要初凝的时候, 揭开塑料薄膜, 进行混凝土表面抹面, 然后刻画花纹, 之后, 混凝土接近初凝。
这个时间的掌握非常重要, 如果操之过急, 混凝土的塑性还会形成少量的裂缝和翻浆;如果操之过慢, 刻画花纹就很困难了。
之后在混凝土表面喷涂养护剂。在这个时候覆盖塑料薄膜, 会破坏混凝土表面的花纹;但是如果不及时采取保水措施, 会造成混凝土干缩开裂。
养护剂应满足的要求:能够形成阻止水分蒸发的连续膜, 充分保证混凝土中的水分不散失;能够跟混凝土充分结合并且从观感上看不出混凝土表面做过处理;所以选择了水性的养护剂, 采用喷雾的方式。对喷雾的设备和使用方法要求也很严:喷出的养护剂必须是雾状的, 否则会破坏混凝土表面花纹;使用后必须清洗干净, 以避免堵塞;喷出的雾状养护剂必须均匀地覆盖在混凝土表面并且形成均匀的养护膜。
混凝土凝结后继续覆盖塑料薄膜, 加强保水养护。
3.4 试验结果及技术分析
直至春节放假前 (2016年2月8日春节) , 就是浇筑后3个月之内, 混凝土未出现裂缝。春节过后, 4月份, 也就是浇筑5个月后, 混凝土地坪发现一道裂缝, 如图1所示。分析原因, 期间路面未承受荷载, 排除荷载裂缝;冬季混凝土强度增长缓慢, 气候干燥, 混凝土自收缩裂缝可能性大。掺加的CSAⅡ型膨胀剂在混凝土硬化早期和中期具有相应的补偿收缩能力, 在混凝土硬化后期不再具有补偿收缩的作用。
4 技术方案的改进
2016年4月, 在前述试验的基础上, 膨胀剂改为武汉三源的氧化镁类膨胀剂, 解决混凝土后期收缩的问题。
图1 混凝土地坪在浇筑5个月后出现裂缝 (拍摄于2016年4月)
kg/m3
kg/m3
图3 施工完成1年后的混凝土艺术地坪 (拍摄于2017年5月)
轻烧Mg O类膨胀剂, 煅烧温度低且煅烧制度可调, 可根据工程需要与Mg O膨胀规律制定煅烧制度, 做到Mg O的水化速度和膨胀量可自由调节, 以保证与大体积混凝土温降收缩变形相协调。利用Mg O独特的延迟性微膨胀变形, 使膨胀剂膨胀能的发挥与混凝土收缩速率匹配, 全生命周期补偿混凝土收缩, 从而保持混凝土体积稳定, 防止混凝土开裂。
其他原材料不变, 配合比基本不变, 浇筑、施工和养护方法不改变, 重新进行试生产和浇筑。掺加Mg O类膨胀剂的配合比见表2。
经试验, 掺加Mg O类膨胀剂的混凝土拌合物施工性能良好, 浇筑后的混凝土地面无起砂、无裂纹, 无缺陷。色彩均匀、漂亮, 表面花纹清晰耐久, 甲方和设计单位都十分满意, 如图2所示。
近期到现场观察, 混凝土表面观感和一年前并无差异, 未出现裂纹, 如图3所示。
中科电商谷工程一期园区地面及路面面积共2万平方米, 其中5000m2采用混凝土艺术地坪。经过一期的应用试验, 后续的路面将以混凝土艺术地坪为主, 仅少量采用石材。
结束语
混凝土艺术地坪对混凝土的施工性能、耐久性能要求高, 应选用优质原材料, 优化混凝土配合比, 施工过程精细操作, 以实现预期的使用和装饰效果。
为防止混凝土裂缝, 兼顾装饰要求, 需要从原材料选择、配合比优化、混凝土生产控制、混凝土浇筑振实、混凝土抹面、刻花、混凝土养护等多方面, 采取系列技术控制措施, 需要混凝土供应单位和施工单位通力合作, 才能够实现预期的目标。
其中, 采用武汉三源的轻烧Mg O膨胀剂, 对混凝土拌合物施工性能无影响, 对混凝土硬化后性能无影响, 可有效防止混凝土后期开裂。
混凝土艺术地坪使用环境恶劣, 通过采取一系列技术措施, 能够做到无裂缝, 笔者希望并期待更多的混凝土工程通过一系列的技术措施, 使裂缝得到有效控制, 以提高建筑物的耐久性。