高层框架剪力墙结构自防水混凝土配合比优化及受力性能研究

引言

如今的城市里，高层楼宇普遍采用框架剪力墙这一结构，在主体架构里，自防水混凝土是关键部分，它和建筑的安全与耐久程度紧密相连，由于高层建筑结构具有复杂性，剪力墙要同时应对垂直载荷和水平地震产生的合力，从而对混凝土的力学特性设置了更为严格的标准。长时间被风雨、地下水和潮湿环境侵蚀的高层建筑的外立面与地下结构，防水层容易老化，甚至会有渗水现象发生，导致维护费用增多，安全隐患程度上升，采取精确调控水胶比、骨料配比以及外加剂配比的手段，使结构功能与防水功能相融合，极大地减少防水层施工阶段所需工期，在整个使用期间都保持优异的防水与力学性能，研究重点聚焦于高强度、抗震和防水性能，对各种比例进行精细优化，同时考虑施工的简便性和结构的长久性，让高层框架剪力墙结构在安全、防水和经济性上的综合性能达标。

一、高层框架剪力墙结构自防水混凝土强度的概述

高层框架剪力墙结构的设计工作，需应对明显的竖向与水平荷载带来的挑战，结构的安全稳定依赖于混凝土强度，得有混凝土强度的助力才行，既要让普通混凝土的承压、抗拉、抗剪强度符合标准，又要同步增强其密实程度和防水能力，保持力学性能非常优异 [1]。此种混凝土大多采用低水胶比率、高效能减水剂和优化后的骨料级配，提升胶凝材料的水化效果和结构密实度，显著提升抗压能力，高层结构运行会受到风荷载和地震这类周期性应力的反复影响，高强自防水混凝土可明显降低结构的形变程度和裂缝的扩展情况，减缓疲劳破坏的速度，让结构在长时间内保持稳定，经过强化的剪力墙作为主体受力部件，能充分满足其安全性方面的需求，还为结构整体的稳固性和耐久性筑牢根基。强度设定于自防水混凝土非仅力学属性之单一考量，也与防水性能紧密相吻合，此类结构多布置于外墙、地下室等易受水侵害的部位，混凝土的密实性若不达标，墙体渗水加速钢筋的腐蚀速率，降低结构强度。实施配比改良，选取适宜比例的矿物添加剂（粉煤灰、矿粉、硅灰）与高效外加剂，优化孔洞排列，降低孔隙占比，同步加强抗压与抗折特性，显著增强防渗透性 [2]。强度与防水性能的协同优化，有效抑制剪力墙在荷载作用下的微裂缝生成，即便墙体细微裂纹生成，其扩散速率显著降低至较低水平，从而延长结构寿命，高层建筑对此性能优势的依赖性极大，节省维护开支，提升建筑应对复杂环境的适应力，结构稳固与功能效能的双重维护。

二、高层框架剪力墙结构自防水混凝土抗渗等级与框架剪力墙构件承载力

（一）抗渗等级与结构耐久性提升

长期服役的高层框架剪力墙结构体，遭遇雨水渗透、地下水侵蚀及气候湿度变化等叠加环境影响，自防水混凝土的抗渗等级，直接规避水分及有害离子侵入结构的深度与速度，P10 级以上抗渗性能有效阻隔水分侵入，遏制氯离子、硫酸根等腐蚀性介质的渗透，显著降低钢筋锈蚀与混凝土碳化的速度增长。对于高层建筑而言，这种耐久性提升尤其重要，若遭遇渗漏事件，也将降低其使用效能，后期维护的难度与成本攀升，强化防水渗透抵抗力，实现结构防水的一体化融合，保障剪力墙在长期荷载与环境影响下持续稳定，显著增加建筑的使用年限 [3]。

（二）配合比优化与抗渗性能实现

自防水混凝土抗渗等级的增强，需借助配合比的科学优化手段，在高层框架剪力墙结构中，追求高抗渗性能等级，严格控制水胶比，一般不应超过 0.40，选用粒径恰当、级配一致的优质骨料，采用高效减水剂及适量矿物掺合料（如粉煤灰、硅灰、矿渣粉）进行配合。采用这些材料，混凝土的孔隙结构得到优化，毛细孔的连通率也大幅降低，也引发二次水化反应的活跃，增进结构紧凑度，大幅提高抗渗能力。施工工艺控制同样重要，涉及密实振捣、分层浇筑及养护完备等工序，有效抑制渗水路径生成，实施配合比与工艺的协同升级，满足高抗渗等级的门槛，也符合高层建筑对混凝土强度、韧性与耐久性的综合性能标准 [4]。

（三）抗渗性能与承载力的耦合效应

抗渗等级的进步，并非仅防水效能的飞跃，也与框架剪力墙构件的承载能力紧密相依，高抗渗混凝土内部结构紧密，孔隙率降低明显，力学性能显著增强，具体体现为优异的抗压、抗拉及抗剪能力，紧密结构显著阻遏微裂缝的形成与扩散，构件在承受高轴压比及水平地震时，需维持良好的整体性与刚度，高抗渗等级有效阻隔水分及腐蚀性物质对钢筋的侵害，维持钢筋与混凝土粘结的牢固度，维持结构长期承载稳定性，该抗渗与承载的协同机制，高层建筑采用自防水混凝土，显著增强了结构整体性能 [5]。

（四）承载力保障与结构安全储备

框架剪力墙构件的承载能力是衡量高层建筑抗震与抗风性能的关键参数，提高抗渗性能，保障承载力长期稳定，高抗渗混凝土可阻隔地下水、雨及空气湿气对结构核心的渗透，遏制钢筋锈蚀引起的截面缩减及粘结性能的降低，面临地震等极端载荷冲击，钢筋与混凝土共谋合力，充分挖掘材料强度潜力，阻止塑性破坏阶段的提前启动，采用高抗渗等级的混凝土，可大幅减少环境因素对结构疲劳累积效应的加剧，提升结构全寿命周期安全水平，高层框架剪力墙结构对此尤为关键，其作用显著关乎结构稳定性，也与建筑在遭遇灾害时的整体抗破坏能力及人员安全紧密相关。

三、高层框架剪力墙结构自防水混凝土裂缝控制的匹配性分析

（一）裂缝控制与抗渗性能的匹配性

在高层框架剪力墙结构领域，自防水混凝土在裂缝抑制与防渗性能上展现紧密契合，混凝土结构渗水的主要途径为裂隙，即便防水级别颇高，防水效果大幅退步，自防水混凝土设计阶段应同步实施裂缝宽度控制与结构密实度的提升，通过减小水胶比、添加收缩抑制剂及调整骨料粒径分布减少收缩现象，降低裂缝形成的潜在性。结合抗渗等级与裂缝控制，构建双保险体系，经历荷载施加与温差变化阶段，有效阻绝裂缝扩展所引起的渗漏后果，微裂缝局部显现，紧密结构也能起到延缓渗透路径形成的效果，这种裂缝控制与抗渗性能的协同作用，即便遭遇高湿度或高压水压挑战，该结构也能维持其防水效能与整体耐久度。

（二）裂缝分布与构件受力状态的匹配性

构件受力状况与裂缝的形成及分布紧密相扣，高层框架结构之剪力墙区域，承担垂直负荷的剪力墙，需抵御由风载及地震引发的弯曲与剪切应力，应力集中区域易出现裂缝，自防水混凝土配合比设计需精准把握其结构受力特性，对受拉区实施钢筋配筋密度提升，并采用高延性钢筋分散裂缝、缩减裂缝宽度。裂缝调控策略与结构承载模式相契合，实现裂缝在低风险路径上的均匀分布，防止裂缝集中引发结构局部失稳及渗漏隐患，面对极端负荷挑战，匹配性设计也能保障，裂缝增长受控于一定范围，裂缝扩散受限，难以迅速横贯构件整体，确保结构整体性能与耐久性得以稳固，受力状态驱动的裂缝控制匹配技术，裂缝控制匹配，为高层建筑结构安全提升之核心。

（三）温度收缩与干燥收缩裂缝的匹配性防控

温度变化和干燥收缩是导致高层框架剪力墙结构混凝土出现裂缝的重要非荷载因素，要精准把控自防水混凝土的裂缝，得让它和材料的热膨胀系数以及收缩特点相契合，添加低收缩性的矿物掺合料（像粉煤灰、矿渣粉）和纤维增强材料来强化结构，有效驱散收缩应力的集中，降低因温度梯度所引发的内部应力的集中程度。采用优化后的施工技术，像分层浇灌、分段留隙以及强化早期养护，极大地降低混凝土内部温湿度梯度的波动情况，防止塑性收缩裂缝在早期大量出现，此防控措施能显著减少裂缝的产生与延展，还可与自防水混凝土的高密度特点相互协作，使结构在温度变化和干燥环境下表现出强大的抗裂能力和渗透阻隔效果，保证结构长期稳定。

（四）裂缝控制措施与施工工艺的匹配性

裂缝控制的成效极大地依赖于混凝土材料的特性，施工技术同样与之关联紧密，在高层框架剪力墙结构的范畴里，自防水混凝土要想充分发挥性能，施工质量和控制措施必须高度契合，到了混凝土浇筑的时候，混凝土的密实状况、模板的刚性程度、钢筋的排列布局以及绑扎效果，都对裂缝的分布和宽度有着直接的作用。养护阶段的温湿度状况与混凝土早期收缩裂缝的出现密切相关，为了实现最高程度的匹配，施工组织设计要针对容易出现裂缝的部位规划专门的施工工艺，在应力集中的区域增加钢筋加固，在长墙段安排伸缩缝，在混凝土初凝前后进行二次抹面工作，同时要结合施工环境状况，精心选择养护手段，让材料和施工工艺完美契合，开展全流程的匹配性调节，大幅降低裂缝出现的概率，保障自防水混凝土防水及承重功能的稳定，提高高层建筑结构的安全性和长久性。

四、高层框架剪力墙结构自防水混凝土适配性配合比方案

（一）低水胶比与高效减水剂的适配设计

在高层框架剪力墙结构设计范畴，自防水混凝土配合比设计，首重低水胶比调控，确保混凝土强度与抗渗性均佳，0.35 至 0.40 为水胶比推荐控制区间，降低自由水占比，显著减少孔隙的数目及其连接性，显著提升材料的密实度及抗渗性能，低水胶比条件下，混凝土拌合物流动性降低，施工难度随之上升，应引入高效减水剂（如聚羧酸系减水剂）以助施工。此类添加剂在保持坍落度与施工性能的既定标准下，大幅减少用水需求量，实现水泥颗粒的分散效果，增强水泥水化效果，选择减水剂时需考量其与掺合料的相容性，避免泌水、离析等不良现象的滋生，实施低水胶比与高效减水剂的科学配对，实现高层剪力墙力学与抗渗性能的匹配标准，确保施工过程既便捷又均匀。

（二）矿物掺合料复合应用的适配方案

力求自防水混凝土在抗渗、耐久性及经济性方面达到均衡，配比设计时，常采用一定量的矿物类掺合材料，粉煤灰、矿粉、硅灰等辅助掺合料，适配设计中的材料，通过微孔填充、颗粒级配优化及二次水化作用，显著增强了混凝土的密实性与抗化学侵蚀性能，显著增强混凝土的密实度及化学侵蚀抵抗能力。混凝土后期强度因粉煤灰与矿粉的加入而显著增强，同时水化热也得到有效降低，与大体积剪力墙结构相兼容，减少裂缝扩展；活性高且颗粒细小的硅灰，初期强度及防水性能显著提高，掺量设计上，性能与经济性需兼顾，力求达到平衡，粉煤灰及矿粉的掺量应设定在胶凝材料总量的 20% 至 40% 区间，硅灰的掺加比例一般设定为 5% 至 10% ，精心组合不同矿物掺合料，实现高层剪力墙自防水混凝土强度、抗渗、耐久与施工性能的优化平衡。

（三）骨料级配与粒径优化的适配控制

骨料为自防水混凝土的关键组成，级配与粒径对混凝土的工作性能、强度及抗渗性产生直接影响，在适配性配合比方案设计阶段，推荐采用清洁、硬度高、吸水指数低的骨料，减小孔隙比，优化界面过渡区密实性，连续级配是粗骨料配置的优选，粒径上限设定需结合构件厚度及钢筋间距，常规尺寸一般限定于 20 毫米以内，确保浇筑无阻，有效减少混凝土分离现象；推荐采用颗粒级配恰当、含泥量低的中砂或粗砂作为细骨料，推荐细度模数介于 2.6 至 3.0 范围内，通过优化骨料级配，实现浆体用量减少与收缩减轻，也加强拌合物的粘结效果，提高施工密实度，显著增强防水及承重效果，在高层剪力墙结构中，优化骨料与胶凝材料配比，混凝土得以实现高强度与防水性能的双重优化。

（四）外加剂与施工环境的适配匹配

高层框架剪力墙自防水混凝土进行配比设计的时候，关键在于确保外加剂的挑选能契合施工环境，除了高效能减水剂以外，可根据具体情况选用恰当的引气、膨胀以及防水类添加剂，让这些添加剂在混凝土里均匀地产生气泡结构，增强混凝土的抗冻性和耐久性，一定要严格控制这些外加剂的添加量，以防混凝土的强度和品质变差；运用膨胀材料，成功攻克结构收缩的问题，大幅降低了出现裂缝的风险，尤其是针对温差较大的高层建筑外墙结构的应用场景；改善孔隙的结构或者打造防水的界面，以此增强抗渗能力，极大提升防水的渗透抵抗性。为使施工与环境适配，要按照气温、湿度、风速等条件，调整外加剂的配比和养护办法，防止坍落度急剧降低，尤其要重视早期养护工作，在低温施工的时候，需保证混凝土初始强度得以发展，防止受到冻害，让外加剂性能适应施工环境，同时保障施工质量，显著提升自防水混凝土在高层框架剪力墙结构里的综合性能状况。

五、结语

对高层框架剪力墙结构的自防水混凝土设计开展优化工作，实施让结构强度与防水性能达标的技术措施，也为搭建建筑全生命周期耐久性与安全性的综合架构，合理搭配材料、有效抑制裂缝、适度提升抗渗等级，能让结构功能和防水功能完美融合，把这种材料体系应用到高层建筑中，能大幅削减维护开支，增加建筑的耐用时长，为城市建筑的可持续发展筑牢根基。

参考文献：

[1] 李磊. 隧道衬砌结构自防水混凝土的试验研究[J]. 辽宁省交通高等专科学校学报 , 2024,26(3):6-10.

[2] 杨计刚, 闫龙, 吴宁宇, 等. 自修复混凝土配合比设计及性能研究[J]. 水道港口 , 2025,46(1):110-119.

[3] 李军委 , 熊锐 , 杨宇成 , 等 .MAC 镁质高性能混凝土抗裂剂在建筑工程中的应用研究 [J].新型建筑材料 , 2022(003):049.

[4] 吴进良, 向兴隆, 黄一凡, 等. 新型干混防水砂浆配制及性能研究[J]. 重庆理工大学学报:自然科学 , 2023, 37(6):161-167.

[5] 柳航, 闵强, 徐可, 等. 镁质高性能混凝土抗裂剂在地下工程防水中的应用[J]. 江西建材,2022(11):273-274,277.