高性能混凝土的施工質量控制

吳聲宏（新疆生產建設兵團建筑工程科學技術研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊830054）

1 工程概況及施工難點

新建鐵路喀什至和田線S3標（DK319+000～DK498+800）位于新疆維吾爾自治區南部的和田地區。經過皮山、墨玉、和田等3 個市（縣），終點和田市。本標段線路平坦，長度為168.927 公里，有特大橋1 座、大橋10 座、中橋28 座、小橋19 座、箱形橋30 座，公路跨線橋3 座，共計91 座。涵洞分布于整個標段，正線涵洞441 座，改移道路涵洞11 座，設備涵洞2 座，共計454 座。橋涵及附屬混凝土總量為30 萬立方。

由于本工程所在區屬暖溫帶極端干旱荒漠性氣候。其特點：春長大風多沙，夏熱且干旱，秋涼降溫快，雪少冬不寒。年平均氣溫11.0℃～12.1℃，年降水量28.9 ～47.1 毫米，年蒸發量2198 ～2790 毫米。因此，在這種干燥、大風惡劣環境下，如何保證混凝土構件施工質量，成為了本工程施工的難點。

2 干燥、大風環境對高性能混凝土危害的分析

高性能混凝土是以耐久性作為設計的主要指標，針對不同用途要求，有重點保證其工作性、適用性、強度、體積穩定性以及經濟合理性。高性能混凝土與傳統的混凝土相比，其特點是：由傳統的水泥、砂、石、水四組分改變為必須添加化學外加劑和礦物摻合料后的六組分，水泥用量減少，用水量降低。

圖1 高性能混凝土的技術途徑

2.1 高性能混凝土的結構組成

高性能混凝土強調的性能之一是高耐久性。而混凝土的滲透性與耐久性有著密切的聯系，滲透性很低的混凝土抵抗環境中侵蝕性介質的侵入能力強，因而具有高耐久性。影響混凝土滲透性的因素不僅是孔隙率，更重要的是孔結構。高性能混凝土所用的礦物摻合料不但可以參與水化反應，而且未水化的細顆粒又可填充水泥石的毛細孔，使混凝土更密實。一般，隨著水化的發展，摻有礦物摻合料的水泥石中有害大孔減少，無害或少害的小孔或微孔增多，孔結構得到改善。

圖2 摻有礦物摻合料的水泥石微觀結構

2.2 干燥、大風環境下塑性收縮對高性能混凝土的影響

塑性收縮發生在混凝土硬化前的塑性階段，是指塑性階段混凝土由于表面失水而產生的收縮。混凝土在新拌狀態下，拌合物中顆粒間充滿著水，如養護不足，表面水的蒸發速率（即失水速率）超過內部水向表面遷移的速率（即泌水速率）時，水的蒸發面由表面深入到新鮮混凝土漿體表面以內，使蒸發面形成凹液面，凹液面產生的毛細管壓力使固體顆粒之間產生壓力。這種顆粒之間的毛細管壓力引起拉應力使混凝土表面收縮，當混凝土處于塑性狀態時，混凝土表面的抗拉強度很低，在混凝土表面的抗拉強度小于毛細管壓力時，則產生塑性收縮裂縫。塑性收縮裂縫雖然自混凝土表面發展，深淺不一，但如果不采取有效措施加以預防，不僅影響混凝土外觀質量，當裂縫產生在配筋附近時，還會加快鋼筋銹蝕，影響混凝土結構的耐久性。

環境條件是影響混凝土塑性收縮裂縫的最主要因素。在干燥、大風的環境中，隨溫度升高、相對濕度較低后，混凝土的塑性收縮會明顯加重，初裂時間提前、裂縫長度增加、裂縫總量增加。因此，工程中如果混凝土結構物處于高溫、低濕度的環境中應注意預防塑性收縮開裂。

2.3 干燥、大風環境下干燥收縮對高性能混凝土的影響

混凝土停止養護后處于干燥環境中，會引起體積收縮，稱為干燥收縮?；炷粮稍锸湛s產生的原因是：混凝土在干燥過程中，毛細孔水分蒸發，使毛細孔中形成負壓，產生收縮力，導致混凝土收縮；當毛細孔中的水蒸發完后，如繼續干燥，則凝膠體顆粒間吸附水也發生部分蒸發，縮小凝膠體顆粒間距離而收縮。因此，干縮的混凝土再次吸水時，干縮變形一部分可恢復，也有一部分（約30%～60%）不能恢復。

干燥、大風環境下，干燥和大風的雙重作用使得水分蒸發嚴重，會引起較大的干縮變形。雖然采用的是高性能混凝土，其特點是水泥用量大，水灰比很低，未水化的水泥顆粒多，對干縮收縮是有抑制作用的，但混凝土澆筑完成后如果不加強養護，一樣會引起混凝土的干縮變形。

2.4 干燥、大風環境下溫度變形對高性能混凝土的影響

混凝土的溫度變形表現為熱脹冷縮現象。混凝土隨溫度升高而產生的膨脹變形稱為熱脹變形，隨溫度下降而產生的收縮變形稱為冷縮變形。溫度變形如果受到限制，就可能導致混凝土開裂?；炷林械臒崃縼碓从谠牧虾退嗟乃療幔笳呤菬崃康闹饕獊碓?。與普通混凝土相比，高性能混凝土的水泥用量大，水泥強度高，水化放熱速率大，放熱量高。

在干燥、大風這種極端氣候條件下，周圍的溫度變化對混凝土結構物的危害很大。水泥水化產生熱量及散熱條件不佳的共同作用下，導致混凝土澆筑后的幾天里溫度大幅度上升，隨后，在冷卻至周圍溫度時常會引起混凝土開裂。由于晝夜溫差大，在外界處于高溫狀態時，混凝土表面升溫嚴重而內部溫度較低，混凝土結構物會因產生溫度應力出現裂縫。而在外界處于低溫狀態時，混凝土表面降溫嚴重而內部溫度正常，也會因產生溫度應力出現溫度裂縫。

3 干燥、大風環境下高性能混凝土的施工質量控制

在干燥、大風環境中，高溫有風時，水的蒸發量大，干燥快，高性能混凝土的坍落度損失快，新澆筑的混凝土可能出現凝結速度加快、強度降低等現象，并會產生許多裂縫；低溫有風時，水分同樣散失快，還會延緩混凝土的凝結速度、降低混凝土的早期強度甚至發生早期凍壞。因此，這種惡劣的環境會嚴重影響高性能混凝土體積的的穩定性及強度，從而影響到混凝土結構的耐久性。通過對以上混凝土裂縫產生原因的分析，采取了從混凝土的拌合、運輸、澆筑和養護各方面加強全過程控制以保證混凝土的施工質量。

3.1 高性能混凝土的攪拌

3.1.1 原材料的溫度控制

當室外溫度在5℃以下時加熱水拌和，但水溫不宜高于60℃，否則使混凝土產生假凝。若加熱水不能滿足要求，再加熱砂和石子，加熱后的溫度，砂子不能超過60℃，石子不能超過40℃。

當室外溫度高于30℃時，采用加冰或加冰水拌和混凝土，從而降低混凝土的內部溫度，同時可在混凝土泵管上覆蓋土工布等保水材料并經常噴水保持濕潤。施工澆筑時間盡量安排在夜間或早晚期間，如時間上無法安排，應采取以下措施：①在現場搭設混凝土輸送車使用的遮陽棚；②在混凝土泵垂直管上包敷30 ㎜厚濕水海綿，在暴露陽光下的水平管上同時敷蓋濕水麻袋；③水泥在使用前宜在室內進行儲存，砂、石骨料應搭棚和覆蓋，避免陽光直射。

3.1.2 攪拌工藝

混凝土的攪拌過程不僅存在物理作用，而且存在水化反應等化學作用?；炷恋臄嚢枰话阍谳^短的時間內就可達到大致均勻，但如果攪拌設備或工藝不合適，仔細觀察就可發現預拌混凝土中有些骨料表面是干燥的，此外還有一些干的小水泥團。從微觀上看，水泥顆粒并沒有完全均勻地分散在水中，有部分水泥顆粒相互團聚在一起，形成微小的水泥團，造成水化作用的面積減小，使混凝土具有強度的水化生成物較少，將影響混凝土的和易性和強度的提高。

混凝土拌合物的質量決定于原材料性質、配合比、攪拌設備及操作過程。當原材料及配合比不變時，攪拌機類型及轉速、攪拌時間、投料順序對混凝土混合料的質量有很大影響。

高性能混凝土應選擇強制性攪拌機，投料順序應采用二次投料法。采用二次投料法可以在促進水泥顆粒的分散度和提高水化程度的同時，使過渡區漿體的水灰比降低，相反可以增強過渡區性能，提高混凝土拌合物的和易性、粘稠性。

3.2 高性能混凝土生產過程中溫度的控制

1）在進行混凝土的攪拌生產前，除對用于混凝土生產的原材料進行常規檢驗外，還需對各種原材料進行溫度測試，詳細測出原材料的溫度，如水泥、粉煤灰、砂石、水、外加劑等原材料的溫度。

2）將混凝土的入模溫度和規范要求的最高不超過30℃，進行比較。當混凝土溫度高于30℃時必須采取冷卻水進行混凝土的試拌，或降低原材料溫度；當混凝土溫度低于30℃時無需采取措施，可直接進行試拌。

3）試拌后當測試溫度及其他試驗指標合格后可進行混凝土的攪拌生產和澆筑。

4 )在施工過程中應勤測混凝土拌合物出機、入模溫度和原材料的溫度以及環境溫度，通過分析以便更好的掌握和控制混凝土的溫度。

3.3 高性能混凝土的運輸

從材料角度出發，任何運輸方法都無法使混凝土免受天氣影響（冷、熱、雨水、雪等），且不會由于過分振動而引起混凝土的離析?；炷吝\輸設備的運輸能力適應混凝土凝結速度和澆筑速度的需要，保證澆筑過程連續進行?；炷吝\輸應滿足以下要求：

1）運輸中的全部時間不應超過混凝土的初凝時間。

2）運輸中應保持均質性，不應產生分層離析現象，不應漏漿；運至澆筑地點坍落度應符合設計要求，并保證混凝土在初凝前能有充分的時間進行澆筑。當運至現場的混凝土發生離析現象時，應在澆筑前對混凝土進行二次攪拌，但不得再次加水。對于高溫季節里長距離運輸混凝土的情況，可以考慮攪拌車的延遲攪拌，使混凝土到達工地時仍處于攪拌狀態。

3）混凝土的運輸道路要求平坦，應以最少的運轉次數、最短的時間從攪拌地點運至澆筑地點?？紤]到運輸過程中干燥、大風環境的影響，混凝土拌和物運輸時間應在滿足《混凝土結構工程施工及驗收規范》（GB50204-2002）規定的基礎上適當縮短，建議滿足表1 的規定。

表1 混凝土拌和物運輸

4）從攪拌機卸出后到澆筑完畢的延續時間，同樣應考慮到運輸過程中干燥、大風環境的影響，應在滿足《混凝土結構工程施工及驗收規范》（GB50204-2002）規定的基礎上適當縮短，建議不超過表2 的規定。

5）在高溫條件下，盡可能縮短運輸時間，宜采用混凝土運輸攪拌車運輸混凝土，可將運輸距離縮短或采用速度快的運輸工具；運輸混凝土過程中宜低速攪拌混凝土，采用間歇式攪拌，并注意運輸工程中的防曬；低溫條件下，在運輸過程中要有保溫措施以防止混凝土熱量散失，當混凝土到達澆注現場后，澆筑前應高速攪拌90s ～120s。

3.4 高性能混凝土的澆筑

1）澆筑要求

凝土成型就是將混凝土拌和物澆筑在符合設計尺寸要求的模板內，加以搗實，使其具有良好的密實性，達到設計強度的要求?；炷脸尚瓦^程包括澆筑與搗實，是混凝土工程施工的關鍵，將直接影響結構的質量及其整體性。混凝土經澆筑搗實后應內外光、尺寸準確、表面平整，鋼筋及預埋件位置符合設計要求，新舊混凝土結合良好。

合理安排混凝土澆筑時間，以避免在日最高氣溫和日最低氣溫時澆筑混凝土。在高溫干燥季節，晚間澆筑混凝土受風和溫度的影響相對較小，且可在接近日出時終凝，而此時的相對濕度較高，因而早期干燥和開裂的可能性最??；在低溫干燥季節，白天澆筑混凝土可以保證混凝土正常的凝結和硬化。

2）入模溫度

對于干燥、大風環境下的高性能混凝土，應盡量避免在最高、最低氣溫時進行澆筑。在高溫條件下，混凝土入模溫度不高于30℃，混凝土澆筑前應對模板和鋼筋進行降溫處理。在低氣溫條件下，混凝土入模溫度不得低于5℃，混凝土澆筑前應對模板和鋼筋進行加熱處理。

3.5 高性能混凝土的養護

1）混凝土養護方法

綜合考慮干燥、大風環境，高性能混凝土的養護可以分為以下二種情況：1）當環境晝夜平均氣溫連續3d 低于5℃或最低氣溫低于-3℃時，混凝土施工應按冬期施工考慮，此時可在結構物表面包一層保溫保濕膜，并進行蓄熱養護的方式進行混凝土養護。2）正常施工情況下，可采用雙重養護措施，即結構物表面覆一層浸水土工膜或海綿等吸水材料，外包一層保溫保濕膜。

表2 從攪拌機卸出后到澆筑完畢延續時間

保溫保濕膜的特點之一是熱容大，保溫效果好，低溫時膜內溫度比環境溫度高約4℃～20℃以上，有利于水泥的水化、提高混凝土早期強度；高溫時不受外界炎熱氣候的影響，可有效降低混凝土的內、外溫度梯度，減少溫度裂縫的產生，還能有效平緩晝夜溫差，較好的抑制微細裂縫的產生。二是保濕，由于保溫保濕膜具有密封效果，養護期間混凝土表面水分散失小，所以總能保持濕潤，養護后可杜絕或減少混凝土表面因干燥收縮產生的裂縫，且平整，無浮砂。

2）養護時間管理

考慮到高性能混凝土的抗滲性、抗凍性等耐久性指標根據規范《鐵路混凝土工程施工質量驗收補充標準》（鐵建設[2005]160 號）均要求在56d 齡期測定（見表3）。

表3 混凝土終凝后的持續保溫保濕養護時間

3）養護溫度控制

養護期間混凝土的內部與表層、表層與環境之間的溫差不宜超過15℃，直至混凝土強度達到設計要求為止。在養護期間，若淋注于混凝土表面的養護水溫度低于混凝土表面溫度時，二者間溫差不得大于15℃?；炷猎趪篮脱谉岘h境下拆模后，若天氣產生驟然變化，采用保溫保濕膜的措施可以防止混凝土內外產生過大的溫差，以避免溫度應力的產生造成過大的溫度裂縫。

溫度控制管理的重點是做好溫度的監控，需要采用測溫儀和溫度計檢測混凝土內部、混凝土表層和環境溫度。

4）保溫保濕膜的施工工藝

①將混凝土結構物表面清理潔凈，構件邊角部位應用刷子清理干凈；

②將浸水土工布或海綿等吸水材料形成封閉整體包裹在結構物表面；

③將保溫保濕膜形成封閉整體包裹在結構物表面；

④浸水土工膜或海綿等吸水材料或保溫保濕膜的搭接寬度不得小于20cm。

4 結語

通過對高性能混凝土在干燥、大風環境下產生裂縫原因的分析，只要加強對高性能混凝土從原材料的準備、拌制、運輸、澆筑、養護全過程的質量控制，就能減少甚至杜絕混凝土裂縫的產生。

[1]《混凝土結構工程施工及驗收規范》 （GB50204—2002）

[2]《鐵路混凝土工程施工質量驗收補充標準》 （鐵建設[2005]160 號）

[3]《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》 （鐵建設[2005]157 號）時間限值